CN109888071A - 一种新型GaN基LED外延层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型GaN基LED外延层结构及其制备方法，相较于传统二级管外延层结构，其N型掺杂GaN层与MQW之间插入应力释放层；通过生长高温GaN层、AlxGa1‑xN层、多周期InyAl1‑ yN/AlN超晶结构层、AlZGa1‑ZN层和低温GaN层组成的应力释放层，有效阻档电子的溢流，增加电子与空穴的辐射复合，提高LED的内量子效率和光的输出功率，可明显减少MQW循环数，从而提升整个器件质量；同时该层Si的浓度高低掺方式，可提高器件的ESD性能。
Description
技术领域
本发明设计半导体光电领域，具体涉及一种新型GaN基LED外延层结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管简称为LED，由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，GaN二极管发蓝光。
LED外延片是指在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石、SiC、Si等）上所生长出的特定单晶薄膜。外延片处于LED产业链中的上游环节，是半导体照明产业技术含量最高、对最终产品品质、成本控制影响最大的环节。近年来，下游应用市场的繁荣带动我国LED产业迅猛发展，外延片市场也迎来发展良机。国内LED外延片产能快速提升，技术水平不断进步，产品已开始进入中高档次。
目前GaN基LED受到越来越多的关注和研究，其外延结构主要包括：衬底(多为蓝宝石衬底)、缓冲层、未掺杂的GaN层、N型掺杂层、MQW有源区、电子阻挡层、P型层。当有电流通过时，N型区的电子和P型区的空穴进入MQW有源区并且复合。但仍存在电子溢流、内量子效率低、光输出功率低等问题，需要进一步的改进优化以获得综合质量更佳的LED外延层结构。本发明提出的外延结构包括新型的应力释放层，此结构可以有效阻档电子的溢流，增加电子与空穴的辐射复合，提高LED的内量子效率和光的输出功率，可明显减少MQW循环数，提升器件质量；同时该层Si的浓度高低掺方式，可提高器件的ESD性能。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出了一种新型GaN基LED外延层结构及其制备方法，N型掺杂GaN层与MQW之间插入应力释放层结构，此结构可以有效阻档电子的溢流，增加电子与空穴的辐射复合，提高LED的内量子效率和光的输出功率，可明显减少MQW循环数，提升器件质量；同时该层Si的浓度高低掺方式，可提高器件的ESD性能。
为了实现上述的目的，本发明采用以下的技术方案：
一种新型GaN基LED外延层结构，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、未掺杂的GaN缓冲层、未掺杂的GaN薄膜层、N型掺杂GaN层、应力释放层、量子阱MQW层、低温P型掺杂GaN层、电子阻挡层、高温P型掺杂GaN层、P型GaN接触层；其中，所述应力释放层由高温GaN层、AlxGa1-xN层、多周期InyAl1-yN/AlN超晶结构层、AlZGa1-ZN层和低温GaN层构成。
优选的，所述应力释放层中，0<x≤0.3,0<y≤0.2,0<z≤0.4。
优选的，所述应力释放层中高温GaN层、AlxGa1-xN层、多周期InyAl1-yN/AlN超晶结构层、AlZGa1-ZN层和低温GaN层的厚度分别为10-15：5-10：8-16：5-10：10-15nm。
优选的，所述多周期InyAl1-yN/AlN超晶结构层周期数为5-15，每个周期依次包括InyAl1-yN层和AlN材料层，且每个InyAl1-yN层和AlN材料层的厚度均为1-1.5nm。
优选的，所述高温GaN层中Si浓度为1-1.5×1018cm-3,所述AlxGa1-xN层中Si浓度为0.1-0.5×1018cm-3,所述AlZGa1-ZN层中Si浓度为1-2×1018cm-3，所述低温GaN层中Si浓度为0.1-0.5×1018cm-3。
优选的，新型GaN基LED外延层结构，制作方法如下：
（1）将蓝宝石衬底放入MOCVD系统中，H2气氛中高温热处理10-15min；
（2）生长未掺杂的GaN缓冲层；
（3）生长未掺杂的GaN薄膜层；
（4）生长N型掺杂GaN层；
（5）生长应力释放层；
（6）生长量子阱MQW层；
（7）生长低温P型掺杂GaN层；
（8）生长电子阻挡层；
（9）生长高温P型掺杂GaN层；
（10）生长P型GaN接触层；
（11）将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理10-20min，降至室温即得外延层结构。
