CN113725331A - 一种硅基led外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种硅基LED外延结构及其生长方法。所述硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为AlGaN、InAlGaN、InGaN组合的多层结构，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。本发明通过插入层的设置及对插入层中各层结构的生长温度、Al组分含量、In组分含量的调整控制，可提高插入层上方生长的GaN层晶体质量，减少了位错密度，同时还减少了漏电通道，增强了LED的抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种硅基LED外延结构及其生长方法。
背景技术
近年来，Ⅲ-Ⅴ族氮化物LED因其体积小、高效节能及使用寿命长等优点引起众多研究学者的广泛关注，具有巨大的商业价值，被广泛应用于背光照明、显示、阵列投影和道路照明等领域。随着其应用范围的越来越广，对LED器件也提出了越来越高的要求。常见的LED衬底材料为蓝宝石和硅，相比于蓝宝石基LED，硅衬底材料具有低成本、大尺寸、可导电的优点。同时硅基LED的光斑好，方向容易管控，电流扩散快，具有良好的导热性能使制造的LED器件的散热更好。但是硅基LED外延生长的GaN层晶体存在晶格失配和热失配等问题，使制备的LED器件的抗静电性能和反向漏电能力不如蓝宝石基LED。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种硅基LED外延结构及其生长方法，有效改善硅基LED中GaN层晶体质量和减少位错密度，同时减少漏电通道，从而增强LED器件的抗静电能力。
为实现上述目的，本发明采取以下的技术方案：
第一方面，本发明提供一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为AlGaN、InAlGaN、InGaN中的一种或多种组合的多层结构，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
进一步的，在上述硅基LED外延结构中，所述缓冲层为GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN的一种或其多种组合。
进一步的，在上述硅基LED外延结构中，插入层的Al组分含量为0～70％；按照从下至上的生长顺序，插入层的Al组分逐渐减少。
进一步的，在上述硅基LED外延结构中，N型GaN层Si掺杂浓度为1E18/cm3～3E19/cm3。
进一步的，在上述硅基LED外延结构中，多周期的量子阱发光层为GaN/InGaN超晶格结构，周期数为3～10，In的组分含量为5％～20％。
进一步的，在上述硅基LED外延结构中，所述P型电子阻挡层为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的一种或其组合；P型电子阻挡层Mg掺杂浓度为5E18/cm3～3.5E19/cm3。
进一步的，在上述硅基LED外延结构中，所述P型GaN层掺杂Mg或Zn，掺杂浓度为5E18/cm3～1E20/cm3。
第二方面，本发明提供上述硅基LED外延结构的生长方法，包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度800℃～1050℃，生长压力为50～150Torr；生长厚度为300～1000nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层；所述插入层生长温度为900℃～1050℃，生长压力为50～150Torr；生长厚度为0.5μm-1.5μm；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1050～1200℃，生长压力为100～200Torr；生长厚度为0.5～1.5μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～200Torr；生长厚度为1～4.5μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为700～900℃，生长压力为200～300Torr，GaN势垒的厚度为1.0～10.0nm，InGaN势阱的厚度为1.0～6.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900～1000℃，生长压力为100～200Torr，厚度为30～80nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度850～950℃，生长压力为300-600Torr，生长厚度为50～200nm。
进一步的，在上述硅基LED外延结构的生长方法中，按照从下至上的生长顺序，插入层的生长温度逐渐增加。
进一步的，在上述硅基LED外延结构的生长方法中，步骤S2中TMIn为100μmol/min～2μmol/min；按照从下至上的生长顺序，插入层的TMIn的流量逐渐减少。
本发明的有益效果为：本发明在本征GaN层下方设置插入层，所述插入层为含有AlGaN、InAlGaN、InGaN组合的多层结构。通过插入层的设置及对插入层中各层结构的生长温度、Al组分含量、In组分含量的调整控制，可提高插入层上方生长的GaN层晶体质量，减少了位错密度，同时还减少了漏电通道，增强了LED的抗静电能力。
附图说明
图1是本发明实施例1的硅基LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明实施例3的硅基LED外延结构的结构示意图；
图3是本发明实施例4的硅基LED外延结构的结构示意图；
图4是本发明对比例1的硅基LED外延结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明中渐变的方式为任意的渐变程度模式，符合本发明所述渐变的趋势即可，具体的渐变程度本发明不做特别限定。
实施例1
一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为AlGaN、InAlGaN、InGaN组合的多层结构，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
所述硅基LED外延结构的生长方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度800℃，生长压力为50Torr；生长厚度为300nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层；所述插入层生长温度为900℃，生长压力为50Torr；生长厚度为0.5μm；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1050℃，生长压力为100Torr；生长厚度为1μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1000℃，生长压力为100Torr；生长厚度为2μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为780℃，生长压力为200Torr，GaN势垒的厚度为4.0nm，InGaN势阱的厚度为3.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃，生长压力为100Torr，厚度为30nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度850℃，生长压力为300Torr，生长厚度为50nm。
