一种可降低电压的GaN基外延结构及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能够降低外延片电压的GaN基外延结构及其生长方法，属于LED外延结构技术领域。
【背景技术】
[0002]以GaN为基础的发光二极管(LED)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在迅速被广泛地应用于交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等领域。因此LED的各方面性能提升都被业界重点关注，作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。
[0003]在GaN基LED外延层制备方面，P型空穴注入层的特性是影响LED电性的一个重要因素，目前国内MOCVD生长LED外延层中涉及到P型GaN层的生长，通常采用Mg做掺杂剂，Mg在GaN内的电离率非常低，行业公认的数据是:Mg的电离率仅有Mg掺杂浓度的1%，提高Mg电离率的方法一般是加重Mg掺杂浓度。现有的P型GaN制备技术已较大幅度提高了 Mg的掺杂浓度，但是存在随着Mg的掺杂浓度加重时，空穴的迀移率降低，阻值增加。而且Mg掺杂过高会析出导致P型GaN晶体质量变差，也会导致部分Mg扩散到量子阱中形成缺陷。在大电流密度驱动下，P型电子阻挡层不能有效阻挡部分电子隧穿有源区进入P区形成载流子泄露。这些不利因素最终导致了 LED芯片工作电压高、器件的能耗随之增加、发光效率低等现象。
[0004]中国专利文献CN104009136A公开的《提高发光效率的LED外延层生长方法及LED外延层》，P型空穴注入层包括第一双层单元和第二双层单元:第一双层单元包括第一AlGaN层和第一 GaN层，单层厚度是2_5nm ; I个周期中两者厚度比是1:1_3:1，周期为5_10 ;第二双层单元包括第二 AlGaN层和第二 GaN层，单层厚度是2_5nm ; I个周期中两者厚度比是1:1-3:1，周期为5-10。本发明P型空穴注入层由低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层组成，有效降低大电流密度下LED芯片的Droop效应，提尚载流子的注入效率，提尚器件的发光效率
[0005]上述方法中P型空穴注入层是由低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层两部分组成，虽然对提高器件发光效率效果较明显，但是对降低驱动电压效果不大。
【发明内容】
[0006]针对现有外延片生长工艺制备出来的晶片电压高、发光效率低的不足，本发明提供一种能显著降低外延片电压、提升外延片抗静电能力、提高外延晶体质量以及增强器件的发光效率的可降低电压的GaN基外延结构，同时提供一种该结构的生长方法。
[0007]本发明的可降低电压的GaN基外延结构，采用如下技术方案:
[0008]该结构中，自下而上依次设置有衬底、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区和P型GaN层，P型GaN层由低温高掺杂的GaN层、不掺杂GaN层和高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层三部分由下至上依次分布而成，其中低温高掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度为lE+19-lE+20atom/cm3，高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层中Mg的掺杂浓度为lE+18_lE+19atom/cm3，Al 的惨杂浓度为 lE+17_lE+18atom/cm3。
[0009]所述衬底为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底厚度为200 μ m-1000 μ m。
[0010]所述N型GaN层的厚度为3 μ m_4 μ m。
[0011]所述InGaN/GaN多量子阱有源区的厚度为0.15 μπι-Ο.2 μπι。
[0012]所述InGaN/GaN多量子阱有源区中InGaN/GaN的周期数为12_18，In的掺杂浓度为 lE+19_3E+20atom/cm3。
[0013]所述P型GaN层的总厚度为0.15μπι-0.22 μπι。
[0014]所述高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层的周期为5_10，总厚度为50_70nm，AlGaN或GaN的单层厚度是4_6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1_3:1。
[0015]上述GaN基外延结构中，将P型GaN层中的掺杂浓度设计成高掺杂一不掺杂一正常掺杂的V形的掺杂结构，即根据掺杂含量由高到低再到高的V型，不但降低了外延片P-N结的电压，而且还能提高外延晶体的质量和抗静电能力，其电压比常规LED结构电压能降低0.15-0.25V左右，抗静电能力比常规LED结构增加了 10% -25%，亮度比常规LED结构提升 5% -15%。
[0016]上述可降低电压的GaN基外延结构的生长方法，包括以下步骤:
[0017](I)将衬底放进金属有机物化学气相沉积设备的反应腔内，反应腔的压力为80-180mbar，温度为1100-1300°C，使用氢气作为载气进行衬底表面处理，该过程持续时间为10-15分钟；
[0018](2)将反应腔压力增加至300-800mbar，在衬底上生长厚度为3μπι-4μπι的N型
GaN 层。
[0019](3)将温度降至 700-800°C，通入 1200_1500sccm 的 TMIn 源和 25_40sccm 的 TMGa源，周期性生长InGaN/GaN多量子阱有源区层，厚度为0.15 μ m-0.2 μ m，InGaN/GaN的周期数为 12-18，In 的掺杂浓度为 lE+19-3E+20atom/cm3;
[0020](4)在温度 600-700°C，压力 300_800mbar 的反应室内，通入 55000-65000sccm 的NH3、25-50sccm的TMGa源和2000-3000sccm的Cp2( 二茂镁)Mg源，形成低温高掺杂P型GaN层，厚度为60_90nm，其中Mg的惨杂浓度为lE+19_lE+20atom/cm3;
[0021](5)升高温度至700-900 °C，压力维持不变，通入30000-40000sccm的順3和20-30sccm TMGa源，时间持续50-100秒，形成不掺杂的GaN层，厚度为40_60nm ；
[0022](6)再升高温度到 900-1050°C，通入 30000-60000sccm 的 NH3、30_50sccm 的 TMGa、1500-2000sccm的Cp2Mg和150_200sccm的TMAl，生长高温正常掺杂的AlGaN/GaN超晶格层；其中Mg的掺杂浓度为lE+18-lE+19atom/cm3，Al的掺杂浓度是lE+17_lE+18atom/cm3，AlGaN或GaN的单层厚度是4_6nm，单个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1_3:1，周期为5-10，总厚度为 50-70nm。
[0023]本发明将P型GaN层设计成由低温高掺杂GaN层、不掺杂GaN层、高温正常掺杂AlGaN/GaN超晶格层三部分形成的V形掺杂，不但可以改善空穴迀移率，提高空穴对发光层的注入，还可以降低驱动电压，提升器件抗静电能力，延长LED芯片以及器件的使用寿命， 提高发光效率。
【附图说明】
[0024]图1是本发明的GaN基外延结构的示意图。
[0025]图2是本发明GaN基外延结构与常规GaN基外延结构的I_V曲线对比图。
[0026]图3是本发明GaN基外延结构与常规GaN基外延结构的亮度对比图。
[0027]其中:1、衬底;2、N型GaN层；3、InGaN/GaN多量子阱有源区;4、P型GaN层;5、低温高掺杂GaN层；6、不掺杂GaN层；7、高温正常掺杂AlGaN/GaN超晶格层；8、本发明GaN基外延结构1-V曲线；9、常规GaN基外延结构1-V曲线。
【具体实施方式】
[0028]如图1所示，本发明的可降低外延片电压的GaN基外延结构，自下而上依次设置有衬底1、N型GaN层2、InGaN/GaN多量子阱有源区3和P型GaN层4。衬底I为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底I的厚度为200 μ m-1000 μ m。N型GaN层的厚度为3 μ m_4 μ m。InGaN/GaN多量子阱有源区的厚度为0.15 μ m-0.2 μπι。
[0029]P型GaN层4由低温高掺杂GaN层5、不掺杂GaN层6和高温正常掺杂AlGaN/