优选的，步骤（1）中热处理温度为1050-1200℃；步骤（11）中退火温度为750-850℃。
本发明的技术方案为一种N型掺杂GaN层与MQW之间插入应力释放层结构的发光二极管外延层结构，该发光二极管的外延结构从下向上的结构依次为：衬底、GaN缓冲层、未掺杂GaN层、Si掺杂N型GaN层、应力释放层，多量子阱区（MQW）、低温P型掺杂GaN层、电子阻挡层、高温P型掺杂GaN层，P型GaN接触层。
由于采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：为了降低传统LED量子阱数，本发明外延层结构中N型掺杂GaN层与MQW之间插入应力释放层结构，此结构可以有效阻档电子的溢流，增加电子与空穴的辐射复合，提高LED的内量子效率和光的输出功率，可明显减少MQW循环数，提升器件质量；同时该层Si的浓度高低掺方式，可提高器件的ESD性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中涉及传统LED结构示意图；
图2是本发明中加入应力释放层LED结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图和具体实施例来对加入应力释放层外延结构的制备方法做进一步的说明。
(1)采用(0001)晶向蓝宝石Al2O3作衬底1，氢气气氛中退火处理10-15min，清洁衬底表面，温度在1050℃-1200℃之间，然后进行氮化处理。
(2)温度调整至700℃-800℃，生长10-30nm厚的GaN成核缓冲层2，生长压力区间为100Torr-200Torr。
(3)缓冲层2原位退火处理，温度在1000℃-1200℃，时间在5-10分钟之间，压力与步骤2相同。
(4)退火完成后，温度调节至1000℃-1100℃，生长厚度在1.0-5.0微米的U-GaN层3，生长压力在100Torr-500Torr之间。
(5)U-GaN层3生长结束后，生长一层Si掺杂的N-GaN层4，厚度在1-5微米之间，生长温度在1000℃-1200℃，压力在100Torr-500Torr之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间。
(6)N-GaN层4生长结束后生长应力释放层结构5，高温GaN层温度为1000~1100℃，AlxGa1-xN层温度为800~850℃，多周期InyAl1-yN/AlN温度为700~750℃，低温GaN层温度为700~750℃；
(7)多量子阱层由3-5个周期的InxGa1-xN(0<x<1)和GaN组成，阱厚在3nm左右，生长温度的范围在720℃-829℃间，压力范围在100Torr-500Torr之间；垒的厚度在9nm-20nm间，生长温度在850℃-959℃，生长压力在100Torr-500Torr之间；
(8)多量子阱6生长完后长低温P型掺杂GaN层7，在700℃-800℃之间，生长压力为100Torr-500Torr间，生长厚度在30nm-50nm间；
（9）低温P型掺杂GaN层7长完后长P型InxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8，在850℃-1080℃之间，生长压力为200Torr-500Torr间生长厚度在50nm-150nm间。
（10）P型AlxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8生长后，在其上生长一层高温P型GaN9，厚度在100nm-800nm之间，生长温度在950℃-1080℃之间，生长压力区间为100Torr-300Torr。
（11）在高温P型GaN9上生长P型接触层10，厚度为5nm-300nm之间，生长温度区间为850℃-1050℃，生长压力区间为100Torr-300Torr。
（12）外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为750℃-850℃，退火处理10-20分钟，将至室温外延生长结束。
实施例1：
(1)采用(0001)晶向蓝宝石Al2O3作衬底1，氢气气氛中退火处理10min，清洁衬底表面，温度在1200℃，然后进行氮化处理。
(2)温度调整至700℃，生长10-30nm厚的GaN成核缓冲层2，生长压力区间为100-150Torr。
(3)缓冲层2原位退火处理，温度在1100℃，时间在5-10分钟之间，压力与步骤2相同。
(4)退火完成后，温度调节至1100℃，生长厚度在1.0-5.0微米的U-GaN层3，生长压力在200-400Torr之间。
(5)U-GaN层3生长结束后，生长一层Si掺杂的N-GaN层4，厚度在1-5微米之间，生长温度在1200℃，压力在200-400Torr之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间。
