一种发光二级管的外延结构及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种发光二级管的外延结构，该外延结构生长在衬底上，该外延结构由靠近衬底一端起依次包含：低温成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN层、发光层和P型GaN层；所述N型GaN层为V/III比率周期性交替变化生长结构，V/III比率为V族元素/III族元素的比率。本发明通过在生长N型GaN层的过程中其V/III比周期性变化，实现改善N型GaN层的结晶质量，LED的反向电压得到明显提升。
【专利说明】
一种发光二级管的外延结构及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体制备技术，具体涉及一种氮化镓基发光二级管的外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED)是半导体光电子显示的核心器件，具有高效率、长寿命、节能和环保等优点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、背光源、固态照明等领域。
[0003]由于在蓝宝石、碳化硅(SiC)或硅(Si)衬底上生长氮化镓(GaN)基薄膜，晶格常数和热膨胀系数的不同导致GaN薄膜存在大量的外延缺陷，外延缺陷的多少一定程度上决定着LED反向击穿电压的大小，反向击穿电压的大小也在一定程度上表征着老化可靠性的高低，因此提高GaN薄膜的结晶质量，减少外延生长缺陷，就成为提高LED反向击穿电压的重要手段。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种发光二级管的外延结构及其制备方法，改善N型GaN的结晶质量，减少外延生长缺陷，提升LED的反向击穿电压。
[0005]为实现上述目的，本发明提供一种发光二级管的外延结构，其特点是，该外延结构生长在衬底上，该外延结构由靠近衬底一端起依次包含:低温成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN层、发光层和P型GaN层;所述N型GaN层为V/III比率周期性交替变化生长结构，V/III比率为V族元素/III族元素的比率。
[0006]上述N型GaN层为η个周期性V/III比率交替变化生长结构;η大于等于I; 10000彡V/ΙΠ比率>0。
[0007]上述衬底为蓝宝石、或GaN、或硅、或碳化硅，或以上任意若干材料的组合。
[0008]上述N型GaN层的厚度为1.5?4.5微米。
[0009]—种发光二级管的外延结构的制备方法，其特点是，该方法包含:
在衬底上依次生长低温成核层、未掺杂的GaN层和N型GaN层；
N型GaN层生长结束后，在N型GaN层上生长发光层及其上的多量子阱结构；
在发光层上生长P型GaN层；
上述N型GaN层的生长过程中其V/III比率周期性变化，V/III比率为V族元素/111族元素的比率。
[0010]上述成核层生长温度为400?700摄氏度，生长厚度为15?50纳米。
[0011]上述N型GaN层是由η个V/ΙΠ比率周期性交替变化生长形成;η大于等于I，10000彡V/III 比率 >0。
[0012]上述未掺杂的GaN层和/或N型GaN层的生长温度范围为800?1200摄氏度。
[0013]上述N型GaN层硅掺杂浓度范围为lel8?3el9cm_3。
[0014]上述N型GaN层的生长过程中其V/III比率周期性变化是通过调节V族元素和III族元素的流速比实现。
[0015]本发明一种发光二级管的外延结构及其制备方法和现有技术的发光二极管外延结构制备技术相比，其优点在于，本发明通过改变LED基本结构中N型GaN层的生长条件来改善N型GaN层的结晶质量，通过调节V族元素和III族元素的流速比来实现在生长N型GaN层的过程中其V/III比周期性变化，通过此种外延生长方法实现改善N型GaN层的结晶质量，并且LED的反向电压得到明显提升。
【附图说明】
[0016]图1为本发明为本发明发光二级管的外延结构的机构示意图；
图2为本发明为本发明发光二级管的外延结构的制备方法的流程图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
[0018]如图1所不，为一种发光二级管的外延结构的实施例一，该外延结构生长在衬底001上，该外延结构由靠近衬底一端起依次包含:低温成核层002、非故意掺杂氮化镓层(u-GaN层)003、N型GaN层004、发光层005和P型GaN层006。
[0019]低温成核层002的生长厚度为15纳米至50纳米。
[0020]其中，P^^GaN层为V/III比率周期性交替变化来生长得到结构，V/III比率为V族元素/III族元素的比率。
[0021]进一步的，N型GaN层为η个周期性V/III比率交替变化生长结构，η大于等于I，10000彡V/III比率>0。其中V/III比率的另一个实施例为8000彡V/III比率>0。
[0022]这里，V/III比率周期性交替变化是通过在N型GaN层生长过程中调节V族元素和III族元素的流速比率周期性变化实现。V族元素可以为氨气(ΝΗ3)。
[0023]衬底001采用适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，例如单晶，具体的可采用蓝宝石、或GaN、或硅、或碳化硅，或以上任意若干材料的组合。
[0024]N型GaN层004的总生长厚度为1.5至4.5微米。N型GaN层004的Si掺杂浓度在lel8至3el9cm-3(离子每立方厘米)。
[0025]发光层005为发光层多量子阱结构，该发光层005包含有势皇势阱周期对在2至30。发光层005中铟In的组分为15%至20%。发光层005中InGaN势阱的厚度为0.5至5纳米，GaN势阱的厚度为I至30纳米。
[0026]P型GaN层006的厚度为30至500纳米。P型GaN层006的镁Mg浓度为lel8至2e20cm-3。
[0027]如图2并结合图1所示，为上述发光二级管的外延结构的实施例一的制备方法，该方法具体包含以下步骤:
