专利名称：具有梯形结构的n型插入层的led外延片及其生长方法
技术领域：
本发明属于III族氮化物材料制备技术领域，特别涉及一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。
背景技术：
发光二极管(LED,Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件,其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。以氮化镓为代表的III族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能。其三元合金铟镓氮(InGaN)带隙从0.7eV氮化铟(InN)到3.4eV氮化镓(GaN)连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的发光二极管具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。用于氮化镓基LED外延生长的商品化衬底主要有两种，即蓝宝石(Al2O3)衬底和碳化硅(SiC)衬底，因为SiC的价格昂贵，故全球80%的LED企业采用Al2O3衬底。然而Al2O3与GaN的晶格失配大并且热膨胀系数差异也较大，因此在外延生长过程中，往往引入了大量的晶格缺陷，如常见的线性位错、V型位错等。这些位错往往会沿着晶格通过多量子阱区域延伸到外延片的表面，形成穿透位错。实验证明大量V型位错的存在造成氮化镓基LED的漏电和抗静电等电性参数较差，限制了其进一步进入高端应用市场。研究发现，在N型GaN层中插入N型AlGaN层可以显著减少外延片中位错。此外，N型AlGaN层还具有增强电子在N型GaN层中横向运动的作用，从而有助于载流子注入效率的提高，因此这种外延结构已被广泛使用。目前N型GaN层与N型AlGaN插入层之间Al组分是突变结构，即切换到生长N型AlGaN时，直接通入定量的Al组分且保持不变。虽然N型AlGaN层与N型GaN层异质界面上由大的极化差会诱导产生高浓度的二维电子气，促进电子的横向运动，但是二维电子气对载流子的纵向限制作用也增强，使得电子聚集于异质界面处，从而导致迁移至量子阱区域的电子数量减少，所以说二维电子气结构是一把双刃剑。因此，N型AlGaN插入层结构的设计对氮化镓基LED的内量子效率和发光效率有很重要的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。本发明通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面有效降低量子阱区域的位错密度，另一方面减少因N型AlGaN层的引入而对电子纵向迁移的影响，从而提闻氣化嫁基LED的发光效率。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
1、一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片，其特征在于，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一 N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构。2、一种根据权利要求1所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，在第一 N型GaN层生长结束后，生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层,具体包括如下步骤:
A、在所述第一N型GaN层上生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a ；
B、所述N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层
b ；
C、所述N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层
c ；
所述N型AlGaN层a、b和c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量为5% 30%。3、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述N型AlGaN插入层的生长温度在900 1100°C，生长时间为5 15min，压力为 5O 5OOTorr, V / III比为 10 1000。4、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述多量子阱层由InxGa1J (0<x<l)势阱层和GaN势垒层依次生长而成，所述InxGahN势阱层的生长温度为720 820°C、压力为100 500Torr、V /III比为300 5000、厚度为2 5nm，所述GaN势垒层的生长温度为820 920°C、压力为100 500Torr、
V/ III比为300 5000、厚度为8 15nm。5、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述低温GaN缓冲层生长厚度为20 30nm，所述GaN非掺杂层生长厚度为
0.5 2 ii m，所述第一 N型GaN层生长厚度为1.2 4.2 y m，所述第二 N型GaN层6生长厚度为1.2 4.2 ii m，所述低温P型GaN层生长厚度为10 lOOnm，所述P型AlGaN层生长厚度为10 200nm，所述高温P型GaN层生长厚度为100 800nm，所述P型接触层生长厚度为5 20nm。6、根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、GaN或碳化硅单晶。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面，N型AlGaN层可以降低量子阱区域的位错密度，提高晶体质量；另一方面，N型AlGaN插入层的梯形结构设计，在促进电子横向运动的同时，避免了对电子纵向迁移的限制，从而提闻了载流子的注入效率，进而提闻氣化嫁基LED的发光效率。
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明的LED外延片的结构不意 图2为N型AlGaN插入层生长不意其中，I为衬底、2为低温GaN缓冲层、3为GaN非掺杂层、4为第一 N型GaN层、5为N型AlGaN插入层、6为第二 N型GaN层、7为多量子阱层、8为低温P型GaN层、9为P型AlGaN层、10为高温P型GaN层、11为P型接触层。
具体实施例方式下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。实施例1
如图1所示的LED外延片结构，从下向上的顺序依次包括:衬底1、低温GaN缓冲层2、GaN非掺杂层3、第一 N型GaN层4、N型AlGaN插入层5、第二 N型GaN层6、多量子阱层7、低温P型GaN层8、P型AlGaN层9、高温P型GaN层10、P型接触层11。本实施例以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3 )分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。本实施例的具有梯形结构的N型插入层的氮化镓基LED外延结构的生长方法，包括以下具体步骤:
步骤一，将衬底I在1000-120(TC氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理，衬底I是适合GaN基半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN和碳化硅(SiC)单
曰坐曰曰寸；
步骤二，将温度下降到500 650°C之间，生长厚度为20 30nm的低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300 760Torr之间，V / III (第五族元素和第三族元素的摩尔比)比为50 1000 ；
步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入三甲基镓(TMGa)，衬底温度升高至900 1200°C之间，对所述低温GaN缓冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5 30min，退火之后，将温度调节至1000 1200°C之间，外延生长厚度为0.5 2iim的GaN非掺杂层3，生长压力在100 500Torr之间，V / III比为100 3000 ；