(6)N-GaN层4生长结束后生长应力释放层结构5，高温GaN层温度为1100℃，AlxGa1-xN层温度为850℃，多周期InyAl1-yN/AlN温度为750℃，低温GaN层温度为750℃；
(7)多量子阱层由5个周期的InxGa1-xN(0<x<1)和GaN组成，阱厚在3nm左右，生长温度的范围在720℃-829℃间，压力范围在200-400Torr之间；垒的厚度在9nm-20nm间，生长温度在850℃-959℃，生长压力在200-400Torr之间；
(8)多量子阱6生长完后长低温P型掺杂GaN层7，在750℃，生长压力为200-400Torr间，生长厚度在30nm-50nm间；
（9）低温P型掺杂GaN层7长完后长P型InxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8，在950-1050℃之间，生长压力为200Torr-400Torr间生长厚度在50nm-150nm间。
（10）P型AlxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8生长后，在其上生长一层高温P型GaN9，厚度在500nm-800nm之间，生长温度在1000℃-1050℃之间，生长压力区间为200Torr-300Torr。
（11）在高温P型GaN9上生长P型接触层10，厚度为5nm-300nm之间，生长温度区间为950℃-1000℃，生长压力区间为200Torr-300Torr。
（12）外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度为800℃，退火处理10-20分钟，将至室温外延生长结束。
实施例2：
(1)采用(0001)晶向蓝宝石Al2O3作衬底1，氢气气氛中退火处理10min，清洁衬底表面，温度在1050℃，然后进行氮化处理。
(2)温度调整至800℃，生长10-30nm厚的GaN成核缓冲层2，生长压力区间为140-170Torr。
(3)缓冲层2原位退火处理，温度在1200℃，时间在5-10分钟之间，压力与步骤2相同。
(4)退火完成后，温度调节至1000℃，生长厚度在1.0-5.0微米的U-GaN层3，生长压力在150-300Torr之间。
(5)U-GaN层3生长结束后，生长一层Si掺杂的N-GaN层4，厚度在1-5微米之间，生长温度在1100℃，压力在150-300Torr之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间。
(6)N-GaN层4生长结束后生长应力释放层结构5，高温GaN层温度为1100℃，AlxGa1-xN层温度为800℃，多周期InyAl1-yN/AlN温度为750℃，低温GaN层温度为700℃；
(7)多量子阱层由5个周期的InxGa1-xN(0<x<1)和GaN组成，阱厚在3nm左右，生长温度的范围在720℃-829℃间，压力范围在200-250Torr之间；垒的厚度在9nm-20nm间，生长温度在850℃-959℃，生长压力在350-500Torr之间；
(8)多量子阱6生长完后长低温P型掺杂GaN层7，在800℃，生长压力为300-400Torr间，生长厚度在30nm-50nm间；
（9）低温P型掺杂GaN层7长完后长P型InxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8，在900-1000℃之间，生长压力为300-500Torr间生长厚度在50nm-150nm间。
（10）P型AlxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8生长后，在其上生长一层高温P型GaN9，厚度在100nm-800nm之间，生长温度在95-1000℃之间，生长压力区间为150-250Torr。
（11）在高温P型GaN9上生长P型接触层10，厚度为5nm-300nm之间，生长温度区间为900℃-1050℃，生长压力区间为200-300Torr。
（12）外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为850℃，退火处理10-20分钟，将至室温外延生长结束。
实施例3：
(1)采用(0001)晶向蓝宝石Al2O3作衬底1，氢气气氛中退火处理15min，清洁衬底表面，温度在1200℃之间，然后进行氮化处理。
(2)温度调整至700℃，生长10-30nm厚的GaN成核缓冲层2，生长压力区间为150-200Torr。
(3)缓冲层2原位退火处理，温度在1000℃，时间在5-10分钟之间，压力与步骤2相同。
(4)退火完成后，温度调节至1050℃，生长厚度在1.0-5.0微米的U-GaN层3，生长压力在100-400Torr之间。
