包含渐变厚度势磊的 led 结构外延生长方法及其结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，生长发光层MQW的步骤为：在温度为730-750℃、100mbar到800mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa（1-x）N层，x=0.20-0.21；将反应室温度调节为800-840℃，通入R时长的三甲基镓，生长出厚度为D的第一个GaN层；重复生长InGaN层，通入0.75-0.95倍R时长的三甲基镓，生成厚度为0.75-0.95倍D的第二个GaN层；依次类推，GaN层厚度逐层减小。本发明改变了发光层的势磊GaN厚度，使其依次减少，从而改善电子和空穴的分布，提高LED光效。
【专利说明】包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法及其结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED外延设计领域，特别地，涉及一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法及其结构。
【背景技术】
[0002]目前国内MOCVD生长LED外延层其中涉及到发光层的生长，大抵都是势阱InGaN、势磊GaN为一个周期重复生长，一般周期数控制在11-15个左右。
[0003]发光层的厚度一般控制在150nm-250nm,相对于N、P型GaN而言发光层的阻值相对比较高；发光层中不掺杂Si或者低浓度掺杂Si的势磊GaN更是加大了发光层的阻值。
[0004]阻值较高的好处:发光层接近N层的结构势磊GaN阻值高能阻挡多数的电子，电子浓度数值在1E+20-2E+20个/cm3 (N型GaN中电子的迁移率高达200_250v/cm2，Si掺杂剂电离90%以上，电子的浓度高速度快，电子容易穿透发光层泄露至P层产生非复合辐射消耗空穴)，让电子在发光层中减速，让电子均匀分散在发光层中，减弱电子的外溢泄露，提高势阱InGaN层的电子浓度。
[0005]坏处是:因为空穴的行为和电子的行为是相反的，P型掺杂剂Mg的电离率非常低，通常只有1%_2%，整个P层的空穴浓度相对电子而言浓度非常低，浓度数值在3E+18-5E+18个/cm3，P层阻值大约8-10欧姆(N层阻值大约3-4欧姆)，空穴的有效质量比电子有效质量大很多，所以空穴的迁移率非常低，发光层的阻值比P层的阻值高，空穴很难穿透发光层，很多论文指出，靠近发光层第一个势阱InGaN空穴浓度最高，第二、三、四个势阱InGaN空穴浓度递减，第五、六个势阱InGaN基本不存在空穴。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法及其结构，以解决电子和空穴分布不均，影响LED光效的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种(权利要求确定后由代理人补充)。
[0008]
[0009]本发明具有以下有益效果:本发明通过改变三甲基镓的通入时长，从而改变了发光层MQW的若干个InxGa(1_x)N/GaN组合单元中的势磊GaN厚度，使势磊GaN厚度依次减少，势磊GaN阻值减小，削弱了多电子和空穴传播时的阻挡作用，P层传播的空穴因为阻挡减弱能够传播更远，一方面增加了原来陷空穴的浓度，另一方面增加了含有空穴的势阱的个数，由于空穴的迁移率较低(10-15cm2/(V*s))，含有空穴的势阱个数约为4-5个，通过势磊GaN厚度依次减少，势阱个数增加为6-7个；对电子而言每个势阱都填充电子，这个是由电子迁移率高(100-150cm2/ (V*s))决定的，势磊GaN厚度依次减少只能单方面提高势阱电子的浓度；通过势磊GaN厚度依次减少改善电子和空穴的分布，提高LED光效，改善发光层的阻值，降低LED的驱动电压。
[0010]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。 下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0012]图1是现有的LED外延结构示意图；
[0013]图2是本发明优选实施例的发光层势磊渐变的LED外延结构示意图；
[0014]图3是现有的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图；
[0015]图4是本发明优选实施例的势磊渐变发光层的能带结构示意图；
[0016]图5是本发明优选实施例一和对比实施例一的芯片亮度对比示意图；
[0017]图6是本发明优选实施例一和对比实施例一的芯片电压对比示意图；
[0018]其中，1、衬底，2、低温缓冲GaN层，3、不掺杂GaN层，4、掺Si的GaN层，5、发光层InxGa (1_x)N/GaN,6, GaN 层，7、P 型 AlGaN 层，8、P 型 GaN 层，9、InxGa U N 层，10、第一个GaN层，11、第二个GaN层，12、第N个GaN层。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0020]参见图2，本发明提供了包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其特征在于，所述生长发光层MQW的步骤为:
[0021]A、在温度为730-750°C、100mbar到800mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa (1_X)N层，x=0.20-0.21 ；
[0022]将反应室温度调节为800_840°C，通入R时长的三甲基镓，生长出厚度为D的第一个GaN层；