步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长掺杂浓度稳定的第一 N型GaN层4，厚度为1.2 4.2iim，生长温度在1000 1200°C之间，压力在100 600Torr之间，V /III比为 100 3000 ；
步骤五，所述第一 N型GaN层4生长结束后，生长N型AlGaN插入层5，生长温度在900 1100°C之间，生长时间为5 15min，压力在50 500Torr之间，V /III比为10 1000 ;所述N型AlGaN插入层5的生长如图2所示(图2中的虚线是为了便于对应比较N型AlGaN层a、b和c的Ga和Al组分的摩尔含量变化情况)，分为三步:(I)先生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a ; (2)N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层b ; (3) N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层C。所述N型AlGaN插入层5厚度在10 200nm之间，生长过程中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量控制在5% 30%之间；
步骤六，所述N型AlGaN插入层5生长结束后，生长掺杂浓度稳定的第二 N型GaN层6，厚度为1.2 4.2 iim，生长温度在1000 1200°C之间，压力在100 600Torr之间，V /III比为100 3000 ；
步骤七，所述第二 N型GaN层6生长结束后，生长多量子阱层7，所述多量子阱层7包括3 15个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由InxGahN (0<x<l)势阱层和GaN势垒层依次生长而成。所述InxGa^N势阱层的生长温度在720 820°C之间，压力在100 500Torr之间，V / III比为300 5000，厚度在2 5nm之间；所述GaN势垒层的生长温度在820 920°C之间，压力在100 500Torr之间，V /III比为300 5000，厚度在8 15nm之间；
步骤八，所述多量子阱层7生长结束后，生长厚度为10 IOOnm的低温P型GaN层8，生长温度在620 820°C之间，生长时间为5 35min，压力在100 500Torr之间，V / III比为 300-5000 ；
步骤九，所述低温P型GaN层8生长结束后，生长厚度为10 200nm的P型AlGaN层9，生长温度在900 1100°C之间，生长时间为5 15min，压力在50 500Torr之间，V /III比为10 1000，P型AlGaN层8中Al的摩尔组分含量控制在5% 30%之间；
步骤十，所述P型AlGaN层9生长结束后，生长厚度为100 800nm的高温P型GaN层10，生长温度在850 950°C之间，生长时间为5 30min，压力在100 500Torr之间，
V/III 比为 300 5000 ；
步骤i^一，所述高温P型GaN层10生长结束后，生长厚度在5 20nm之间的P型接触层11，生长温度在850 1050°C之间，生长时间为I lOmin，压力在100 500Torr之间，
V/ III比为 1000 20000 ；
步骤十二，外延生长结束后，将反应室的温度降至650 800 V之间，采用纯氮气气氛进行退火处理2 15min，然后降至室温，即得如图1所示的LED外延片结构。随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。本实施例通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面，N型AlGaN层可以降低量子阱区域的位错密度，提高晶体质量；另一方面，N型AlGaN插入层的梯形结构设计，在促进电子横向运动的同时，避免了对电子纵向迁移的限制，从而提高了载流子的注入效率，进而提高氮化镓基LED的发光效率。以上对本发明的具体实施例进行 了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
权利要求
1.一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片，其特征在于，所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一 N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二 N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构。
2.一种根据权利要求1所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，在第一 N型GaN层生长结束后，生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层，具体包括如下步骤: A、在所述第一N型GaN层上生长Al的摩尔组分含量逐渐升高的N型AlGaN层a ； B、所述N型AlGaN层a生长结束后，保持Al的摩尔组分含量不变，生长N型AlGaN层b ； C、所述N型AlGaN层b生长结束后，生长Al的摩尔组分含量逐渐降低的N型AlGaN层c ； 所述N型AlGaN层a、b和c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的最高摩尔组分含量为5% 30%ο
3.根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述N型AlGaN插入层的生长温度在900 1100°C，生长时间为5 15min，压力为 50 500Torr，V / III比为 10 1000。
4.根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述多量子阱层由InxGahN (0<χ<1)势阱层和GaN势垒层依次生长而成，所述InxGa1^xN势阱层的生长温度为720 820°C、压力为100 500Torr、V / III比为300 5000、厚度为2 5nm，所述GaN势垒层的生长温度为820 920°C、压力为100 500Torr、V / III比为300 5000、厚度为8 15nm。
5.根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述低温GaN缓冲层生长厚度为20 30nm，所述GaN非掺杂层生长厚度为0.5 2 μ m，所述第一 N型GaN层生长厚度为1.2 4.2 μ m，所述第二 N型GaN层6生长厚度为1.2 4.2 μ m，所述低温P型GaN层生长厚度为10 lOOnm，所述P型AlGaN层生长厚度为10 200nm，所述高温P型GaN层生长厚度为100 800nm，所述P型接触层生长厚度为5 20nmo
6.根据权利要求2所述的具有梯形结构的N型插入层的LED外延片的生长方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、GaN或碳化硅单晶。
全文摘要
本发明公开了一种具有梯形结构的N型插入层的LED外延片及其生长方法。所述外延片的结构自下而上依次为衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、第一N型GaN层、N型AlGaN插入层、第二N型GaN层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；所述N型AlGaN插入层为梯形结构。具体为，在第一N型GaN层上生长由N型AlGaN层a、b和c组成的N型AlGaN插入层，所述N型AlGaN层a、b、c中Ga的摩尔组分含量保持不变，Al的摩尔组分含量依次为逐渐升高、保持不变、逐渐降低。本发明通过在N型GaN层中插入梯形结构的N型AlGaN层，一方面有效降低量子阱区域的位错密度，另一方面减少因N型AlGaN层的引入而对电子纵向迁移的影响，从而提高氮化镓基LED的发光效率。
文档编号H01L33/00GK103165777SQ20131009920
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者李刚, 郭丽彬, 蒋利民 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司