专利名称：一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生产方法
技术领域：
本发明属于半导体技术领域，具体地，涉及一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生产方法。
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。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出各种颜色的光。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。
蓝宝石衬底因为成本相对较低而成为目前GaN异质外延用的主流衬底。但是由于蓝宝石和GaN材料之间存在很大的晶格失配和热失配，给GaN外延层引入大量位错和缺陷，缺陷密度高达120-1020cm-2，造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，从而降低器件的内量子效率。针对蓝宝石图形衬底的GaN外延，目前通常采用的方法是:低温生长氮化物成核层后，升温退火再结晶，然后横向生长速率较大的GaN，直到GaN覆盖图形衬底并长平，其后生长LED完整结构。这种生长方式在GaN缓冲层存在很强的漏电流，虽然这种GaN缓冲层可以降低蓝宝石衬底和GaN之间的晶格失配。但因为GaN低的夹断特性，低面电阻使得氮化镓基LED材料漏电流增加，电子迁移率不高，从而降低氮化镓基LED的发光效率并引起器件的寿命降低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生产方法。第一方面，本发明提供一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构，所述结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、高阻隔离层、第一非掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、低温P型氮化镓层、P型铝镓氮层层、高温P型氮化镓层。优选地,所述衬底为底部为0.5 5um的半球形。
优选地，所述低温氮化镓缓冲层的厚度为20 40nm、第一非掺杂氮化镓层的厚度为0.5 2 μ m、N型氮化镓层的厚度为1.2 4.2 μ m、低温p型氮化镓层的厚度为10 IOOnm, P型铝镓氮层层的厚度为10 50nm、高温p型氮化镓层的厚度为100 800nm。第二方面，本发明还涉及前述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，所述生产方法包括如下步骤:
步骤1，在氢气或氮气的条件下，净化处理衬底；
步骤2，在净化后的衬底上生长低温氮化镓缓冲层；
步骤3，生长高阻隔离层；
步骤4，生长第一非掺杂氮化镓层；
步骤5，生长第二非掺杂氮化镓层； 步骤6，生长N型氮化镓层；
步骤7，生长多量子阱层；
步骤8，生长低温P型氮化镓层；
步骤9，生长P型铝镓氮层层；
步骤10，生长高温P型氮化镓层。优选地，步骤I中，所述净化处理具体为:在1000 1200°C清洁处理，时间为5 20mino优选地，步骤2中，所述生长的温度为500 600°C，生长压力为400 760Torr，
其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为500:3200。优选地，步骤3中，所述低温GaN缓冲层生长结束后，停止通入三甲基镓(TMGa)，衬底温度升高至1000 1200°C之间，对所述低温GaN缓冲层进行原位热退火处理，退火时间为5 20min，退火之后，通入三甲基镓(TMGa)并同时通入三甲基铝(TMAl)生长高阻隔离层3。将温度调节至900 1100°C之间，AlxGa^N (0<χ<1)高阻隔离层3中Al的摩尔组分含量控制在5% 30%之间。优选地，步骤4中，步骤3结束后，继续通入三甲基镓(TMGa),生长压力为100 500Torr,五族元素与三族元素的摩尔比为300 3000条件下，生长第一非故意掺杂GaN层，其生长模式为3D生长,纵向生长速率远大于横向生长速率,第一非故意掺杂GaN层的大部分在衬底图形间隔的地方生长，且截面是近似梯形。优选地，步骤5中，所述步骤4结束后，在生长温度为1020 1100°C，生长压力为100 500Torr之间，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1200:2000生长第二非故意掺杂层，其生长模式为2D生长，此阶段横向速率远大于纵向速率，直至该层完全覆盖图形衬底和第一非故意掺杂层表面完全长平。优选地，步骤6中，所述生长温度在1000 1200°C，生长压力为100 600 Torr,其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:3000。优选地，步骤7中，所述步骤6生长结束后，在生长温度在720 920°C，生长压力为100 600Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:5000的条件下，生长多量子阱结构MQW层，所述多量子阱结构MQW层7由2 15个周期的InGaN/GaN多量子阱组成，I个周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2 5nm之间。