GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片及生长方法
【专利摘要】本申请公开了一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片及生长方法，所述外延片的结构从下至上依次为：衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，在第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在高温N型GaN层上为应力释放层，MQW保护层，P型电子阻挡层，高温P型GaN层，在高温P型GaN层上为接触层，高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20，本发明的优点是：第一，显著提高抗静电能力；第二，有效增强载流子的复合效率；第三，提升LED的内量子效率。
【专利说明】GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片及生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体【技术领域】，涉及一种GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片及生长方法。
【背景技术】
[0002]氮化镓基材料，包括InGaN、GaN, AlGaN合金，为直接带隙半导体，且带隙从1.8-6.2eV连续可调，具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，广泛应用于全彩大屏幕显示，LCD背光源、信号灯、照明等领域。宽带隙的GaN半导体材料具有良好的化学、热稳定性和较高的击穿电压，是继第一代硅材料和第二代砷化镓材料之后的第三代新型半导体材料。其三元合金铟镓氮(InxGagN)的带隙从0.7eV到3.4eV连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的区域。被认为是制造高亮度蓝、绿发光二极管和白光发光二极管理想材料，现已广泛应用于照明、显示屏、背光源、信号灯等领域。
[0003]现有技术中的LED外延片结构如图1所示，在蓝宝石衬底I上生长低温GaN缓冲层2 ;在低温GaN缓冲层2上生长闻温非惨杂GaN层U-GaNl层3 ;在闻温非惨杂GaN层U-GaNl层上生长高温非掺杂GaN缓冲层u-GaN2层4 ;在高温非掺杂GaN缓冲层u_GaN2层4上生长N型GaN层5 ;在N型GaN层5上生长电子储存层6 ;在电子储存层6上生长多量子阱MQW发光层7，在多量子阱MQW发光层7上生长电子阻挡层8 ;在电子阻挡层8上生长高温空穴注入层9 ;在高温空穴注入层9上生长P型接触层10。这种结构生长GaN外延层的衬底常有SiC, S1、蓝宝石等衬底，在这些衬底上异质外延生长GaN外延层，由于晶格适配较大，导致外延层易形成缺陷和引入应力，晶体质量下降，导致LED芯片抗静电能力等光电性能下降，静电失效已成为影响芯片产品良率的一个棘手问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述不足，提供一种GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片，其能够显著提高LED芯片的抗静电能力。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片，其结构从下至上依次为:衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，其特征在于:
[0007]在所述第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在所述AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在所述高温N型GaN层上为应力释放层，在所述应力释放层上为MQff保护层，在所述MQW保护层上为P型电子阻挡层，在所述P型电子阻挡层上为高温P型GaN层，在所述高温P型GaN层上为接触层；其中，
[0008]所述高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5?20;
[0009]所述MQW保护层由第一 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12;
[0010]所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0011]优选地，所述应力释放层为2?6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5?10nm，GaN的厚度在20?50nm。
[0012]优选地，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层的厚度在20?40nm，Al掺杂浓度为1E+19 ?3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0013]一种GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法，依次包括处理衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层的步骤，其特征在于，还包括:
[0014]在所述第二高温非掺杂GaN层上生长AlGaN/GaN超晶格层；
[0015]在所述AlGaN/GaN超晶格层上生长高温N型GaN层；
[0016]在所述高温N型GaN层上生长应力释放层；
[0017]在所述应力释放层上生长MQW保护层；
[0018]在所述MQW保护层上生长P型电子阻挡层；
[0019]在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层；
[0020]在所述高温P型GaN层上生长接触层；其中，
[0021 ] 所述生长高温N型GaN层的步骤包括:周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5?20 ;
[0022]所述生长MQW保护层的步骤包括:周期性生长第一 AlGaN/InGaN超晶格层，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12 ;
[0023]所述生长P型电子阻挡层的步骤包括:低温生长P型AlInGaN,再高温生长第二AlGaN/InGaN超晶格层，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0024]优选地，所述周期性插入SiN掩膜/N型GaN层包括:在1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使順3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20-50s，接着生长10?50nm的N型GaN。
