CN108365060B - GaN基LED的外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN LED的外延结构及其生长方法，依次包括处理衬底，生长低温成核层，生长非掺杂低温u‑GaN层，生长掺Si的n‑GaN层，生长发光层，生长GaN‑AlGaN‑GaN势垒层，生长P型GaN层，降温冷却步骤。本发明采用GaN‑AlGaN‑GaN组合结构，能够有效的提供电子势垒以限制电子向P型区的泄露，降低了电子和空穴在P型区的非辐射复合，并有效的提高了空穴从P电极向有源区的注入，提高器件的光电性能；去除传统的AlGaN电子阻挡层，避开了在生长较厚高掺Mg的p型AlGaN层时，会使得材料界面产生严重晶格缺陷和大的应力的问题，也避免了长时间高温生长对MQW层的影响，提高了芯片质量。
Description
技术领域
本发明涉及LED设计应用领域，特别地，涉及一种空穴注入层和发光层结构改进的LED外延结构及其生长方法。
背景技术
GaN发光二极管(LED)凭借其亮度高、低功耗、寿命长、功率小等优势，在背光照明、节能照明和一般照明上将彻底取代传统白炽灯和荧光灯，然而III族氮化物器件的光电性能会因为效率下降的问题而被明显削弱，这是由于GaN基LED中注入电流的增加会引起的发光效率快速降低的原因。因此，业界一直致力于改善LED效率下降以提高GaN LED的性能。目前研究者提出造成效率下降的主要原因为结构内部较差的载流子注入问题和严重电子泄露问题，所以改善GaN LED效率下降的关键方法在于提高载流子的注入，降低电子泄露。
电子泄露问题的发生是由于在GaN LED中，空穴相对于电子具有较高的有效质量，使得从P型层到有源区的空穴注入比从N型层的电子注入效率低很多，因而大量载流子在P型层附近的最后一个量子阱中积聚，导致大部分电子泄露到P型层，空穴的注入也从而变得更差。因此提高GaN LED的载流子注入效率和降低电子泄露是GaN LED提高光效的一个重要环节。
为了提高载流子的注入和降低电子泄露，国际上通常的做法是在有源区和P电极之间生长一层AlGaN电子阻挡层，从而在导带上形成电子势垒来抑制电子泄露。但是AlGaN电子阻挡层同样会在价带上形成空穴势垒，降低空穴的注入效率；且由于最后一个GaN势垒层和AlGaN电子阻挡层之间的极化效应，反而不利于改善空穴注入和电子泄露问题。另外，由于AlGaN电子阻挡层的P型Mg掺杂电离激活率很低，这导致AlGaN中空穴浓度较低，而且随着Al的组分提高，外延晶体质量变差，同时产生严重晶格缺陷和相对较大的应力，从而使得发光层能带发生较大畸变，影响电子和空穴的复合速率。而且随着注入电流进一步增加，AlGaN/GaN界面处的价带能带差拉大，这也会导致空穴更难以有效注入发光层。特别是，AlGaN的生长温度也相对较高(≥960℃)，在外延生长时会影响多量子阱中In组分的均匀性。
发明内容
鉴于上述缺陷，本发明目的在于提供一种能有效提高发光层中载流子的有效辐射复合速率，减少LED效率下降的外延生长方法以及外延生长层结构。
本发明的设计思想是：将现有技术的最后一层GaN势垒层设计为1:1:1厚度的GaN层，AlGaN层和GaN势垒组合结构，并移除了传统的AlGaN电子阻挡层，在能够提供有效的电子势垒层的同时，还能不降低空穴从P型区向有源区的注入能力，减少因较大带隙AlGaN电子阻挡层带来极化效应而产生的能带畸变，并使载流子在有源区内分布更加均匀，以此提高电子和空穴在有源区量子阱内的有效辐射复合速率，从而提高LED的光电性能。去除p-AlGaN电子阻挡层的外延生长方法避免生长高温高掺的AlGaN时对发光层结构得影响，能有效的降低晶格缺陷，同时也避免了高温生长条件引起的InGaN/GaN MQW区的In组分分布不均匀的问题，这可以有效降低芯片的位错，提升芯片质量。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
GaN LED的外延结构，依次包括衬底、低温成核层GaN、非掺杂u-GaN层、掺Si的n-GaN层，发光层、GaN-AlGaN-GaN势垒层、P型GaN层，其中，GaN-AlGaN-GaN势垒层呈三明治结构，由等厚度的中间层AlGaN层和两外层GaN层组成。
进一步的，中间层AlGaN层为P型AlxGa1-xN(x为0.05至0.15)，外层GaN层为掺Si的GaN。
上述GaN LED的外延结构外延结构的外延生长方法，依次包括处理衬底，生长低温成核层，生长非掺杂低温u-GaN层，生长掺Si的n-GaN层，生长发光层，生长GaN-AlGaN-GaN势垒层，生长P型GaN层，降温冷却步骤。
进一步的，衬底的处理步骤为：在氢气气氛，温度为1050℃至1150℃下将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。
进一步的，生长低温成核GaN层包括如下步骤：
(1)在500℃到610℃，反应腔压力为400Torr至650Torr下，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层GaN；
(2)停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10min。
进一步的，生长非掺杂n-GaN层包括如下步骤：在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为1μm为3μm的非掺杂u-GaN层。