实施例2
一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为AlGaN、InAlGaN、InGaN组合的多层结构，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
所述硅基LED外延结构的生长方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度1050℃，生长压力为150Torr；生长厚度为600nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层；所述插入层生长温度为1050℃，生长压力为150Torr；生长厚度为1.0μm；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1100℃，生长压力为；生长厚度为1μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1050℃，生长压力为；生长厚度为2μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为780℃，生长压力为300Torr，GaN势垒的厚度为7.0nm，InGaN势阱的厚度为3.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为1000℃，生长压力为200Torr，厚度为60nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度950℃，生长压力为600Torr，生长厚度为100nm。
实施例3
一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为6个AlGaN层，从下至上包括AlGaN1层、AlGaN2层、AlGaN3层、AlGaN4层、AlGaN5层和AlGaN6层。其中AlGaN1层中的Al组分含量为30％，AlGaN2层中的Al组分含量为25％，AlGaN3层中的Al组分含量为20％，AlGaN4层中的Al组分含量为15％，AlGaN5层中的Al组分含量为10％，AlGaN6层中的Al组分含量为5％。
本实施例所述硅基LED外延结构的生长方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度800℃，生长压力为50Torr；生长厚度为300nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层(实施例3结构)；所述插入层每一层的生长温度均为900℃，生长压力为50Torr；生长厚度为0.5μm；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1050℃，生长压力为100Torr；生长厚度为1μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1000℃，生长压力为100Torr；生长厚度为2μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为780℃，生长压力为200Torr，GaN势垒的厚度为4.0nm，InGaN势阱的厚度为3.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃，生长压力为100Torr，厚度为30nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度850℃，生长压力为300Torr，生长厚度为50nm。
实施例4
一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为6个InAlGaN层，从下至上包括InAlGaN1层、InAlGaN2层、InAlGaN3层、InAlGaN4层、InAlGaN5层和InAlGaN6层。其中InAlGaN1层中的Al组分含量为30％，InAlGaN2层中的Al组分含量为25％，InAlGaN3层中的Al组分含量为20％，InAlGaN4层中的Al组分含量为15％，InAlGaN5层中的Al组分含量为10％，InAlGaN6层中的Al组分含量为5％。
本实施例所述硅基LED外延结构的生长方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度800℃，生长压力为50Torr；生长厚度为300nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层(实施例4结构)；所述插入层中每一层的生长温度均为900℃，生长压力为50Torr；生长厚度为0.5μm；生长InAlGaN层时TMIn流量逐渐减少，生长InAlGaN1层时TMIn流量为80μmol/min，生长InAlGaN2层时TMIn流量为70μmol/min，生长InAlGaN3层时TMIn流量为60μmol/min，生长InAlGaN4层时TMIn流量为50μmol/min，生长InAlGaN5层时TMIn流量为40μmol/min，生长InAlGaN6层时TMIn流量为30μmol/min；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1050℃，生长压力为100Torr；生长厚度为1μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1000℃，生长压力为100Torr；生长厚度为2μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为780℃，生长压力为200Torr，GaN势垒的厚度为4.0nm，InGaN势阱的厚度为3.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃，生长压力为100Torr，厚度为30nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度850℃，生长压力为300Torr，生长厚度为50nm。
实施例5
一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为6个InAlGaN层，从下至上包括InAlGaN1层、InAlGaN2层、InAlGaN3层、InAlGaN4层、InAlGaN5层和InAlGaN6层。其中InAlGaN1层中的Al组分含量为30％，InAlGaN2层中的Al组分含量为25％，InAlGaN3层中的Al组分含量为20％，InAlGaN4层中的Al组分含量为15％，InAlGaN5层中的Al组分含量为10％，InAlGaN6层中的Al组分含量为5％。