[0025]优选地，所述周期性生长第一 AlGaN/InGaN超晶格层包括:压力控制在300mbar?400mbar，温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层，AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1:1，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12。
[0026]优选地，所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa, NH3> Cp2Mg和TMAl，压力控制在100?500mbar，生长厚度为20?40nm，Al掺杂浓度为 1E+19 ?3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0027]优选地,所述生长应力释放层包括:压力控制在300mbar?400mbar,温度800°C?850°C，生长2?6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5?10nm，GaN的厚度在20?50nm。
[0028]优选地，所述生长AlGaN/GaN超晶格层包括:在温度1000?1100°C，通入TMGa，TMAl和NH3,交替生长AlGaN/GaN超晶格层，AlGaN单层厚度控制在2?5nm，GaN单层厚度控制在2?5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1: 1，周期数目为5-20。
[0029]优选地，所述生长接触层包括:在温度650?680°C，通入TMGa、NH3Xp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar,生长厚度为5?1nm的掺镁InGaN层。
[0030]本发明的有益效果为:
[0031]第一，显著提高抗静电能力，结构上，在高温非掺杂UGaN层上生长非掺杂AlGaN/GaN超晶格层，高温N型GaN层中插入SiN掩膜/GaN超晶格层，AlGaN/GaN超晶格层和SiN掩膜/GaN超晶格插入层能有效地阻挡外延生长中形成的位错和缺陷，阻断缺陷延伸扩大增多，提高晶体质量，减小漏电通道，达到提高LED芯片的抗静电能力。
[0032]第二，有效增强载流子的复合效率，MQff保护层由AlGaN/InGaN超晶格组成，既能起到首次阻挡部分电子泄漏，又能在异质结界面再次加强二维载流子气，提高载流子的复合效率。
[0033]第三，提升LED的内量子效率，P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长P型AlGaN/InGaN超晶格层组成；低温生长的P型AlInGaN协同低温P型GaN层可以降低对MQW的损伤，也能提供部分空穴注入，从而达到提高空穴注入效率，增强抗静电能力；高温生长P型AlGaN/InGaN超晶格层由于其独特异质结结构会形成二维载流子气，提高空穴的迁移率，使得LED内量子效率得到提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0035]图1是现有技术中的LED外延片的结构示意图；
[0036]图2是本发明的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的结构示意图；
[0037]图3是图2所示LED外延片的复合N型GaN层结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0039]实施例1
[0040]请参照图2，本发明的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片，其结构从下至上依次为:衬底11，低温GaN缓冲层12，第一高温非掺杂GaN层13，第二高温非掺杂GaN层14，在所述第二高温非掺杂GaN层14上为AlGaN/GaN超晶格层15，在所述AlGaN/GaN超晶格层15上为高温N型GaN层16，在所述高温N型GaN层16上为应力释放层17，在所述应力释放层17上为MQW保护层18，在所述MQW保护层18上为P型电子阻挡层19，在所述P型电子阻挡层19上为高温P型GaN层20，在所述高温P型GaN层20上为接触层21。
[0041]优选地，所述高温N型GaN层16中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5。
[0042]优选地，所述MQW保护层18由第一 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12。
[0043]优选地，所述P型电子阻挡层19由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0044]本实施例的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法为:
[0045]优选地，将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里，在温度在1000?1100°C条件下，用H2, NH3等气体高温处理蓝宝石衬底4?10分钟。
[0046]优选地，待高温处理完，反应室降温至500?650°C范围内，通入TMGa和NH3,压力控制在300mbar?900mbar,在蓝宝石衬底上生长厚度为20?50nm厚的低温GaN缓冲层12。
[0047]优选地，生长完低温GaN缓冲层12，再升温度至950?1100°C，高温退火60?300s，在衬底上形成GaN晶核。
[0048]优选地，高温退火完毕，温度调至950?1050°C，通入TMGa和NH3，压力控制在3OOmbar?900mbar,在低温GaN缓冲层上生长厚度为0.8?1.5um的第一高温非掺杂GaN层13。
[0049]优选地，再升温度至1000?1100°C,压力控制在300mbar?900mbar,在所述第一高温非掺杂GaN层上生长厚度为2?3um的第二高温非掺杂GaN层14。
[0050]请参照图3，所述第二高温非掺杂GaN层14生长结束后，升温1000?1100°C，通ATMGa7TMAl和NH3，在所述第二高温非掺杂GaN层14上交替生长AlGaN/GaN超晶格层15，图中，151是AlGaN，152是GaN，AlGaN单层厚度控制在2?5nm，GaN单层厚度控制在2?5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1:1，周期数目为5?20。