进一步的，生长掺杂Si的n-GaN层包括如下步骤：在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至600Torr，通入氨气、TMGa和SiH4，持续生长一层掺杂浓度稳定的，厚度为2μm至4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为8×1018atoms/cm3至2×1019atoms/cm3。
进一步的，生长发光层包括如下步骤：
(1)在反应腔温度为100Torr至500Torr，温度为700℃至800℃下，使用TEGa、TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2nm至5nm的量子阱InyGa1-yN，y为0.1至0.3；
(2)升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa、TMIn和SiH4，生长厚度为8nm至15nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；
(3)重复InyGa1-yN的生长，然后重复生长GaN层，交替生长InyGa1-yN/GaN发光层，控制周期为5个，最后再生长一个InyGa1-yN层。
进一步的，生长GaN-AlGaN-GaN势垒层包括如下步骤：
(1)在温度800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，采用MO源TEGa(三乙基镓)，TMIn(三甲基铟)和SiH4(硅烷)，生长厚度为3nm至5nm的势垒GaN层，并对势垒GaN层进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；
(2)保持反应腔的压力为20Torr至200Torr，温度为900℃至1100℃下，通入MO源TMAl(三甲基铝)、TMGa(三甲基镓)和NH3，持续生长厚度为3nm至5nm的P型AlxGa1-xN，生长时间为20s至40s；
(3)降低温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，采用MO源TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3nm至5nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3。
进一步的，生长P型GaN层包括如下步骤：保持反应腔压力100Torr至500Torr，温度850℃至1050℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度1×1019atoms/cm3至1×1022atoms/cm3。
进一步的，降温冷却步骤包括：外延生长结束后，将反应的温度降低到650℃至800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min至10min，然后降至室温，结束生长。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用GaN-AlGaN-GaN组合结构，能够有效的提供电子势垒以限制电子向P型区的泄露，降低了电子和空穴在P型区的非辐射复合，并有效的提高了空穴从P电极向有源区的注入，提高器件的光电性能。
(2)去除传统的AlGaN电子阻挡层，避开了在生长较厚高掺Mg的p型AlGaN层时，会使得材料界面产生严重晶格缺陷和大的应力的问题，也避免了长时间高温生长对MQW层的影响，提高了芯片质量。
(3)去除电子阻挡层而采用GaN-AlGaN-GaN势垒层并没有阻碍空穴注入，相反更多的空穴可以通过隧穿效应从P型区注入到有源区内，由于空穴相对于电子的有效质量较高，空穴能够更加均匀分布在有源区中，在量子阱中与电子有效复合，使得总的辐射复合速率大幅提高，器件整体性能提升。
(4)此外，载流子在有源区中分布更加均匀，使得辐射复合不再集中于P型区附近的少数量子阱内，这能有效防止LED在工作过程中，区域过热引起的效率下降。
(5)总之，本发明能够有效的提高空穴的注入效率并有效抑制电子泄露，在减少载流子的非辐射复合的前提下，避免生长高温高掺的p-AlGaN层，提高芯片质量，降低芯片位错，从而提高GaN基发光二极管的输出功率和可靠性。
附图说明
图1为本发明所述外延生产方法的实施流程图。
图2为本发明所述的GaN基LED结构垂直剖面图。
图3为本发明所述的GaN基LED的有源区结构垂直剖面图。
图4为传统的GaN基LED(样品3)的量子阱p侧能带示意图。
图5为实验对照组GaN基LED(样品2)的量子阱p侧能带示意图。
图6为本发明的GaN基LED(样品1)的量子阱p侧能带最终效果示意图。
其中，1-衬底，2-低温成核层GaN，3-非掺杂u-GaN层，4-掺Si的n-GaN层，5-发光层，6-GaN-AlGaN-GaN势垒层，6-1-第一GaN层，6-2-AlGaN层，6-3-第二GaN层，7-p型GaN层。
具体实施方式
本发明中的权利要求书及说明书中使用的某些词汇来特指某些特定组件，由于硬件制造商可能用不同名词来称呼同一个组件，本说明书以及权利要求书并不以名称的差异来区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如本权利要求书及权利要求书中使用“基本”是指在技术人员能够在一定误差范围内实现技术问题的解决，达到所述的技术效果。说明书后续描述为实施本申请的最佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般性原则为目的，并非以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求界定者为准。
