CN114373838B - 带量子垒层硅掺杂结构的led外延片、生长方法及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片、生长方法及其制造方法；外延片结构包括从下往上依次设置的蓝宝石衬底上生长的外延层、AlGaN缓冲层、非掺杂GaN层、AlGaN缺陷阻挡层、n型GaN层、高温InGaN/GaN应力释放层、低温InGaN/GaN量子阱发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层。本发明通过量子阱发光层的垒层中硅掺杂方式及垒层结构的优化，加强量子阱外延晶体质量和阱垒的界面质量，有效改善空穴的分布与运输，增强电流的横向扩展性，减小极化电场，有效改善绿光LED的光输出及电特性。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延片领域，尤其是一种带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片、生长方法及其制造方法。
背景技术
铝镓铟磷四元红光LED和铟镓氮三元蓝光LED的内量子效率均可达到90％以上。然而铟镓氮材料的LED随着波长的增加，其发光效率急剧降低，尤其是到520nm绿光波段时，量子效率降低到30％以下。绿光LED的droop效应非常严重，在注入电流的增加时LED的输出功率快速降低。
目前在提升InGaN绿光LED的内量子效率方面，主要有以下途径。其一是不断优化InGaN/GaN多量子阱外延层结构，减少发光区的缺陷密度。比如，利用生长中断法来改善量子阱界面；在多量子阱发光区下方插入InGaN预应变层，阻断位错传播，降低量子阱中的应力等。其二，用GaN衬底同质外延代替蓝宝石异质生长，降低外延层的穿透位错密度。其三，是在非极性和半极性方向上外延生长绿光LED，可以避免自发极化产生的压电极化问题，消除极化电场的影响，从而提高电子-空穴的辐射复合几率。
但就目前来说，第二种途径的单晶GaN制作成本高，良率低，不适合进行工业化量产；而第三种途径，在非极性和半极性材料上外延生长难度也非常高，目前仍处于研究阶段。第一种途径虽然对InGaN绿光LED内量子效率的提升幅度不是很大，但却是目前InGaN绿光LED的量产中提高绿光LED光电特性的主要技术改良方法。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片、生长方法及其制造方法，有效改善绿光LED的光电性能。
技术方案：本发明公开了一种带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片，其结构从下往上依次为：蓝宝石衬底上生长的外延层：AlGaN缓冲层、非掺杂GaN层、AlGaN缺陷阻挡层、n型GaN层、高温InGaN/GaN应力释放层、低温InGaN/GaN量子阱发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层；
所述低温InGaN/GaN量子阱发光层包括多个交替生长的量子阱层结构和量子垒层结构。
更进一步的，所述量子垒层结构包括升温段的非掺杂GaN层1、持温段的非掺杂GaN层2、升温段的非掺杂GaN层3、高温段硅掺杂GaN层4、高温段硅掺杂GaN层5、降温段硅掺杂GaN层6、降温段非硅掺杂GaN层7；所述的非掺杂GaN层1～3是阱层到垒层升温段的过渡界面GaN层生长，所述的硅掺杂GaN层4和GaN层5是不同的硅掺杂方式的高温垒层，所述的GaN层6和GaN层7是垒层到阱层降温段的过渡界面GaN层生长，GaN层6为硅掺杂，GaN层7为非掺杂；所述GaN量子垒层1～7的总厚度在10nm～15nm；所述的绿光结构发光区1个MQW周期为量子阱层InGaN和垒层GaN，依次循环生长7～12个周期。
更进一步的，所述量子垒层结构中高温段硅掺杂GaN层4的硅掺杂浓度为2×1017cm-3～2.5×1017cm-3，高温段硅掺杂GaN层5的硅掺杂浓度为4×1017cm-3～5×1017cm-3，降温段的硅掺杂GaN层6的硅掺杂浓度为2×1017cm-3～2.5×1017cm-3。