[0023]B、将反应室温度调节为730-750°C，生长掺杂In的厚度为2.5_3nm的InxGa (1_X)N层，x=0.20-0.21 ；In 的掺杂浓度为 lE+20-2E+20atom/cm3 ；
[0024]将反应室温度调节为800-840°C，通入三甲基镓；三甲基镓的通入时长为步骤A通入时长R的0.75-0.95倍，生长出厚度为0.75-0.95D的第二个GaN层；
[0025]三甲基镓可优选为金属有机源三甲基镓。
[0026]C、将反应室温度调节为730-750°C，生长掺杂In的厚度为2.5_3nm的InxGa (1_X)N层,x=0.20-0.21 ；
[0027]将反应室温度调节为800-840°C，通入三甲基镓；三甲基镓的通入时长为上一个步骤通入时长R的0.75-0.95倍，生长出厚度为(0.75-0.95) n*D的第N个GaN层；
[0028]D、重复 C 步骤，直至生成 12-16 个 InxGa (1_x)N/GaN 层。
[0029]本发明通过改变三甲基镓的通入时长，从而改变了生长发光层MQW的若干个InxGa (l-χ) N/GaN组合单元中的势磊GaN厚度，使势磊GaN厚度依次减少，从而改善电子和空穴的分布，提高LED光效。
[0030]以下分别说明采用以现有传统方法制备样品I的对比实施例一，和采用本发明生长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品I和样品2进行性能检测比较。
[0031]对比实施例一、
[0032]1、在1000-1100°C的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底8_10分钟；
[0033]2、降温至540_590°C下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30_40nm的低温缓冲层GaN ；
[0034]3、升高温度到1100-1200°C下，持续生长2.5-3.5 μ m的不掺杂GaN ；
[0035]4、生长3-4 μ m持续掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm3 ；
[0036]5、周期性生长有发光层MQW:低温730-750°C生长掺杂In的2.5_3nm InxGa (1_X)N(x ?=0.20-0.21)层，高温800-8401:生长11-1211111 GaN层；InxGa(1_x)N/GaN周期数为 13-15个；
[0037]6、再升高温度到900-950°C持续生长20_30nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为1E+20-3E+20 个 /cm3，Mg 的掺杂浓度为 1E+19-2E+19 个 /cm3 ；
[0038]7、再升高温度到930-1000°C持续生长200_300nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为 3E+19-4E+19 个 /cm3 ；
[0039]8、最后降温至650_680°C，保温20_30min，接着炉内冷却；得到样品I。
[0040]样品I的结构可参见图1所示，其能带图见图3所示。其中，上方曲线为GaN导带能级，中间虚线为GaN费米能级；下方曲线为GaN价带能级，A、B点分别表示发光层中的InGaN层和GaN层。
[0041]实施例一、
[0042]本发明运用Aixtron MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4),三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg),衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在IOOmbar到800mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图2,第5步的能带请参考图4):
[0043]1、在1000-1100°C的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底8_10分钟；
[0044]2、降温至540_590°C下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30_40nm的低温缓冲层GaN ；
[0045]3、升高温度到1100-1200°C下，持续生长2.5-3.5 μ m的不掺杂GaN ；
[0046]4、生长3-4 μ m持续掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm3 ；
[0047]5、周期性分组生长有发光层MQW:
[0048](I)第一双层组合单元:低温730-750°C生长掺杂In的2.5-3nm InxGa (1_x) N(x=0.20-0.21)层，In 的掺杂浓度为 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高温 800_840°C时，采用 333s通入20sccm的TMGa，生长15_16nm厚度的GaN层，InxGa (1_x)N/GaN周期数为3-4个；
[0049](2)第二双层组合单元:低温730-750°C生长掺杂In的2.5-3nm InxGa (1_X)N(x=0.20-0.21)层，In 的掺杂浓度为 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高温 800_840°C时，采用 290s通入20sccm的TMGa，生长14_15nm厚度的GaN层，InxGa (1_x)N/GaN周期数为3-4个；