优选地，步骤8中，所述生长温度在620 820°C，生长时间为5 35min，压力在50 500Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:5000。优选地，步骤9中，所述生长温度在900 1100°C，生长时间为5 15min，生长压力在50 500Torr之间，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1000:20000。优选地，步骤10中，所述生长温度在850 950°C，生长时间为5 30min，压力在100 500Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:5000，氨气的流量为10 40升min。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:本发明通过高阻隔离层的插入，一方面可以有效的限制外延层与衬底之间由于晶格失配产生的位错，减少外延层的缺陷密度，提高外延层质量；另一方面，高阻隔离层电阻率高、漏电很小、夹断特性好，在此高阻隔离层的基础上再生长GaN非掺杂层和N型GaN层可获得高的载流子面密度和高的电子迁移率；防止载流子泄漏提高载流子沿正向与空穴复合机率，从而提高氮化镓基LED的发光效率，延长器件寿命。
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为本发明结构示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例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。
实施例本实施例涉及一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构，所述结构自下而上依次为衬底1、低温氮化镓缓冲层2、高阻隔离层3、第一非掺杂氮化镓层4、第二非掺杂氮化镓层5、N型氮化镓层6、多量子阱层7、低温P型氮化镓层8、P型铝镓氮层层9、高温P型氮化镓层10，如图1所示。进一步地，所述衬底I为底部为0.5 5um的半球形。进一步地，所述低温氮化镓缓冲层2的厚度为20 40nm、第一非掺杂氮化镓层4的厚度为0.5 2 μ m、N型氮化镓层6的厚度为1.2 4.2 μ m、低温p型氮化镓层8的厚度为10 100nm、p型铝镓氮层层9的厚度为10 50nm、高温ρ型氮化镓层10的厚度为100 800nmo本实施例还涉及前述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，所述生产方法包括如下步骤:
步骤1，在1000 1200°C条件下清洁衬底1，时间为5 20min ；
步骤2，在生长的温度为500 600°C，生长压力为400 760Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为500:3200的条件下生长低温氮化镓缓冲层2。
步骤3，在低温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1000 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5-20min，退火之后，通入三甲基镓(TMGa)并同时通入三甲基铝(TMAl)的条件下，生长高阻隔离层3，其中AlxGahN (0<χ<1)高阻隔离层3中铝的摩尔组分含量控制在5% 30%。步骤4，步骤3结束后，继续通入三甲基镓(TMGa)，生长压力在100_500Torr之间，五族元素与三族元素的摩尔比为300:3000条件下，生长第一非故意掺杂GaN层4，其生长模式为3D生长,纵向生长速率远大于横向生长速率,第一非故意掺杂GaN层的大部分在衬底图形间隔的地方生长，且截面是近似梯形。步骤5，所述步骤4结束后，在生长温度为1020 1100 °C，生长压力为100 500Torr之间，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1200:2000的条件下，生长第二非故意掺杂层5，其生长模式为2D生长，此阶段横向速率远大于纵向速率，直至该层完全覆盖图形衬底和第一非故意掺杂层表面完全长平。步骤6，在生长温度在1000 1200°C，生长压力为100 600 Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:3000的条件下生长N型氮化镓层6。步骤7，所述步骤6生长结束后，在生长温度在720 920°C，生长压力为100 600Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:5000的条件下，生长多量子阱结构MQW层7，所述多量子阱结构MQW层7由2 15个周期的InGaN/GaN多量子阱组成，I个周期的InGaN/GaN量子阱厚度在2 5nm之间。步骤8，在生长温度在620 820°C，生长时间为5 35min，压力在50 500Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:5000的条件下生长低温ρ型氮化