[0051]优选地，AlGaN/GaN超晶格层15生长结束后，在1000?1100°C，通入TMGa，和NH3,SiH4,在AlGaN/GaN超晶格层15上生长厚度为2?3um的掺Si的N型GaN层16，掺杂浓度控制在5E+18?2E+19atom/cm3，AlGaN/GaN超晶格层15生长周期数为5?20。
[0052]如图3所示，在N型GaN层16生长过程中周期性生长SiN掩膜/GaN超晶格插入层，图中，161是N型GaN，162是SiN掩膜，SiN掩膜的生长条件:温度调至1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20?50s，接着生长10?50nm的GaN，SiN掩膜和N型GaN单层的周期为5?20，最终形成了复合型N型GaN层。
[0053]优选地，N型GaN层16生长结束后，生长2?6个InGaN/GaN应力释放层17，压力300mbar ?400mbar，温度 800°C?850°C条件下，生长掺 InfahN/GaN层，图中，171 是 GaN，InxGapxN厚度控制在0.5?10nm，GaN厚度控制在20?50nm。
[0054]优选地，应力释放层17生长结束后，周期性生长MQW保护层，所述MQW保护层由第一AlGaN/InGaN超晶格层组成，压力控制在300mbar?400mbar，温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层。AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1:1。所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12。
[0055]优选地，所述MQW保护层生长完毕后，再生长一层P型电子阻挡层，所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0056]优选地，所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMA1，压力控制在100?500mbar，该超晶格层的生长厚度为20?40nm，Al 惨杂浓度为 1E+19 ?3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0057]优选地，在P型电子阻挡层19生长完毕后，再生长一层高温P型GaN层20，温度调至 900 ?1050°C，通入 TMGa、NH3、Cp2Mg,生长压力 200mbar ?900mbar，生长 50 ?200nm的P型GaN层，Mg掺杂浓度控制在5E+19?1.5E+20atom/cm3。
[0058]优选地，所述高温P型GaN层20生长完毕后，再生长一层接触层21，包括:温度在650?680°C，通入TMGa、NH3> Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar，生长厚度为5?1nm的低温掺镁InGaN层。
[0059]所述接触层21生长完毕后，降低温度到700_750°C，在氮气气氛下，持续时间20-30分钟，活化P型GaN。
[0060]实施例2
[0061 ] 本实施例的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法为:
[0062]将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里，在温度在1000?1100°C条件下，用H2、NH3等气体高温处理蓝宝石衬底4?10分钟。
[0063]待高温处理完，反应室降温至500?650°C范围内，通入TMGa和NH3,压力控制在3OOmbar?900mbar,在蓝宝石衬底上生长厚度为20?50nm厚的低温GaN缓冲层。
[0064]生长完低温GaN缓冲层，再升温度至950?110(TC，高温退火60?300s，在衬底上形成GaN晶核。
[0065]高温退火完毕，温度调至950?1050°C，通入TMGa和NH3，压力控制在300mbar?900mbar,在低温GaN缓冲层上生长厚度为0.8?1.5um的第一高温非掺杂GaN层。
[0066]再升温度至1000?1100°C,压力控制在300mbar?900mbar,在所述第一高温非掺杂GaN层上生长厚度为2?3um的第二高温非掺杂GaN层。
[0067]所述第二高温非掺杂GaN层生长结束后，升温1000?1100°C，通入TMGa，TMAl和NH3，在所述第二高温非掺杂GaN层上交替生长AlGaN/GaN超晶格层，AlGaN单层厚度控制在2?5nm，GaN单层厚度控制在2?5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1:1，周期数目为20。
[0068]AlGaN/GaN超晶格层生长结束后，在1000?1100°C，通入TMGa，和NH3, SiH4，在AlGaN/GaN超晶格层上生长厚度为2?3um的掺Si的N型GaN层，掺杂浓度控制在5E+18?2E+19atom/cm3。
[0069]在N型GaN层生长过程中周期性生长SiN掩膜/GaN超晶格插入层，SiN掩膜的生长条件:温度调至1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20?50s，接着生长10?50nm的GaN，SiN掩膜和N型GaN单层的周期为20，最终形成了复合型N型GaN层。
[0070]N型GaN层生长结束后，生长6个InGaN/GaN应力释放层，压力300mbar?400mbar，温度800°C?850°C条件下，生长掺InxGahNAiaN层，InxGa1^xN厚度控制在0.5?1nm, x = 0.15-0.25，GaN 厚度控制在 20 ?50nm。
[0071]应力释放层生长结束后，周期性生长MQW保护层，所述MQW保护层由第一 AlGaN/InGaN超晶格层组成，压力控制在300mbar?400mbar，温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层。AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1:1，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3。
[0072]所述MQW保护层生长完毕后，再生长一层P型电子阻挡层，所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0073]所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMA1，压力控制在100?500mbar，该超晶格层的生长厚度为20?40nm，Al掺杂浓度为 3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 lE+20atom/cm3。