S1、在衬底001上生长低温成核层002，低温成核层002的生长温度为400至700摄氏度，生长厚度为15纳米至50纳米。
[0028]S2、在低温成核层002上生长未掺杂的GaN层003(u_GaN层)，该未掺杂的GaN层003生长温度在800摄氏度至1200摄氏度。
[0029]S3、在未掺杂的GaN层003上生长N型GaN层004，N型GaN层004的生长温度为800摄氏度至1200摄氏度，总生长厚度为1.5微米至4.5微米。
[0030]本发明中，N型GaN层004的生长过程中其V/III比率周期性变化，由η个V/III比率周期性交替变化生长形成;其中，η大于等于1，10000彡V/III比率>0(或者8000彡V/III比率>0)，V/III比率为V族元素/III族元素的比率。N型GaN的生长过程中其V/III比率周期性变化是通过调节V族元素和III族元素的流速比实现。N型GaN层硅掺杂浓度范围为IelS至3el9cm_3。
[0031 ] 具体操作中，V族元素可以为氨气(NH3)，在生长N型GaN层004时，供应氨气和III族兀素的流速比率周期性变化，实现减少外延缺陷和提尚外延结晶质量，进而提升GaN基LED的反向击穿电压。
[0032]η个V/III比率周期性交替变化，η大于等于I，具体可以为:高低、低高交替变化，或者低高、高低交替变化，或者一直低高变化，或一直高低变化，也可以是从低到高再从高到低，或从高到低再从低到高变化。
[0033]以下述实施例具体说明:
例如当η=1，单个周期内V/III比率可以有以下情况:
I)由高到低变化，例如:V/III比率由5000到4000变化;
2 )由低到高变化，例如:V/III比率由4000到5000变化。
[0034]例如当n=2，单个周期内V/III比率可以有以下情况:
1)重复由低到高变化，例如:V/III比率由4000变化至5000，再回到4000，重复由4000变化至5000;
2)重复由高到低变化，例如:V/III比率由5000变化至4000，再回到5000，重复由5000变化至4000 ；
3)由低到高，再由高到低变化，例如:V/III比率由4000变化至5000，再由5000变化至4000；
4)由高到低，再由低到高变化，例如:V/III比率由5000变化至4000，再由4000变化至5000 ο
[0035]例如当η=3，单个周期内V/III比率可以有以下情况:
1)重复由低到高变化，例如:V/III比率由2000变化至3000，再变化至4000，然后回到2000重复2000至3000到4000的变化过程；
2)重复由高到低变化，例如:V/III比率由4000变化至3000，在变化之2000，然后回到4000重复4000至3000到2000的变化过程。
[0036]S4、N型GaN层004生长结束后，在N型GaN层004上生长发光层005。发光层005的生长温度为600摄氏度至900摄氏度，生长有有多量子阱结构，制备有GaN势皇和InGaN势阱，InGaN势阱的厚度为0.5纳米至5纳米，GaN势皇的厚度为I纳米至30纳米。发光层005所含有的势皇势阱周期对在2至30。发光层005的铟In组分为15%至20%。
[0037]S5、在发光层005上生长P型GaN层006 J型GaN层006的生长温度为800摄氏度至1100摄氏度，生长厚度为30纳米至500纳米，镁Mg掺杂浓度为lel8至2e20 cm-3。
[0038]尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
【主权项】
1.一种发光二级管的外延结构，其特征在于，该外延结构生长在衬底上，该外延结构由靠近衬底一端起依次包含:低温成核层、非故意掺杂GaN层、N型GaN层、发光层和P型GaN层；所述N型GaN层为V/III比率周期性交替变化生长结构，V/III比率为V族元素/III族元素的比率。2.如权利要求1所述发光二级管的外延结构，其特征在于，所述N型GaN层为η个周期性V/III比率交替变化生长结构;η大于等于I ； 10000彡v/m比率>0。3.如权利要求1所述的发光二级管的外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、或GaN、或硅、或碳化硅，或以上任意若干材料的组合。4.如权利要求1所述的发光二级管的外延结构，其特征在于，所述N型GaN层的厚度为1.5?4.5微米。5.一种发光二级管的外延结构的制备方法，其特征在于，该方法包含: 在衬底上依次生长低温成核层、未掺杂的GaN层和N型GaN层； N型GaN层生长结束后，在N型GaN层上生长发光层及其上的多量子阱结构； 在发光层上生长P型GaN层； 所述N型GaN层的生长过程中其V/III比率周期性变化，V/III比率为V族元素/111族元素的比率。6.如权利要求5所述的发光二级管的外延结构的制备方法，其特征在于，所述成核层生长温度为400?700摄氏度，生长厚度为15?50纳米。7.如权利要求5所述的发光二级管的外延结构的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层是由η个V/m比率周期性交替变化生长形成;η大于等于I，10000彡V/III比率>0。8.如权利要求5所述的发光二级管的外延结构的制备方法，其特征在于，所述未掺杂的GaN层和/或N型GaN层的生长温度范围为800?1200摄氏度。9.如权利要求5所述的发光二级管的外延结构的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层硅掺杂浓度范围为lel8?3el9cm-3010.如权利要求5所述的发光二级管的外延结构的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层的生长过程中其V/III比率周期性变化是通过调节V族元素和III族元素的流速比实现。
【文档编号】H01L33/32GK105914276SQ201610500604
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】展望, 马后永, 琚晶, 游正璋
【申请人】映瑞光电科技(上海)有限公司