CN106299052B - 一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法 - Google Patents

一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种GaN外延结构以及制备方法，特别涉及一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法。GaN外延结构包括依次层叠生长的成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、n应力释放层、多量子阱结构、p应力释放层、p型电子阻挡层及p型GaN空穴活化层，所述n应力释放层是由In组分含量递增渐变的InGaN/GaN超晶格层形成，所述p应力释放层是由In组分含量递增渐变的InN/GaN超晶格层形成。本发明能够有效增加电子与空穴的浓度，提高量子阱发光效率。

Description

一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法
技术领域：
本发明涉及一种GaN外延结构以及制备方法，特别涉及一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法。
背景技术：
二十世纪九十年代初，以GaN为代表的第三代宽带隙半导体材料获得了历史性突破，科研人员在GaN材料上成功地制备出蓝绿光和紫外光LED，使得LED照明成为可能。1971年，第一只氮化镓LED管芯面世，1994年，氮化镓HEMT出现了高电子迁移率的蓝光GaN基二极管，氮化镓半导体材料发展十分迅速。
GaN基多量子阱发光二极管(LED)已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下并且衰减的问题仍未得到很好解决。根据生长条件，MQW生长温度低于n型GaN层与p型GaN层,并且各层组分不同，这会导致产生热应力失配与晶格失配，晶体质量下降，影响发光效率。
发明内容：
本发明的目的是提供一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法，使得运用本发明所示制备方法制得的GaN外延结构提供更对的电子空穴对，用于LED芯片制造后发光亮度高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于LED的GaN外延结构，包括依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、n应力释放层、多量子阱结构、p应力释放层、p型电子阻挡层及p型GaN空穴活化层，所述n应力释放层是由In组分含量递增渐变的InGaN/GaN超晶格层形成，所述p应力释放层是由In组分含量递增渐变的InN/GaN超晶格层形成。
优选地，未掺杂GaN层包括纵向生长层与u-GaN横向生长层。
优选地，所述n型GaN层包括低掺杂Si浓度的n-GaN层，Si掺杂的AlGaN层以及高掺杂Si浓度的n-GaN层。
优选地，p型电子阻挡层是由Al组分含量递增渐变的p型AlGaN/GaN超晶格层形成。
优选地，所述p型GaN空穴活化层为InGaN。
一种用于LED的GaN外延结构的制备方法，包括如下步骤：处理衬底，然后依次生长成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、n应力释放层、多量子阱结构、p应力释放层、p型电子阻挡层及p型GaN空穴活化层，n应力释放层即InGaN/GaN超晶格层，p应力释放层即InN/GaN超晶格层，n应力释放层与p应力释放层生长时均是先生长一个超晶格势阱，再生长一个超晶格势垒，形成一个超晶格周期，然后周期重复性生长超晶格，相邻生长周期中In组分含量递增渐变。
优选地，未掺杂GaN层先纵向生长纵向生长层，后升温横向生长u-GaN横向生长层。
优选地，n型GaN层先生长低掺杂Si浓度的n-GaN层，再生长Si掺杂的AlGaN层，最后生长高掺杂Si浓度的n-GaN层。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过在量子阱前后各生长一个超晶格应力释放层，可以有效缓解有源区与两侧的晶格失配与热应力失配，增加电子与空穴的浓度，提高量子阱发光效率。超晶格应力释放层In组分渐变，使得晶格缺陷减少，更有效提高长晶质量，进一步提高发光效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明优选实施例的外延结构示意图。
具体实施方式：
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，不会对本发明构成任何的限定。
如图1所示，1—成核层；2—未掺杂GaN层；3—n型GaN层；4—n应力释放层；5—多量子阱结构；6—p应力释放层；7—p型电子阻挡层；8—p型GaN空穴活化层；31—低掺杂Si浓度的n-GaN层；32—Si掺杂的AlGaN层；33—高掺杂Si浓度的n-GaN层。
一种用于LED的GaN外延结构，包括依次层叠的30nm～100nm成核层1，1μm～2μm未掺杂GaN层2，4μm～6μm n型GaN层3，30nm～50nm n应力释放层4，200nm～400nm多量子阱结构5，20nm～30nm p应力释放层6、50nm～80nm p型电子阻挡层7及100nm～150nm p型GaN空穴活化层8，所述n应力释放层是由In组分含量递增渐变的InxGa1-xN/GaN超晶格层形成，x由0.01渐变至0.05，所述p应力释放层是由In组分含量递增渐变的InyN/GaN超晶格层形成,y由0.5渐变至1。
优选地，未掺杂GaN层2包括rough纵向生长层与u-GaN横向生长层。
优选地，所述n型GaN层包括0.5μm～1μm低掺杂Si浓度的n-GaN层31，300nm～500nmSi掺杂的AlGaN层32以及3μm～5μm高掺杂Si浓度的n-GaN层33。
优选地，p型电子阻挡层是由Al组分含量递增渐变的p型AlzGa1-zN/GaN超晶格层形成,z由0.2渐变至0.3。
优选地，所述p型GaN空穴活化层为InGaN。
用于上述LED的GaN外延结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)在1000℃～1200℃的氢气气氛下高温处理生长衬底5～10分钟，在处理过的衬底上500℃～600℃生长30nm～100nm成核层1；
(2)升温至950℃～1150℃，氢气气氛下退火，之后同源生长1μm～2μm未掺杂GaN层2；
优选地，950℃～1050℃，先生长rough纵向生长层，升温至1050℃～1150℃，生长u-GaN横向生长层。先纵向生长后横向生长，使结晶质量更加完好。
(3)1100℃～1200℃，生长4μm～6μm n型GaN层3，Si掺杂浓度1×1017cm-3～1×1019cm-3；
优选地，先生长1×1017cm-3～5×1017cm-3低掺杂Si浓度的n-GaN层31，再生长Si掺杂的AlGaN层32，最后生长1×1019cm-3～5×
说明书1019cm-3高掺杂Si浓度的n-GaN层33。低掺杂浓度与底层更好地晶格匹配，高掺杂浓度提供大量电子，AlGaN使电流很容易在横向平面内扩展，从而避免因局部电流密度过高而造成的器件损伤，使器件抗ESD能力强。
(4)降温至800℃～900℃，生长n应力释放层4，即先生长一个超晶格势阱InxGa1- xN，再生长一个超晶格势垒GaN，形成一个超晶格周期，然后周期重复性生长超晶格，相邻生长周期中InxGa1-xN的In组分含量递增渐变，x由0.01渐变至0.05，n应力释放层总厚度30nm～50nm,周期数10～20个；
(5)700℃～850℃，生长多量子阱结构层5，即先700℃～750℃生长一个势阱InGaN，再800℃～850℃生长一个势垒GaN，形成一个量子阱周期，然后周期重复性生长多量子阱结构层，量子阱总厚度200nm～400nm；
(6)750℃～850℃，生长p应力释放层6，即先生长一个超晶格势阱InuN，再生长一个超晶格势垒GaN，形成一个超晶格周期，然后周期重复性生长超晶格，相邻生长周期中InyN的In组分含量递增渐变，y由0.5渐变至1，p应力释放层总厚度20nm～30nm,周期数5～10个；
(7)升温至950～1000℃，生长50nm～80nm p型电子阻挡层7，Mg掺杂浓度5×1018cm-3～5×1019cm-3；
优选地，p型电子阻挡层是由Al组分含量递增渐变的p型AlzGa1-zN/GaN超晶格层形成；先生长一个超晶格势阱GaN，再生长一个超晶格势垒AlzGa1-zN，形成一个超晶格周期，然后周期重复性生长超晶格，相邻生长周期中AlzGa1-zN的Al组分含量递增渐变，z由0.2渐变至0.3,周期数5～15个；
(8)再升温至1000℃～1100℃，生长100nm～150nm p型GaN空穴活化层8，Mg掺杂浓度5×1019cm-3～5×1020cm-3。
本发明实施例外延片与常规MQW两侧无本发明所示应力释放层的方法制得的外延片相比，制成芯片后测得LED发光亮度增加1％～3％。

