CN113793886A - 一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该外延结构按照从下往上的顺序包括依次相连的衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层。其制备方法是于H2环境中，在所述衬底上依次生长缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层。本发明能够有效解决LED外延结构中P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，并减少有源层位错延伸上来的Pits，进而提升了LED产品的品质。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法。
背景技术
随着LED技术不断发展，其高光效、光衰小、节能、环保等优点，受到了越来越广泛的应用，也对LED提出来越来越高的要求，特别是亮度和可靠性；LED传统的外延生长方法中P型层生长难度最大，P型层需解决Mg掺杂效率和空穴浓度的提升，还需覆盖有源层延伸上来的Pits，且传统的高低Mg掺叠加生长方式生长的P型层的晶体质量不理想，同时未能很好的弯曲、泯灭有源层延伸的位错，从而降低了P型层的空穴注入效率，降低LED发光效率。
有鉴于此，如今迫切需要开发一种新的PGaN改善型LED外延技术，以便克服现有LED外延技术存在的上述缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该技术能有效解决P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，及减少有源层位错延伸上来的Pits，进而提升LED产品的品质。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种PGaN改善型LED外延结构，按照从下往上的顺序包括依次相连的衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层。
可选地，所述衬底为适合Ⅲ－Ⅴ族半导体材料生长的材料，如蓝宝石、蓝宝石AlN薄膜、GaN、硅、碳化硅等。
进一步地，所述缓冲层的厚度为300～1000nm，材料为GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN中的一种或者其中几种以超晶格或交替堆叠方式组合。
进一步地，所述本征GaN层的厚度为1.0～2.0um，材料为GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN中的一种或者其中几种以超晶格或交替堆叠方式组合。
进一步地，所述N型GaN层为硅掺GaN，厚度为1～4um，其中Si掺杂浓度为1E18～3E19。
进一步地，所述发光量子阱层中，GaN势垒层的厚度为3.0～10.0nm，InGaN阱层的厚度为3.0～6.0nm，其中In在所述发光量子阱层中的质量百分含量是8％～20％。
优选地，所述GaN势垒层和所述InGaN阱层在所述发光量子阱层中的循环周期为3～10。
进一步地，所述P型GaN层的总厚度为50～200nm，多级循环的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层的厚度均逐级递减，并且在同一级GaN本征层或低掺金属层厚度大于高掺金属层的厚度。
优选地，所述GaN本征层或低掺金属层的厚度为5-20nm，所述高掺金属层的厚度为3～15nm。
优选地，所述GaN本征层或低掺金属层和所述高掺金属层的循环周期为3～10。
优选地，所述低掺金属层和所述高掺金属层的P型掺杂源为Mg或者Zn，其在所述低掺金属层浓度为5E17～1E18，其在所述高掺金属层浓度为5E18～1E20。
可选地，所述发光量子阱层和所述P型GaN层之间还设有P型电子阻挡层。
进一步的，所述P型电子阻挡层的厚度为30～80nm，其中Mg掺杂浓度为5E18～3.5E19，材料为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN其中一种的单层晶格或其中几种的组合晶格或者其中几种的超晶格。
第二个方面，本发明提供上述PGaN改善型LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层；
然后在所述缓冲层上生长本征GaN层；
继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层；
继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层；
继续在所述生长多周期发光层上生长P型GaN层。
进一步地，所述缓冲层的生长条件为：温度800～1050℃，压力100-200Torr。
进一步地，所述本征GaN层和所述N型GaN层的生长条件为：温度1000～1200℃，压力100-200Torr。
进一步地，所述发光量子阱层的生长条件为：温度700～900℃，压力200-400Torr。
进一步地，所述P型GaN层的生长条件为：温度850～950℃，压力300～600Torr。
进一步地，所述制备方法还包括：在所述发光量子阱层上生长P型GaN层之前先生长一层P型电子阻挡层，所述阻挡层的生长条件为：温度850-950℃，压力100-200Torr。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种全新的PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该技术能够有效解决LED外延结构中P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，并解决有源层位错延伸上来的Pits，进而提升了LED产品的品质。
附图说明
图1为本发明的PGaN改善型LED外延结构的结构形成过程图，其中，1-衬底，2-缓冲层，3-本征GaN层，4-N型GaN层，5-发光量子阱层，6-P型电子阻挡层，7-P型GaN层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该外延结构按照从下往上的顺序包括依次相连的硅衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的低掺金属层和高掺金属层。
在本实施例中，所述缓冲层的厚度为600nm，材料为GaN。
在本实施例中，所述本征GaN层的厚度为1.5um，材料为GaN。
在本实施例中，所述N型GaN层采用Si掺GaN，厚度为2um，其中Si掺杂浓度为1e19。
在本实施例中，所述发光量子阱层中，GaN势垒层的厚度为5nm，InGaN阱层的厚度为3nm，其中In在所述发光量子阱层中的质量百分含量是12％。所述GaN势垒层和所述InGaN阱层的循环周期为7。
在本实施例中，所述P型电子阻挡层的厚度为50nm，其中Mg掺杂浓度为1E19，材料为pAlGaN。
在本实施例中，P型GaN层中多级循环的低掺PGaN层(即低掺金属层)和高掺PgaN(即高掺金属层)的厚度均逐级递减2nm，并且在同一级低掺层和高掺PGaN层中前者厚度大于后者。所述第一级低掺PGaN层的厚度为15nm，所述第一级高掺PGaN层的厚度为10nm，循环周期为3。
在本实施例中，所述低掺和高掺的P型GaN掺杂源为Mg，在低掺层浓度为7E17，在高掺层浓度为1E19。
上述PGaN改善型LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层，生长温度为900℃，压力为200Torr；
(2)然后在所述缓冲层上生长本征GaN层，生长温度为1100℃，压力为200Torr；
(3)继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层，生长温度为1050℃，压力为200Torr；
(4)继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层，生长温度为800℃，压力为200Torr；
(5)继续在所述发光量子阱层上生长P型电子阻挡层，生长温度为890℃，压力为100Torr；