实施例一
以下提供本发明的LED外延生长方法的应用实施例，运用VEECO MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯度的H2或者高纯度N2或高纯度H2与高纯度N2的混合气体作为载气，高纯度NH3(NH3纯度为99.999％)为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)和金属有机源三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100Torr到1000Torr之间。
参见图2和图3，本发明公开了一种提高发光效率的LED外延层生长方法，和根据该外延方法制得的LED外延结构，该外延结构依次包括：衬底1、低温成核层GaN2、非掺杂u-GaN层3、掺Si的n-GaN层4、发光层5、GaN-AlGaN-GaN势垒层6和p型GaN层7，其中，GaN-AlGaN-GaN势垒层6具体包括厚度为1：1：1的第一GaN层6-1、AlGaN层6-2和第二GaN层6-3。
如图1，上述结构的外延层生长方法如下：
步骤101、处理衬底1：
在氢气气氛，温度为1050℃至1150℃下将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。
步骤102、生长低温成核层GaN2
在500℃到610℃，反应腔压力为400Torr至650Torr下，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层GaN。
步骤103、生长非掺杂u-GaN层3：
在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为1μm为3μm的非掺杂u-GaN层。
步骤104、生长掺Si的n-GaN层4：
在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至600Torr，通入氨气，TMGa和SiH4，持续生长一层掺杂浓度稳定的，厚度为2μm至4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为8×1018atoms/cm3至2×1019atoms/cm3。
步骤105、生长发光层5：
(1)在反应腔温度为100Torr至500Torr，温度为700℃至800℃下，使用TEGa、TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2nm至5nm的量子阱InyGa1-yN，y为0.1至0.3；
(2)升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为8nm至15nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；
(5)重复InyGa1-yN的生长，然后重复生长GaN层，交替生长InyGa1-yN/GaN发光层，控制周期为5个，最后再生长一个InyGa1-yN层。
步骤106、生长GaN-AlGaN-GaN势垒层6：
(1)在温度800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3nm至5nm的势垒GaN层，势垒GaN层进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3，得到第一GaN层6-1；
(2)保持反应腔的压力为20Torr至200Torr，温度为900℃至1100℃下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH3，持续生长厚度为3nm至5nm的P型AlxGa1-xN层，生长时间为20s至40s，得到AlGaN层6-2；
(3)降低温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3nm至5nm的势垒GaN层，势垒GaN层进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3，得到第二GaN层6-3；
步骤107、生长P型GaN层7：
保持反应腔压力100Torr至500Torr，温度850℃至1050℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度1×1019atoms/cm3至1×1022atoms/cm3。
步骤108、降温冷却：
外延生长结束后，将反应的温度降低到650℃至800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min至10min，然后降至室温，结束生长。
本发明采用GaN-AlGaN-GaN结构最为最后一层势垒层，有效的提高了空穴注入和减少电子泄露，降低了效率下降的问题。去除AlGaN电子阻挡层，避免了生长时高温高掺条件对MQW层的损坏，降低了晶格缺陷和极化效应，很大程度的提高了芯片质量，进一步地提高了空穴注入。
对比实施例一
1.在氢气气氛，温度为1050℃至1150℃下将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。