更进一步的，所述量子垒层结构中持温段的非掺杂GaN层2的厚度为0.5～0.75nm，升温段的非掺杂GaN层3的厚度为0.75～1.15nm，高温段硅掺杂GaN层4的厚度为1.25～1.85nm，高温段硅掺杂GaN层5的厚度为4.0～6.0nm，降温段的掺杂GaN层6的厚度为1.0～1.5nm，降温段非硅掺杂GaN层7的厚度为2.0～3.0nm。
本发明还公开了带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，包括以下步骤：
在蓝宝石图形衬底上生长AlGaN缓冲层；
在所述的AlGaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层；
在所述的非掺杂GaN层上生长高Al组分的AlGaN缺陷阻挡层；
在所述的AlGaN缺陷阻挡层上高温生长n型GaN层；
在所述的n型GaN层上生长高温InGaN/GaN应力释放层；
在所述的高温InGaN/GaN应力释放层上低温生长InGaN/GaN多量子阱发光层；
在所述的低温InGaN/GaN多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层；
在所述的p型AlGaN电子阻挡层上生长低掺杂的p型GaN层，及较薄的高掺杂p型GaN欧姆接触层。
更进一步的，所述的低温InGaN/GaN多量子阱发光层的生长压力为150Torr～300Torr。
更进一步的，所述低温InGaN/GaN多量子阱发光层中量子阱层的生长温度680℃～760℃，量子垒层的生长温度780℃～880℃。
更进一步的，1个MQW周期为InGaN/GaN，共依次循环生长7～12个周期。
更进一步的，所述低温InGaN/GaN多量子阱发光层中发光区每个InGaN/GaN多量子阱的GaN垒层，其生长速率均一致，且每组GaN垒层1～7的生长速率相同，生长速率为0.1μm/h～0.2μm/h，外延生长过程中外延层的厚度用生长时间来控制。
本发明还公开了带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的制造方法，包括如下步骤：
1)利用金属-有机物化学气相沉积设备MOCVD，将蓝宝石图形衬底在高温条件下进行表面清洁处理；
2)在MOCVD设备中，在高温处理过的蓝宝石图形衬底上生长AlGaN缓冲层；
3)在MOCVD设备中，在所述的AlGaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层，具体分为两个生长阶段，三维成核生长阶段和二维薄膜生长阶段；
4)在MOCVD设备中，在所述的非掺杂GaN层上生长高Al组分的AlGaN缺陷阻挡层；
5)在MOCVD设备中，在所述的AlGaN缺陷阻挡层上高温生长n型GaN层；
6)在MOCVD设备中，在所述的n型GaN层上生长高温InGaN/GaN应力释放层，InGaN/GaN依次循环生长，生长周期为6个；
7)在MOCVD设备中，在所述的InGaN/GaN应力释放层上低温生长InGaN/GaN多量子阱发光层；
8)在MOCVD设备中，在所述的InGaN/GaN多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层；
9)在MOCVD设备中，在所述的p型AlGaN电子阻挡层上生长低掺杂的p型GaN层，及较薄的高掺杂p型GaN欧姆接触层。
有益效果：本发明具有以下优点：
通过优化InGaN/GaN多量子阱发光层的垒层硅掺杂结构来改善绿光LED光电性能；GaN垒层中进行的硅掺杂可以增强局域化效应和提高载流子浓度，加强了量子阱外延晶体质量和阱垒的界面质量，有效改善空穴的分布与运输，增强电流的横向扩展性，在垒层的高掺杂部分能够一定程度上屏蔽极化电场。对垒层进行合适的硅掺杂同时也降低了垒层GaN材料的电阻率，进一步降低了绿光LED的正向电压。因此对多量子阱发光区进行合适的硅掺杂，有效的改善了绿光LED的光输出及电特性。
附图说明
图1是本发明实施例1中绿光LED外延结构示意图；
图2是本发明实施例1中绿光LED外延结构中的量子垒层结构示意图；
具体实施方式
实施例1：