本实施例所述硅基LED外延结构的生长方法包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度800℃，生长压力为50Torr；生长厚度为300nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层(实施例5结构)；所述插入层中每一层生长压力为50Torr；生长厚度为0.5μm；生长InAlGaN层时TMIn流量逐渐减少，生长温度逐渐升高。具体为生长InAlGaN1层时TMIn流量为80μmol/min，生长温度为900℃；生长InAlGaN2层时TMIn流量为70μmol/min，生长温度为925℃；生长InAlGaN3层时TMIn流量为60μmol/min，生长温度为950℃；生长InAlGaN4层时TMIn流量为50μmol/min，生长温度为975℃；生长InAlGaN5层时TMIn流量为40μmol/min，生长温度为1000℃；生长InAlGaN6层时TMIn流量为30μmol/min，生长温度为1025℃；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1050℃，生长压力为100Torr；生长厚度为1μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1000℃，生长压力为100Torr；生长厚度为2μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为780℃，生长压力为200Torr，GaN势垒的厚度为4.0nm，InGaN势阱的厚度为3.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900℃，生长压力为100Torr，厚度为30nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度850℃，生长压力为300Torr，生长厚度为50nm。
对比例1
一种硅基LED外延结构，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为AlGaN1和AlGaN2，Al组分分别为30％和15％，生长方法同实施例1。
实验数据
将上述实施例和对比例的LED外延结构用维明蓝光LED测试机进行测试，测试结果如下：
一、抗静电性能测试，结果如表1所示
表1
由表1可知，与对比例1相比，本发明提供的硅基外延结构均一定程度的提高了IR良率和ESD良率。此外，通过控制插入层的生长温度和TMIn流量，可进一步的提高外延结构的IR良率和ESD良率。
二、GaN晶体质量测试，结果如表2所示
表2
| GaN(002)半宽(Arcsec.) | GaN(102)半宽(Arcsec.) | |
| 实施例1 | 315 | 360 |
| 实施例2 | 320 | 366 |
| 实施例3 | 293 | 345 |
| 实施例4 | 280 | 320 |
| 实施例5 | 270 | 310 |
| 对比例1 | 320 | 380 |
由表2可知，与对比例1相比，本发明提供的硅基外延结构均一定程度的提高了GaN晶体质量。此外，通过控制插入层的生长温度和TMIn流量，可进一步的提高GaN晶体质量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种硅基LED外延结构，其特征在于，从下至上包括：硅基衬底、缓冲层、插入层、本征GaN层、N型GaN层、多周期的量子阱发光层、P型电子阻挡层和P型GaN层；所述插入层为AlGaN、InAlGaN、InGaN中的一种或多种组合的多层结构，组合的方式包括但不限于超晶格结构或交替堆叠。
2.根据权利要求1所述的硅基LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层为GaN、AlGaN、InAlGaN、InGan的一种或其多种组合。
3.根据权利要求1所述的硅基LED外延结构，其特征在于，插入层的Al组分含量为0～70％；按照从下至上的生长顺序，插入层的Al组分逐渐减少。
4.根据权利要求1所述的硅基LED外延结构，其特征在于，N型GaN层Si掺杂浓度为1E18/cm3～3E19/cm3。
5.根据权利要求1所述的硅基LED外延结构，其特征在于，多周期的量子阱发光层为GaN/InGaN超晶格结构，周期数为3～10，In的组分含量为5％～20％。
6.根据权利要求1所述的硅基LED外延结构，其特征在于，所述P型电子阻挡层为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN的一种或其组合；P型电子阻挡层Mg掺杂浓度为5E18/cm3～3.5E19/cm3。
7.根据权利要求1所述的硅基LED外延结构，其特征在于，所述P型GaN层掺杂Mg或Zn，掺杂浓度为5E18/cm3～1E20/cm3。
8.权利要求1～7任意一项所述的硅基LED外延结构的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：制备硅衬底，在硅衬底上生长缓冲层；所述缓冲层生长温度800℃～1050℃，生长压力为50～150Torr；生长厚度为300～1000nm；
步骤S2：在缓冲层上生长插入层；所述插入层生长温度为900℃～1050℃，生长压力为50～150Torr；生长厚度为0.5μm-1.5μm；
步骤S3：在插入层上生长本征GaN层；所述本征GaN层生长温度为1050～1200℃，生长压力为100～200Torr；生长厚度为0.5～1.5μm；
步骤S4：在本征GaN层上生长N型GaN层；所述N型GaN层生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～200Torr；生长厚度为1～4.5μm；
步骤S5：在N型GaN层上生长多周期的量子阱发光层GaN/InGaN；任意一个周期内，量子阱发光层的生长温度为700～900℃，生长压力为200～300Torr，GaN势垒的厚度为1.0～10.0nm，InGaN势阱的厚度为1.0～6.0nm；
步骤S6：在多周期的量子阱发光层GaN/InGaN上生长P型电子阻挡层；P型电子阻挡层的生长温度为900-1000℃，生长压力为100～200Torr，厚度为30～80nm；
步骤S7：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；P型GaN层生长温度850～950℃，生长压力为300-600Torr，生长厚度为50～200nm。
9.根据权利要求8所述的硅基LED外延结构的生长方法，其特征在于，按照从下至上的生长顺序，插入层的生长温度逐渐增加。
10.根据权利要求8所述的硅基LED外延结构的生长方法，其特征在于，步骤S2中TMIn为100umol/min～2umol/min；按照从下至上的生长顺序，插入层的TMIn的流量逐渐减少。
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