2.在500℃到610℃，反应腔压力为400Torr至650Torr下，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层GaN；
3.停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10min；
4.在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为1μm为3μm的非掺杂u-GaN层。
5.在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至600Torr，通入氨气，TMGa和SiH4，持续生长一层掺杂浓度稳定的，厚度为2μm至4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为8×1018atoms/cm3至2×1019atoms/cm3。
6.在反应腔温度为100Torr至500Torr，温度为700℃至800℃下，使用TEGa,TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2nm至5nm的量子阱InyGa1-yN，y为0.1至0.3；
7.升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为8nm至15nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；
8.重复InyGa1-yN的生长，然后重复生长GaN层，交替生长InyGa1-yN/GaN发光层，控制周期为5个，最后再生长一个InyGa1-yN层。
9.在温度800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3nm至5nm的势垒GaN层，对势垒GaN层进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；
10.保持反应腔的压力为20Torr至200Torr，温度为900℃至1100℃下，通入MO源为TMAl，TMGa和NH3，持续生长厚度为3nm至5nm的P型AlxGa1-xN层，生长时间为20s至40s；
11.降低温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3nm至5nm的势垒GaN层，势垒GaN层进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；
12.保持反应腔压力为20Torr至200Torr、温度900℃至1100℃，通入MO源为TMA1，TMGa和CP2Mg，持续生长厚度为50nm至200nm的P型AlGaN层，生长时间为3min至100min，Al的摩尔组分为10％至30％，Mg掺杂浓度1×1018atoms/cm3至1×1021atoms/cm3。
13.保持反应腔压力100Torr至500Torr，温度850℃至1050℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度1×1019atoms/cm3至1×1022atoms/cm3；
14.外延生长结束后，将反应的温度降低到650℃至800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min至10min，然后降至室温，结束生长。
对比实施例二
以下提供一种常规的LED外延生长方法作为本发明的对比实施例。
常规LED外延生长方法为(外延层结构参见图3)：
1.在氢气气氛，温度为1050℃至1150℃下将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。
2.在500℃到610℃，反应腔压力为400Torr至650Torr下，通入氨气和TMGa,在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm至40nm的低温成核层GaN；
3.停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10min；在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至500Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为1μm为3μm的非掺杂u-GaN层。
4.在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100Torr至600Torr，通入氨气，TMGa和SiH4，持续生长一层掺杂浓度稳定的，厚度为2μm至4μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为8×1018atoms/cm3至2×1019atoms/cm3。
5.在反应腔温度为100Torr至500Torr，温度为700℃至800℃下，使用TEGa，TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2nm至5nm的量子阱InyGa1-yN，y为0.1至0.3；升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100Torr至500Torr，使用MO源为TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为8nm至15nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016atoms/cm3至6×1017atoms/cm3；重复InyGa1-yN的生长，然后重复生长GaN层，交替生长InyGa1-yN/GaN发光层，控制周期为6个。