请参考图1所示，一种带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片，其结构从下往上依次为：蓝宝石衬底上生长的外延层：AlGaN缓冲层、非掺杂GaN层、AlGaN缺陷阻挡层、n型GaN层、高温InGaN/GaN应力释放层、低温InGaN/GaN量子阱发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层；
请参考图2所示，所述低温InGaN/GaN量子阱发光层包括多个交替生长的量子阱层结构和量子垒层结构。所述量子垒层结构包括升温段的非掺杂GaN层1、持温段的非掺杂GaN层2、升温段的非掺杂GaN层3、高温段硅掺杂GaN层4、高温段硅掺杂GaN层5、降温段硅掺杂GaN层6、降温段非硅掺杂GaN层7；所述的非掺杂GaN层1～3是阱层到垒层升温段的过渡界面GaN层生长，所述的硅掺杂GaN层4和GaN层5是不同的硅掺杂方式的高温垒层，所述的GaN层6和GaN层7是垒层到阱层降温段的过渡界面GaN层生长，GaN层6为硅掺杂，GaN层7为非掺杂；所述GaN量子垒层1～7的总厚度在10nm～15nm；所述的绿光结构发光区1个MQW周期为量子阱层InGaN和垒层GaN，依次循环生长7～12个周期。
所述量子垒层结构中高温段硅掺杂GaN层4的硅掺杂浓度为2×1017cm-3～2.5×1017cm-3，高温段硅掺杂GaN层5的硅掺杂浓度为4×1017cm-3～5×1017cm-3，降温段的硅掺杂GaN层6的硅掺杂浓度为2×1017cm-3～2.5×1017cm-3。
所述量子垒层结构中持温段的非掺杂GaN层2的厚度为0.5～0.75nm，升温段的非掺杂GaN层3的厚度为0.75～1.15nm，高温段硅掺杂GaN层4的厚度为1.25～1.85nm，高温段硅掺杂GaN层5的厚度为4.0～6.0nm，降温段的掺杂GaN层6的厚度为1.0～1.5nm，降温段非硅掺杂GaN层7的厚度为2.0～3.0nm。
上述带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，包括以下步骤：
在蓝宝石图形衬底上生长AlGaN缓冲层；
在所述的AlGaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层；
在所述的非掺杂GaN层上生长高Al组分的AlGaN缺陷阻挡层；
在所述的AlGaN缺陷阻挡层上高温生长n型GaN层；
在所述的n型GaN层上生长高温InGaN/GaN应力释放层；
在所述的高温InGaN/GaN应力释放层上低温生长InGaN/GaN多量子阱发光层；
在所述的低温InGaN/GaN多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层；
在所述的p型AlGaN电子阻挡层上生长低掺杂的p型GaN层，及较薄的高掺杂p型GaN欧姆接触层。
在外延片的制造方法上，本实施例具体提供以下的工艺生产流程：
1)利用金属-有机物化学气相沉积设备MOCVD，将蓝宝石图形衬底在高温条件下进行表面清洁处理，实施例中温度为1050℃，腔体压力为300Torr；
2)在MOCVD设备中，在高温处理过的蓝宝石图形衬底上生长AlGaN缓冲层，实施例中此缓冲层生长温度为540℃，腔体生长压力为100Torr；
3)在MOCVD设备中，在所述的AlGaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层，实施例中此非掺杂GaN层分为两个生长阶段，三维成核生长阶段和二维薄膜生长阶段；其中三维成核生长阶段的生长温度为1060℃，腔体生长压力为500Torr；二维薄膜生长阶段的生长温度为1100℃，腔体生长压力为200Torr；
4)在MOCVD设备中，在所述的非掺杂GaN层上生长高Al组分的AlGaN缺陷阻挡层，实施例中AlGaN缺陷阻挡层的Al含量为25％，生长温度为1050℃，腔体生长压力为100Torr；
5)在MOCVD设备中，在所述的AlGaN缺陷阻挡层上高温生长n型GaN层，实施例中n型GaN层的掺杂浓度为2×1019cm-3，生长温度为1100℃，腔体生长压力为200Torr；
6)在MOCVD设备中，在所述的n型GaN层上生长高温InGaN/GaN应力释放层，实施例中该应力释放层的InGaN/GaN依次循环生长，生长周期为6个，其中InGaN层的生长温度为780℃，GaN层的生长温度为880℃，腔体生长压力均为200Torr；且InGaN/GaN循环生长3～10对。