(5)U-GaN层3生长结束后，生长一层Si掺杂的N-GaN层4，厚度在1-5微米之间，生长温度在1100℃，压力在100-400Torr之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间。
(6)N-GaN层4生长结束后生长应力释放层结构5，高温GaN层温度为1000℃，AlxGa1-xN层温度为850℃，多周期InyAl1-yN/AlN温度为700℃，低温GaN层温度为700℃；
(7)多量子阱层由3个周期的InxGa1-xN(0<x<1)和GaN组成，阱厚在3nm左右，生长温度的范围在720℃-829℃间，压力范围在200-300Torr之间；垒的厚度在9nm-20nm间，生长温度在850℃-959℃，生长压力在200-300Torr之间；
(8)多量子阱6生长完后长低温P型掺杂GaN层7，在700℃，生长压力为300-500Torr间，生长厚度在30nm-50nm间；
（9）低温P型掺杂GaN层7长完后长P型InxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8，在1000℃-1080℃之间，生长压力为200-300Torr间生长厚度在50nm-150nm间。
（10）P型AlxGa1-xN/InyGa1-yN（0.05<x<0.2，0.1<y<0.5）电子阻挡层8生长后，在其上生长一层高温P型GaN9，厚度在100nm-800nm之间，生长温度在1000℃-1080℃之间，生长压力区间为100Torr-200Torr。
（11）在高温P型GaN9上生长P型接触层10，厚度为5nm-300nm之间，生长温度区间为1000℃-1050℃，生长压力区间为100Torr-200Torr。
（12）外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为800℃，退火处理10-20分钟，将至室温外延生长结束。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种新型GaN基LED外延层结构，其特征在于：包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、未掺杂的GaN缓冲层、未掺杂的GaN薄膜层、N型掺杂GaN层、应力释放层、量子阱MQW层、低温P型掺杂GaN层、电子阻挡层、高温P型掺杂GaN层、P型GaN接触层；其中，所述应力释放层由高温GaN层、AlxGa1-xN层、多周期InyAl1-yN/AlN超晶结构层、AlZGa1-ZN层和低温GaN层构成。
2.根据权利要求1所述的新型GaN基LED外延层结构，其特征在于：所述应力释放层中，0<x≤0 .3 , 0<y≤0 .2 , 0<z≤0 .4。
3.根据权利要求2所述的新型GaN基LED外延层结构，其特征在于：所述应力释放层中高温GaN层、AlxGa1-xN层、多周期InyAl1-yN/AlN超晶结构层、AlZGa1-ZN层和低温GaN层的厚度分别为10-15：5-10：8-16：5-10：10-15 nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的新型GaN基LED外延层结构，其特征在于：所述多周期InyAl1-yN/AlN超晶结构层周期数为5-15，每个周期依次包括InyAl1-yN层和AlN材料层，且每个InyAl1-yN层和AlN材料层的厚度均为1-1.5nm。
5.根据权利要求4所述的新型GaN基LED外延层结构，其特征在于：所述高温GaN层中Si浓度为1-1.5×1018cm-3,所述AlxGa1-xN层中Si浓度为0.1-0.5×1018cm-3,所述AlZGa1-ZN层中Si浓度为1-2×1018cm-3，所述低温GaN层中Si浓度为0.1-0.5×1018cm-3。
6.根据权利要求5所述的新型GaN基LED外延层结构，其特征在于，制备方法如下：
（1）将蓝宝石衬底放入MOCVD系统中，H2气氛中高温热处理10-15min；
（2）生长未掺杂的GaN缓冲层；
（3）生长未掺杂的GaN薄膜层；
（4）生长N型掺杂GaN层；
（5）生长应力释放层；
（6）生长量子阱MQW层；
（7）生长低温P型掺杂GaN层；
（8）生长电子阻挡层；
（9）生长高温P型掺杂GaN层；
（10）生长P型GaN接触层；
（11）将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理10-20min，降至室温即得外延层结构。
7.根据权利要求6所述的新型GaN基LED外延层结构，其特征在于：步骤（1）中热处理温度为1050-1200℃；步骤（11）中退火温度为750-850℃。
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