6.保持反应腔压力为20Torr至200Torr、温度900℃至1100℃，通入MO源为TMA1，TMGa和CP2Mg，持续生长厚度为50nm至200nm的P型AlGaN层，生长时间为3min至100min，Al的摩尔组分为10％至30％，Mg掺杂浓度1×1018atoms/cm3至1×1021atoms/cm3。
7.保持反应腔压力100Torr至500Torr，温度850℃至1050℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，持续生长厚度为5nm至20nm的掺杂Mg的P型GaN接触层，Mg掺杂浓度1×1019atoms/cm3至1×1022atoms/cm3；
8.外延生长结束后，将反应的温度降低到650℃至800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5min至10min，然后降至室温，结束生长。
采用实施例一所述的方法制备了样品1，采用对比实施例一所述的方法制备了样品2，采用对比实施例二所述的方法制备了样品3；样品1与样品2不同点在于是否具有最后一层AlGaN电子阻挡层，样品2与样品3的不同点在于最后一层势垒层结构，生长其它外延层生长条件完全一样。生长条件请参考表1。
表1生长参数对比
样品1,样品2和样品3在相同的前工艺条件下镀ITO层200nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约170nm，相同的条件下镀保护层SiO2约50nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm×762μm(30mi×30mil)的芯片颗粒，然后样品1，样品2和样品3在相同位置各自挑选150颗晶粒，通过同一台LED点测机在驱动电流30mA条件下点测分析样品1，样品2和样品3的光电性能。
将获得的数据进行分析处理之后，所测数据参考表3
表2样品1和样品3的XRD测试数据
表3_样品1，样品2和样品3的LED测试机光电测试数据
根据效率下降定义，效率下降为最大IQE减去当前工作电流下IQE的值与最大IQE的比值，一般LED样品3的效率下降为30.1％，样品2为20.5％，而发明所设计的样品1的效率下降仅为14.2％。
通过表2和表3的数据可以得到以下结论：
(1)本发明样品1的XRD102面数值变小以及光电性能的提升表征利用本发明所提出的外延生长方式可以获得晶体质量更好的外延层，这得益于去除AlGaN电子阻挡层，避免了高温高掺的生长条件，大幅度的减少了外延层位错，提高了外延层晶体质量。
(2)本发明样品1的效率下降的计算结果表征本发明所提出的最后一层GaN/AlGaN/GaN势垒层结构以及去除AlGaN电子阻挡层的方法能够有效的提高空穴注入降低电子泄露，从而很大程度的降低了效率下降，提高了LED的整体光电性能。
与现有降低效率下降的方案相比，本发明提出的外延生长办法具有以下优点：
(1)去除AlGaN电子阻挡层可以有效的提高P型区附近电子势垒层的高度，减少因较大带隙的AlGaN电子阻挡层带来极化效应而产生的效率下降，同时也很好地避免了生长生长p-AlGaN电子阻挡层是的Al组分高掺引起的晶格缺陷和外延结晶质量变差等，以及高温条件对高In组分的MQW层造成的损伤，这可以有效降低了芯片的位错，提升了芯片质量。
(2)能够有效的提高电子势垒限制电子向P型区的泄露，提高空穴向发光区的注入，并降低极化，从而提高空穴的注入并有效抑制电子泄露，减少了载流子的损失，提高了GaN LED的发光效率并减少了效率下降，有效的提高了GaN基发光二极管的输出功率和可靠性。
(3)提高空穴和电子在发光区的均匀分布，提高载流子的有效辐射复合率，从而提高LED的光效。
图4为对比实施例二所述的一般LED的结构能级图，图5为对比实施例一所提出仅采用GaN-AlGaN-GaN势垒层的LED结构，图6为本发明所提出的去除电子阻挡层并使用GaN-AlGaN-GaN势垒层的LED结构能级图，如图4，5，6三图所示，电子势垒高度X1>X2>X3,本发明采用GaN-AlGaN-GaN组合作为最后一层势垒层能够有效的提高电子势垒，抑制电子泄露，与对比实施例二所述的一般结构和对比实施例一所述的结构能级图相比，去除AlGaN势垒层能够进一步的提高P型区的电子势垒，图示显示有效空穴势垒高度Y1>Y3>Y2，其中虽然采用GaN-AlGaN-GaN最后一层势垒并移除AlGaN电子阻挡层的结构相对一般LED结构很大程度上提高了空穴势垒的高度，但是更多的空穴可以通过隧穿效应到达有源区，因此所设计的LED在降低电子泄露的同时，也能够有效地提高空穴注入。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但应当理解本申请并非局限上述优选实施例，不应看做是对其他实施例的排除，而可以用于各种其他组合、修改和环境，并能在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或者相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围的，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.GaN LED的外延结构，其特征在于，依次包括衬底（1）、低温成核层GaN（2）、非掺杂u-GaN层（3）、掺Si的n-GaN层（4），发光层（5）、GaN-AlGaN-GaN势垒层（6）、P型GaN层（7），其中，GaN-AlGaN-GaN势垒层（6）由等厚度的中间层AlGaN层和两外层GaN层组成，中间层AlGaN层为P型AlxGa1-xN，x为0.05至0.15，外层GaN层为掺杂Si 的GaN。
