一种GaN基LED外延结构及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体光电技术领域，特别是指一种GaN基LED的外延结构及其生产方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)作为第三代直接能隙宽禁带半导体，在光电技术领域有着广阔的应用前景。以GaN基发光二极管(LED)为核心的半导体照明技术作为新兴的光源技术，具有亮度高、功耗低、寿命长、启动快、体积小、安全环保等突出优势，被称为新一代绿色环保型照明光源，使其有望取代传统的白炽灯和荧光灯，带来人类照明历史上的第二次革命。
[0003]尽管近年来GaN基LED技术发展很快，LED的外延结构和外延技术已经比较成熟，但是随着大功率LED芯片的兴起，GaN基LED在大电流注入下的发光效率会明显降低，这种现象称为Droop效应。GaN基LED的Droop效应起因十分复杂，学术界经过探索，比较倾向的原因是电子溢出。由于电子在量子阱中的分布不平衡，量子阱中局部区域因填充了势能越来越高的电子而溢出量子阱外，这种现象在大电流注入下表现的更明显，因此导致大电流注入下的发光效率明显降低。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种能有效的抑制大电流下的电子溢出，降低GaN基LED的Droop效应的外延结构。
[0005]本发明的外延结构自下而上依次包括:衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、η型掺杂GaN层、低温η型掺杂AlGaN层、多量子讲有源层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层。
[0006]本发明针对现有的技术问题提出了一种简便易行的方法，即通过在η型掺杂GaN层和多量子阱有源层之间生长一层低温η型掺杂的AlGaN层，用来抑制大电流下量子阱中的电子溢出，提高量子阱中的电子和空穴分布的均匀性，增加其中电子空穴的辐射复合率，从而提高LED的光输出功率，降低Droop效应。
[0007]本发明还提出以上外延结构的生产方法。
[0008]在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长η型掺杂GaN层，在η型掺杂GaN层上生长低温η型掺杂AlGaN层，在低温η型掺杂AlGaN层上生长多量子阱有源层，在多量子阱有源层上生长电子阻挡层，在电子阻挡层上生长P型掺杂GaN层。所述低温η型掺杂AlGaN层的生长温度比所述η型掺杂GaN层的生长温度低260°C?320。。。
[0009]本发明工艺简单，采用温度低于η型掺杂GaN层的生长温度260°C?320°C的方法在η型掺杂GaN层上生长形成低温η型掺杂AlGaN层，用来抑制大电流下量子阱中的电子溢出，提高量子阱中的电子和空穴分布的均匀性，增加其中电子空穴的辐射复合率，从而提高LED的光输出功率，降低Droop效应。采用低温生长的方式，能够更好的释放应力，利于后续多量子阱有源层的生长。
[0010]进一步地，所述低温η型掺杂AlGaN层的生长温度为820°C?880°C。
[0011]所述低温η型掺杂AlGaN层生长气氛为NdPH2的混合气氛;所述犯和出的混合摩尔比为2?8:1。在生长气氛中加入H2能提高外延层的结晶质量，减少后续做成芯片后的漏电问题。
[0012]所述低温η型掺杂416&1'1层的生长压力为8011^31'?30011^31 ；所述低温η型掺杂AlGaN层的厚度为5nm?80nm。
[0013]所述低温η型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向的变化方式，或始终保持不变，或线性增加，或线性减少，其Al组分为0.05?0.25。通过改变不同的Al组分以及渐变方式，能够改变该处能带的弯曲程度，达到控制电子注入多量子阱有源层的目的。同时，采用渐变的结构还能减少界面处的缺陷问题。
[0014]所述低温η型掺杂AlGaN层既可以采用单层结构的生长方式，也可以采用叠层结构的生长方式，该层总厚度为5nm?80nm。采用叠层结构的生长方式时，所述叠层结构为η型掺杂的AlGaN/GaN超晶格;所述η型掺杂AlGaN/GaN超晶格的对数为2?8对，每层AlGaN的厚度为5nm?20nm，每层GaN的厚度为5nm?20nm。采用叠层结构时，同样是通过改变该处的能带，以达到控制电子注入多量子阱有源层的目的。
【附图说明】
[0015]图1是本发明所述GaN基LED的外延结构。
[0016]图中，100:衬底；101:缓冲层；102:非故意掺杂GaN层；103: η型掺杂GaN层；104: Ig温η型掺杂AlGaN层；105:多量子阱有源层；106:电子阻挡层；107:ρ型掺杂GaN层。
【具体实施方式】
[0017]一、本发明实施过程采用MOCVD设备生长，生长中以氨气(NH3)作为咐原；以三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)作为Ga源；以三甲基铟(TMIn)作为In源；以三甲基铝(TMAl)作为Al源；以硅烷(SiH4)作为η型掺杂源；以二茂镁(Cp2Mg)作为P型掺杂源；以氢气(H2)或氮气(N2)作为载气。
[0018]下面结合图1进一步说明本发明的生长步骤:
1、在衬底100上生长一层厚度在20nm?40nm之间的缓冲层101，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛为H2气氛，生长温度为500°C?600°C，生长压力为600mbar?700mbar。
[0019]2、在缓冲层101上生长一层厚度为2000nm左右的非故意掺杂GaN层102，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛为H2气氛，生长温度为1100°C?1150°C，生长压力为250mbar?650mbaro
[0020]3、在非故意掺杂GaN层102上生长一层厚度为2000nm左右的η型掺杂GaN层103，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛为H2气氛，生长温度为1100°C?1150°C，生长压力为10mbar?200mbar，n型惨杂Si的惨杂浓度在5 X 1017cm—3?4 X 1019cm—3之间。
[0021]4、在η型掺杂GaN层103上生长一层总厚度在5nm?80nm之间的低温η型掺杂AlGaN层104，生长所需的Ga源使用TMGa，Al源使用TMAl，A1组分在0.05?0.25之间。生长气氛切换为N2和H2的混合气氛，N2/H2摩尔比在2?8:1之间，生长温度为820°(3?880°(3，生长压力为80mbar?300mbar，n型惨杂Si的惨杂浓度在5 X 1018cm—3?4 X 1019cm—3之间。