7)在MOCVD设备中，在所述的InGaN/GaN应力释放层上低温生长InGaN/GaN多量子阱发光层，实施例中InGaN/GaN多量子阱发光层优选的生长条件为：量子阱层InGaN的生长温度为725℃，量子垒层高温GaN的生长温度为850℃，腔体生长压力均为200Torr；实施例中优选的量子阱层InGaN的厚度为4nm，量子垒层GaN的总厚度为13nm；实施例中优选的量子垒层参数为：升温段的非掺杂GaN层1的厚度为0.65nm；持温段的非掺杂GaN层2的厚度为0.65nm，温度保持在765℃；升温段的非掺杂GaN层3的厚度为1.0nm；高温段硅掺杂GaN层4的厚度为1.6nm，硅掺杂浓度为2.2×1017cm-3；高温段硅掺杂GaN层5的厚度为5.2nm，硅掺杂浓度为4.6×1017cm-3；降温段硅掺杂GaN层6的厚度为1.3nm，硅掺杂浓度为2.1×1017cm-3；降温段非硅掺杂GaN层7的厚度为2.6nm；
8)在MOCVD设备中，在所述的InGaN/GaN多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层，实施例中p型AlGaN电子阻挡层生长温度为940℃，腔体生长压力为100Torr，Mg掺杂浓度为1.2×1020cm-3，外延层厚度为50nm；
9)在MOCVD设备中，在所述的p型AlGaN电子阻挡层上生长低掺杂的p型GaN层，及较薄的高掺杂p型GaN欧姆接触层；实施例中低掺杂的p型GaN层生长温度为925℃，腔体生长压力为500Torr，Mg掺杂浓度为1.1×1019cm-3，外延层厚度为25nm；实施例中高掺杂p型GaN欧姆接触层生长温度为875℃，腔体生长压力为200Torr，Mg掺杂浓度为3.0×1020cm-3，外延层厚度为13nm。
芯片光电性能测试：
将实施例1制作的12mil*14mil的LED芯片，进行光电性能测试，测试方法以及结果如下：测试电流20mA条件下，芯片波长为525.5nm，工作电压2.70V，发光强度13.4mW，通入反向-12V电压，得到反向电流均值0.01uA，反向漏电良率>98％(按反向漏电流<0.75uA统计)，6KV静电(ESD)释放条件下，良率>98％，与传统方式的LED外延片制作的芯片相比，工作电压降低0.03V，发光亮度提升10％，也表现出优良的反向漏电良率和抗ESD能力。说明本发明制造的绿光LED外延片性能较传统的LED有了极大的改善。
Claims (9)
1.一种带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片，其特征在于其结构从下往上依次为：蓝宝石衬底上生长的外延层： AlGaN缓冲层、非掺杂GaN层、AlGaN缺陷阻挡层、n型GaN层、高温InGaN/GaN应力释放层、低温InGaN/GaN量子阱发光层、p型AlGaN电子阻挡层、p型GaN层；所述低温InGaN/GaN量子阱发光层包括多个交替生长的量子阱层结构和量子垒层结构；所述量子垒层结构包括升温段的非掺杂GaN层1、持温段的非掺杂GaN层2、升温段的非掺杂GaN层3、高温段硅掺杂GaN层4、高温段硅掺杂GaN层5、降温段硅掺杂GaN层6、降温段非硅掺杂GaN层7；所述的非掺杂GaN层1~3是阱层到垒层升温段的过渡界面GaN层生长，所述的硅掺杂GaN层4和GaN层5是不同的硅掺杂方式的高温垒层，所述的GaN层6和GaN层7是垒层到阱层降温段的过渡界面GaN层生长，GaN层6为硅掺杂，GaN层7为非掺杂；所述GaN量子垒层1~7的总厚度在10nm~15nm；量子阱发光区1个MQW周期为量子阱层InGaN和垒层GaN，依次循环生长7~12个周期。
2.根据权利要求1所述带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片，其特征在于：所述量子垒层结构中高温段硅掺杂GaN层4的硅掺杂浓度为2×1017cm-3~2.5×1017cm-3，高温段硅掺杂GaN层5的硅掺杂浓度为4×1017cm-3~5×1017cm-3，降温段的硅掺杂GaN层6的硅掺杂浓度为2×1017cm-3~2.5×1017cm-3。