(6)继续在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层，生长温度为900℃，压力为450Torr。
33*33COW数据：亮度521mW@453.7nm，IR和ESD良率分别为95.5％和99％，电性良好。如表1所示。
表1
实施例2
请参阅图1，本实施例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该外延结构按照从下往上的顺序包括依次相连的硅衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层和高掺金属层。
在本实施例中，所述缓冲层的厚度为300nm，材料为GaN。
在本实施例中，所述本征GaN层的厚度为1.0um，材料为GaN。
在本实施例中，所述N型GaN层采用Si掺N型GaN，厚度为4um，其中Si掺杂浓度为3e19。
在本实施例中，所述发光量子阱层中，所述GaN势垒层的厚度为5nm，所述InGaN阱层的厚度为3nm，其中In在所述发光量子阱层中的质量百分含量是12％。所述GaN势垒层和所述InGaN阱层的循环周期为7。
在本实施例中，所述P型电子阻挡层的厚度为80nm，其中Mg掺杂浓度为3.5E19，材料为pAlInGaN。
在本实施例中，多级循环的GaN本征层和高掺金属层的厚度均逐级递减1nm，并且在同一级GaN本征层和高掺金属层中前者厚度大于后者。所述第一级GaN本征层的厚度为10nm，所述第一级高掺金属层的厚度为5nm，循环周期为5。
在本实施例中，所述GaN本征层和所述高掺金属层的P型掺杂源为Mg，其中所述GaN本征层浓度为5E17，所述高掺金属层浓度为5E18。
上述PGaN改善型LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层，生长温度为1050℃，压力为200Torr；
(2)然后在所述缓冲层上生长本征GaN层，生长温度为1200℃，压力为200Torr；
(3)继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层，生长温度为1000℃，压力为200Torr；
(4)继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层，生长温度为700℃，压力为200Torr；
(5)继续在所述发光量子阱层上生长P型电子阻挡层，生长温度为900，压力为100Torr；
(6)继续在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层，生长温度为950℃，压力为400Torr。
33*33COW数据：亮度528mW@455.8nm，IR和ESD良率分别为97.8％和100％，电性良好。如表2所示。
表2
| 版型 | 波长nm | 亮度mW | IR良率 | ESD良率 | |
| 实施例2 | 33*33 | 455.85 | 528.32 | 97.82％ | 100％ |
对比例1
本对比例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，与实施例1的区别在于：P型GaN层中，该层的总厚度为76nm，循环次数为2。
对比例2
本对比例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，与实施例2的区别在于：GaN本征层厚度相等，并且等于高掺层厚度，循环次数为6。
对比例3
本对比例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，与实施例1的区别在于：PGaN为传统低掺和高掺搭配结构，厚度分别为30nm和25nm。对比例数据汇总如表3所示：
表3
| 版型 | 波长nm | 亮度mW | IR良率 | ESD良率 | |
| 实施例1 | 33*33 | 453.75 | 521.15 | 95.49％ | 99％ |
| 实施例2 | 33*33 | 455.85 | 528.32 | 97.82％ | 100％ |
| 对比例1 | 33*33 | 453.41 | 520.37 | 91.62％ | 99％ |
| 对比例2 | 33*33 | 454.88 | 523.69 | 91.47％ | 98％ |
| 对比例3 | 33*33 | 454.26 | 513.42 | 90.74％ | 96％ |
综上所述，本发明提供了一种全新的PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该技术能够有效解决LED外延结构中P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，并减少有源层位错延伸上来的Pits，进而提升了LED产品的品质。
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PGaN改善型LED外延结构，其特征在于：按照从下往上的顺序包括依次相连的衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层。
2.根据权利要求1所述的一种PGaN改善型LED外延结构，其特征在于：所述P型GaN层的总厚度为50～200nm，多级循环的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层的厚度均逐级递减，并且在同一级GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层中GaN本征层或低掺金属层的厚度大于高掺金属层的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的一种PGaN改善型LED外延结构，其特征在于：所述GaN本征层或低掺金属层和所述高掺金属层的循环周期为3～10。
4.根据权利要求3所述的一种PGaN改善型LED外延结构，其特征在于：所述低掺金属层和所述高掺金属层的P型掺杂源为Mg或者Zn，其在所述低掺金属层浓度为5E17～1E18，其在所述高掺金属层浓度为5E18～1E20。
5.根据权利要求1所述的一种PGaN改善型LED外延结构，其特征在于：所述发光量子阱层和所述P型GaN层之间还设有P型电子阻挡层。
6.根据权利要求5所述的一种PGaN改善型LED外延结构，其特征在于：所述P型电子阻挡层的厚度为30～80nm，其中Mg掺杂浓度为5E18～3.5E19，材料为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN其中一种的单层晶格或其中几种的组合晶格或者其中几种的超晶格。
7.权利要求1～6任意一项所述的一种PGaN改善型LED外延结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层；
然后在所述缓冲层上生长本征GaN层；
继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层；
继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层；
继续在所述生长多周期发光层上生长P型GaN层。
8.根据权利要求7所述的一种PGaN改善型LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型GaN层的生长条件为：温度850～950℃，压力300～600Torr。
9.根据权利要求7或8所述的一种PGaN改善型LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括：在所述多周期发光层上生长P型GaN层之前先生长一层P型电子阻挡层。
10.根据权利要求9所述的一种PGaN改善型LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型电子阻挡层的生长条件为：温度850-950℃，压力100-200Torr。
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