[0022]按照低温η型掺杂AlGaN层104的Al组分及生长结构的不同，该层有多种不同的生长方式，现以不同的实施例予以说明。
[0023]实施例Α:
低温η型掺杂AlGaN层104采用单层结构的生长方式，Al组分沿生长方向始终保持不变，其Al组分为0.05?0.25。
[0024]实施例B:
低温η型掺杂AlGaN层104采用单层结构的生长方式，Al组分沿生长方向线性增加，其Al组分沿生长方向从0.05线性增加到0.25。
[0025]实施例C:
低温η型掺杂AlGaN层104采用单层结构的生长方式，Al组分沿生长方向线性减少，其Al组分沿生长方向从0.25线性减少到0.05。
[0026]实施例D:
低温η型掺杂AlGaN层104采用叠层结构的生长方式，共生长2?8对η型掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构。每层AlGaN的厚度为5nm?20nm，每层GaN的厚度为5nm?20nm。每层AlGaN的Al组分沿生长方向始终保持不变，其Al组分为0.05?0.25。
[0027]5、在低温η型掺杂AlGaN层104上生长多量子阱有源层105，共生长5?20对InGaN/GaN量子阱，阱的厚度为3nm左右，皇的厚度为8nm左右，生长所需的Ga源使用TEGa，In源使用TMIn。生长气氛切换为N2气氛，生长温度为760°C?860°C，生长压力为300mbar?400mbar。
[0028]6、在多量子讲有源层105上生长一层厚度在15nm?25nm之间的电子阻挡层106，电子阻挡层106使用P型掺杂AlGaN层，生长所需的Ga源使用TEGa，Al源使用TMAl，生长气氛为N2气氛，生长温度为820°C?860°C，生长压力为10mbar?200mbaro
[0029]7、在电子阻挡层106上生长一层厚度在50nm?10nm之间的P型掺杂GaN层107，生长所需的Ga源使用TMGa，生长气氛切换为H2气氛，生长温度为950°C?1050°C，生长压力为450mbar?650mbar，p型惨杂Mg的惨杂浓度在5 X 1019cm—3?5 X 102Qcm—3之间。
[0030]二、制成的产品结构特点:
如图1所示，本发明自下而上依次包括:衬底100、缓冲层101、非故意掺杂GaN层102、n型掺杂GaN层103、低温η型掺杂AlGaN层104、多量子阱有源层105、电子阻挡层106和P型掺杂GaN层107。
【主权项】
1.一种GaN基LED外延结构，自下而上包括:衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、η型掺杂GaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层;其特征在于:在η型掺杂GaN层和多量子阱有源层之间设置低温η型掺杂AlGaN层。2.根据权利要求1所述GaN基LED外延结构的生产方法，包括在衬底上生长缓冲层，在缓冲层上生长非故意掺杂GaN层，在非故意掺杂GaN层上生长η型掺杂GaN层，在多量子阱有源层上生长电子阻挡层，在电子阻挡层上生长P型掺杂GaN层;其特征在于:在所述η型掺杂GaN层上生长低温η型掺杂AlGaN层，所述多量子阱有源层生长在低温η型掺杂AlGaN层上;所述低温η型掺杂AlGaN层的生长温度比所述η型掺杂GaN层的生长温度低260°C?320°C。3.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于:所述低温η型掺杂AlGaN层的生长温度为820°C?880°C。4.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于:所述低温η型掺杂AlGaN层生长气氛为Ν2和Η2的混合气氛;所述低温η型掺杂AlGaN层的生长压力为80mbar?300mbar ；所述低温η型掺杂AlGaN层的厚度为5nm?80nm。5.根据权利要求4所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于:所述N2和H2的混合摩尔比为2?8:1。6.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于:所述低温η型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向始终保持不变，其Al组分为0.05?0.25。7.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温η型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向线性增加，其Al组分沿生长方向从0.05线性增加到0.25。8.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温η型掺杂AlGaN层的Al组分沿生长方向线性减少，其Al组分沿生长方向从0.25线性减少到0.05。9.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温η型掺杂AlGaN层采用单层结构的生长方式，所述单层结构的厚度为5nm?80nmo10.根据权利要求2所述GaN基LED外延结构的生产方法，其特征在于，所述低温η型掺杂AlGaN层采用叠层结构的生长方式，所述叠层结构为η型掺杂的AlGaN/GaN超晶格;所述η型掺杂AlGaN/GaN超晶格的对数为2?8对，每层AlGaN的厚度为5nm?20nm，每层GaN的厚度为5nm?20nmo
【专利摘要】一种GaN基LED外延结构及其生产方法，涉及半导体光电技术领域。其外延结构自下而上依次为：衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n型掺杂GaN层、低温n型掺杂AlGaN层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p型掺杂GaN层。所述低温n型掺杂AlGaN层位于n型掺杂GaN层和多量子阱有源层之间，能有效的抑制大电流下的电子溢出，提高量子阱中的电子和空穴分布的均匀性，增加其中电子空穴的辐射复合率，从而提高光输出功率，降低Droop效应。
【IPC分类】H01L33/06, H01L33/12, H01L33/00
【公开号】CN105514237
【申请号】CN201610018936
【发明人】戴俊, 闫其昂, 王明洋, 李志聪, 孙一军, 王国宏
【申请人】扬州中科半导体照明有限公司
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年1月13日