3.根据权利要求1所述带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片，其特征在于：所述量子垒层结构中持温段的非掺杂GaN层2的厚度为0.5~0.75nm，升温段的非掺杂GaN层3的厚度为0.75~1.15nm，高温段硅掺杂GaN层4的厚度为1.25~1.85nm，高温段硅掺杂GaN层5的厚度为4.0~6.0nm，降温段的掺杂GaN层6的厚度为1.0~1.5nm，降温段非硅掺杂GaN层7的厚度为2.0~3.0nm。
4.一种权利要求1所述的带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
在蓝宝石图形衬底上生长AlGaN缓冲层；
在所述的AlGaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层；
在所述的非掺杂GaN层上生长高Al组分的AlGaN缺陷阻挡层；
在所述的AlGaN缺陷阻挡层上高温生长n型GaN层；
在所述的n型GaN层上生长高温InGaN/GaN应力释放层；
在所述的高温InGaN/GaN应力释放层上低温生长InGaN/GaN多量子阱发光层；
在所述的低温InGaN/GaN多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层；
在所述的p型AlGaN电子阻挡层上生长低掺杂的p型GaN层，及较薄的高掺杂p型GaN欧姆接触层。
5.根据权利要求4所述的带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，其特征在于：所述的低温InGaN/GaN多量子阱发光层的生长压力为150Torr~300Torr。
6.根据权利要求4所述的带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，其特征在于：所述低温InGaN/GaN多量子阱发光层中量子阱层的生长温度680℃~760℃，量子垒层的生长温度780℃~880℃。
7.根据权利要求6所述的带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，其特征在于：1个MQW周期为InGaN/GaN， 共依次循环生长7~12个周期。
8.根据权利要求5所述的带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的生长方法，其特征在于：所述低温InGaN/GaN多量子阱发光层中发光区每个InGaN/GaN多量子阱的GaN垒层，其生长速率均一致，且每组GaN垒层1~7的生长速率相同，生长速率为0.1µm/h~0.2µm/h，外延生长过程中外延层的厚度用生长时间来控制。
9.一种权利要求1所述的带量子垒层硅掺杂结构的LED外延片的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
1）利用金属-有机物化学气相沉积设备MOCVD，将蓝宝石图形衬底在高温条件下进行表面清洁处理；
2）在MOCVD设备中，在高温处理过的蓝宝石图形衬底上生长AlGaN缓冲层；
3）在MOCVD设备中，在所述的AlGaN缓冲层上高温生长非掺杂GaN层，具体分为两个生长阶段，三维成核生长阶段和二维薄膜生长阶段；
4）在MOCVD设备中，在所述的非掺杂GaN层上生长高Al组分的AlGaN缺陷阻挡层；
5）在MOCVD设备中，在所述的AlGaN缺陷阻挡层上高温生长n型GaN层；
6）在MOCVD设备中，在所述的n型GaN层上生长高温InGaN/GaN应力释放层，InGaN/GaN依次循环生长，生长周期为6个；
7）在MOCVD设备中，在所述的InGaN/GaN应力释放层上低温生长InGaN/GaN多量子阱发光层；
8）在MOCVD设备中，在所述的InGaN/GaN多量子阱发光层上生长p型AlGaN电子阻挡层；
9）在MOCVD设备中，在所述的p型AlGaN电子阻挡层上生长低掺杂的p型GaN层，及较薄的高掺杂p型GaN欧姆接触层。
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