[0050](3)第三双层组合单元:低温730-750 °C生长掺杂In的2.5_3nmInxGa (1_X)N(x=0.20-0.21)层，In 的掺杂浓度为 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高温 800_840°C时，采用 230s通入20sccm的TMGa，生长10-llnm厚度的GaN层，InxGa (1_x)N/GaN周期数为3-4个；
[0051](4)第四双层组合单元:低温730-750°C生长掺杂In的2.5_3nmInxGa (1_x)N (x?=0.20-0.21)层，In 的掺杂浓度为 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高温 800_840°C时，采用 177s 通入 20sccm 的 TMGa，生长 8-lOnm 厚度的 GaN 层，InxGa (1_x)N/GaN 周期数为 3-4 个；
[0052]或者，第5步骤的发光层可以1-4个InGaN/GaN层为一个单元生长，每一个单元内的GaN层厚度一致；但整个发光层GaN厚度从16nm渐变为8nm。
[0053]优选为每个单元为1-2个InGaN/GaN层。
[0054]6、再升高温度到900-950°C持续生长20_30nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为1E+20-3E+20 个 /cm3，Mg 的掺杂浓度为 1E+19-2E+19 个 /cm3 ；
[0055]7、再升高温度到930-1000°C持续生长200_300nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为 3E+19-4E+19 个 /cm3 ；
[0056]8、最后降温至650-680°C，保温20_30min，接着炉内冷却；得到样品2。
[0057]样品2的结构可参见图2所示，其能带图见图4所示。其中，上方曲线为GaN导带能级，中间虚线为GaN费米能级；下方曲线为GaN价带能级，A、B点分别表示发光层中的InGaN
[0058]层和
【权利要求】
1.一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其特征在于，所述生长发光层MQW的步骤为: A、在温度为730-750°C、IOOmbar到800mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，生长掺杂 In 的厚度为 2.5-3nm 的 InxGa (1_X)N 层，x=0.20-0.21 ； 将反应室温度调节为800-840°C，通入总时长为R的三甲基镓，生长出厚度为D的第一个GaN层； B、将反应室温度调节为730-750°C，生长掺杂In的厚度为2.5_3nm的InxGa (1_X)N层，x=0.20-0.21，In 的掺杂浓度为 lE+20-2E+20atom/cm3 ； 将反应室温度调节为800-840°C，通入三甲基镓；通入总时长为(0.75-0.95) XR倍的三甲基镓，生长出厚度为(0.75-0.95) XD的第二个GaN层； C、将反应室温度调节为730-750°C，生长掺杂In的厚度为2.5_3nm的InxGa (1_X)N层，x=0.20-0.21 ； 将反应室温度调节为800-840°C，通入三甲基镓；通入总时长为(0.75-0.95)nXR倍的三甲基镓，三甲基镓的通入时长为上一个步骤通入时长R的0.75-0.95倍，生长出厚度为(0.75-0.95) nXD 的第 N 个 GaN 层； D、重复C步骤，直至生成12-16个InxGa(1_x)N/GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，其特征在于，每一个步骤重复1-4次后，进行下一步骤。
3.根据权利要求1或2所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述步骤A的R为20-27sccm。
4.根据权利要求1或2所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述步骤A的D为15-16nm。
5.根据权利要求4所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述步骤C中的第N个GaN层厚度不小于8nm。
6.根据权利要求1或2所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述三甲基镓为金属有机源三甲基镓。
7.一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延结构，依次包括衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、掺Si的GaN层、发光层MQW、P型AlGaN层和P型GaN层，其特征在于，所述生长发光层MQW包含若干个双层组合单元，每个组合单元包含一个InxGa(1_x)N层和一个GaN层，x=0.20-0.21，组合单元的个数为12-16，每层InxGa (1_X)N层的厚度为2.5_3nm ； 每层GaN层的厚度为上一梯次的双层组合单元中GaN层厚度的0.75-0.95倍。
8.根据权利要求7所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延结构，其特征在于，每一梯次的双层组合单元数为1-4。
【文档编号】H01L33/00GK103474537SQ201310441658
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】赵云, 林传强 申请人:湘能华磊光电股份有限公司