Claims (4)

1.一种用于LED的GaN外延结构，包括依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱结构、p型电子阻挡层及p型GaN空穴活化层，其特征在于：还包括n应力释放层和p应力释放层，所述n应力释放层是由In组分含量递增渐变的InGaN/GaN超晶格层形成，所述p应力释放层是由In组分含量递增渐变的InN/GaN超晶格层形成；
其中，未掺杂GaN层包括纵向生长层与u-GaN横向生长层；所述n型GaN层包括低掺杂Si浓度的n-GaN层，Si掺杂的AlGaN层以及高掺杂Si浓度的n-GaN层；p型电子阻挡层是由Al组分含量递增渐变的p型AlGaN/GaN超晶格层形成；所述p型GaN空穴活化层为InGaN。
2.一种用于LED的GaN外延结构的制备方法，包括如下步骤：处理衬底，然后依次生长成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱结构、p型电子阻挡层及p型GaN空穴活化层，其特征在于：n型GaN层和多量子阱结构之间生长n应力释放层，多量子阱结构和p型电子阻挡层之间生长p应力释放层，n应力释放层即InGaN/GaN超晶格层，p应力释放层即InN/GaN超晶格层，n应力释放层与p应力释放层生长时均是先生长一个超晶格势阱，再生长一个超晶格势垒，形成一个超晶格周期，然后周期重复性生长超晶格，相邻生长周期中In组分含量递增渐变。
3.根据权利要求2所述的用于LED的GaN外延结构的制备方法，其特征在于：未掺杂GaN层先纵向生长纵向生长层，后升温横向生长u-GaN横向生长层。
4.根据权利要求2所述的用于LED的GaN外延结构的制备方法，其特征在于：n型GaN层先生长低掺杂Si浓度的n-GaN层，再生长Si掺杂的AlGaN层，最后生长高掺杂Si浓度的n-GaN层。
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