2.如权利要求1所述的外延结构的外延生长方法，其特征在于，依次包括处理衬底（1），生长低温成核层（2），生长非掺杂u-GaN层（3），生长掺Si的n-GaN层（4），生长发光层（5），生长GaN-AlGaN-GaN 势垒层（6），生长P型GaN层（7），降温冷却步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，衬底（1）的处理步骤为：在氢气气氛，温度为1050℃至1150℃下将蓝宝石衬底进行退火，清洁衬底表面。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生长低温成核GaN层（2）包括如下步骤：
（1）在500℃到610℃，反应腔压力为400 Torr至650 Torr下，通入氨气和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为20 nm至40 nm的低温成核层GaN；
（2）停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000℃至1100℃，退火时间为5min至10 min。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生长非掺杂u-GaN层（3）包括如下步骤：在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100 Torr至500 Torr，通入氨气和TMGa，持续生长厚度为1 μm为3 μm的非掺杂u-GaN层。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生长掺杂Si的n-GaN层（4）包括如下步骤：在1050℃至1200℃，保持反应腔压力为100 Torr至600 Torr，通入氨气、TMGa和SiH4，持续生长一层掺杂浓度稳定的，厚度为2 μm至4 μm掺杂Si的n-GaN层，其中，Si掺杂浓度为8×1018 atoms/cm3至2×1019 atoms/cm3。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生长发光层（5）包括如下步骤：
（1）在反应腔压力为100 Torr至500 Torr，温度为700℃至800℃下，使用TEGa、TMIn和SiH4作为MO源，生长掺杂In的厚度为2 nm至5 nm的量子阱InyGa1-yN，y为0.1至0.3；
（2）升高温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100 Torr至500 Torr，使用MO源为TEGa、TMIn和SiH4，生长厚度为8 nm至15 nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016 atoms/cm3至6×1017 atoms/cm3；
（3）重复InyGa1-yN的生长，然后重复生长GaN层，交替生长InyGa1-yN/GaN发光层，控制周期为5个，最后再生长一个InyGa1-yN层。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生长GaN-AlGaN-GaN势垒层（6）包括如下步骤：
（1）在温度800℃至950℃，保持反应腔压力100 Torr至500 Torr，采用MO源TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3 nm至5 nm的势垒GaN层，并对势垒GaN层进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016 atoms/cm3至6×1017 atoms/cm3；
（2）保持反应腔的压力为20 Torr至200 Torr，温度为900℃至1100℃下，通入MO源TMAl、TMGa和NH3，持续生长厚度为3 nm至5 nm的P型AlxGa1-xN，生长时间为20 s至40 s；
（3）降低温度至800℃至950℃，保持反应腔压力100 Torr至500 Torr，采用MO源TEGa，TMIn和SiH4，生长厚度为3 nm至5 nm的势垒GaN，势垒GaN进行Si掺杂，Si掺杂浓度为8×1016 atoms/cm3至6×1017 atoms/cm3。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，生长P型GaN层（7）包括如下步骤：保持反应腔压力100 Torr至500 Torr，温度850℃至1050℃，通入MO源为TEGa和CP2Mg，持续生长厚度为5 nm至20 nm的掺杂Mg的P型GaN层，Mg掺杂浓度1×1019 atoms/cm3至1×1022 atoms/cm3。
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