镓层8。步骤9，在生长温度在900 1100°C，生长时间为5 15min，生长压力在50 500Torr之间，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1000:20000的条件下，生长P型铝镓氮层层9。步骤10，在生长温度在850 950°C，生长时间为5 30min，压力在100 500Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:5000，氨气的流量为10 40升min的条件下,生长高温ρ型氮化镓层10。综上所述，本发明通过高阻隔离层的插入，一方面可以有效的限制外延层与衬底之间由于晶格失配产生的位错，减少外延层的缺陷密度，提高外延层质量；另一方面，高阻隔离层电阻率高、漏电很小、夹断特性好，在此高阻隔离层的基础上再生长GaN非掺杂层和N型GaN层可获得高的载流子面密度和高的电子迁移率；防止载流子泄漏提高载流子沿正向与空穴复合机率，从而提高氮化镓基LED的发光效率，延长器件寿命。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
1.一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构，其特征在于，所述结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、高阻隔离层、第一非掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、低温P型氮化镓层、P型铝镓氮层层、高温P型氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构，其特征在于，所述衬底为底部为0.5 5um的呈半球形。
3.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构，其特征在于，所述低温氮化镓缓冲层的厚度为20 40nm、第一非掺杂氮化镓层的厚度为0.5 2 μ m、N型氮化镓层的厚度为1.2 4.2 μ m、低温P型氮化镓层的厚度为10 100nm、p型铝镓氮层层的厚度为10 50nm、高温p型氮化镓层的厚度为100 800nm。
4.一种如权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括如下步骤: 步骤1，在氢气或氮气的条件下，净化处理衬底； 步骤2，在净化后的衬底上生长低温氮化镓缓冲层； 步骤3，生长高阻隔离层； 步骤4，生长第一非掺杂氮化镓层； 步骤5，生长第二非掺杂氮化镓层； 步骤6，生长N型氮化镓层； 步骤7，生长多量子阱层； 步骤8，生长低温P型氮化镓层； 步骤9，生长P型铝镓氮层层； 步骤10，生长高温P型氮化镓层。
5.根据权利要求4所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，步骤I中，所述净化处理具体为:在1000 1200°C清洁处理，时间为5 20min。
6.根据权利要求4所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，步骤2中，所述生长的温度为500 600°C，生长压力为400 760Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为500:3200。
7.根据权利要求4所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，步骤3中，所述生长的温度为1000 1200°C，所述高阻隔离层3中铝的摩尔组分含量为5 30%。
8.根据权利要求4所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，步骤4中，所述生长压力为100 500Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:3000o
9.根据权利要求4所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，步骤5中，所述生长温度为1020 1100°C，生长压力为100 500Torr之间，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1200:2000。
10.根据权利要求4所述的提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构的生产方法，其特征在于，步骤6中，所述生长温度在1000 1200°C，生长压力为100 600 Torr，其中生产过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为300:3000。
全文摘要
本发明提供了一种提高氮化镓基发光二极管电子迁移率的结构及其生长方法；所述结构自下而上依次为衬底、低温氮化镓缓冲层、高阻隔离层、第一非掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、低温p型氮化镓层、p型铝镓氮层层、高温p型氮化镓层，本发明还涉及前述结构的生长方法，所述方法包括如下步骤，首先净化处理衬底，然后依次生长低温氮化镓缓冲层、高阻隔离层、第一非掺杂氮化镓层、第二非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、低温p型氮化镓层、p型铝镓氮层层、高温p型氮化镓层。本发明高阻隔离层电阻率高、漏电很小、夹断特性好，从而提高氮化镓基LED的发光效率，延长器件寿命。
文档编号H01L33/14GK103178178SQ20131011849
公开日2013年6月26日 申请日期2013年4月8日 优先权日2013年4月8日
发明者吴礼清, 杨奎, 蒋利民, 郭丽彬 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司