[0074]在P型电子阻挡层生长完毕后，再生长一层高温P型GaN层，温度调至900?10500C，通入 TMGa、NH3> Cp2Mg,生长压力 200mbar ?900mbar，生长 50 ?200nm 的 P 型 GaN层，Mg掺杂浓度控制在1.5E+20atom/cm3。
[0075]所述高温P型GaN层生长完毕后，生长接触层，包括:温度在650?680°C，通入TMGa、NH3> Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar，生长厚度为5?1nm的低温掺镁InGaN层。
[0076]实施例3
[0077]本实施例的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法为:
[0078]将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里，在温度在1000?1100°C条件下，用H2、NH3等气体高温处理蓝宝石衬底4?10分钟。
[0079]待高温处理完，反应室降温至500?650°C范围内，通入TMGa和NH3,压力控制在3OOmbar?900mbar,在蓝宝石衬底上生长厚度为20?50nm厚的低温GaN缓冲层。
[0080]生长完低温GaN缓冲层，再升温度至950?110(TC，高温退火60?300s，在衬底上形成GaN晶核。
[0081]高温退火完毕，温度调至950?1050°C，通入TMGa和NH3，压力控制在300mbar?900mbar,在低温GaN缓冲层上生长厚度为0.8?1.5um的第一高温非掺杂GaN层。
[0082]再升温度至1000?1100°C,压力控制在300mbar?900mbar,在所述第一高温非掺杂GaN层上生长厚度为2?3um的第二高温非掺杂GaN层。
[0083]所述第二高温非掺杂GaN层生长结束后，升温1000?1100°C，通入TMGa，TMAl和NH3，在所述第二高温非掺杂GaN层上交替生长AlGaN/GaN超晶格层，AlGaN单层厚度控制在2?5nm，GaN单层厚度控制在2?5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1:1，周期数目为10。
[0084]AlGaN/GaN超晶格层生长结束后，在1000?1100。。，通入TMGa,和NH3, SiH4,在AI GaN/GaN超晶格层上生长厚度为2?3um的掺S i的N型GaN层，掺杂浓度控制在5E+18atom/cm3。
[0085]在N型GaN层生长过程中周期性生长SiN掩膜/GaN超晶格插入层，SiN掩膜的生长条件:温度调至1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20?50s，接着生长10?50nm的GaN，SiN掩膜和N型GaN单层的周期为10,最终形成了复合型N型GaN层。
[0086]N型GaN层生长结束后，生长4个InGaN/GaN应力释放层，压力300mbar?400mbar，温度800°C?850°C条件下，生长掺InxGahNAiaN层，InxGa1^xN厚度控制在0.5?1nm, x = 0.15-0.25，GaN 厚度控制在 20 ?50nm。
[0087]应力释放层生长结束后，周期性生长MQW保护层，所述MQW保护层由第一 AlGaN/InGaN超晶格层组成，压力控制在300mbar?400mbar，温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层。AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1:1，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为12。
[0088]所述MQW保护层生长完毕后，再生长一层P型电子阻挡层，所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0089]所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMA1，压力控制在100?500mbar，该超晶格层的生长厚度为20?40nm，Al掺杂浓度为 lE+19atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0090]在P型电子阻挡层生长完毕后，再生长一层高温P型GaN层，温度调至900?10500C，通入 TMGa、NH3> Cp2Mg,生长压力 200mbar ?900mbar，生长 50 ?200nm 的 P 型 GaN层，Mg掺杂浓度控制在5E+19atom/cm3。
[0091]所述高温P型GaN层生长完毕后，生长接触层，包括:温度在650?680°C，通入TMGa、NH3> Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar，生长厚度为5?1nm的低温掺镁InGaN层。
[0092]实施例4
[0093]本实施例的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法为:
[0094]将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里，在温度在1000?1100°C条件下，用H2、NH3等气体高温处理蓝宝石衬底4?10分钟。
[0095]待高温处理完，反应室降温至500?650°C范围内，通入TMGa和NH3,压力控制在3OOmbar?900mbar,在蓝宝石衬底上生长厚度为20?50nm厚的低温GaN缓冲层。
[0096]生长完低温GaN缓冲层，再升温度至950?110(TC，高温退火60?300s，在衬底上形成GaN晶核。
[0097]高温退火完毕，温度调至950?1050°C，通入TMGa和NH3，压力控制在300mbar?900mbar,在低温GaN缓冲层上生长厚度为1.5um的第一高温非掺杂GaN层。
[0098]再升温度至1000?1100°C,压力控制在300mbar?900mbar,在所述第一高温非掺杂GaN层上生长厚度为3um的第二高温非掺杂GaN层。
[0099]所述第二高温非掺杂GaN层生长结束后，升温1000?1100°C，通入TMGa，TMAl和NH3，在所述第二高温非掺杂GaN层上交替生长AlGaN/GaN超晶格层，AlGaN单层厚度控制在2?5nm，GaN单层厚度控制在2?5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1:1，周期数目为17。
[0100]AlGaN/GaN超晶格层生长结束后，在1000?1100°C，通入TMGa，和NH3, SiH4，在AlGaN/GaN超晶格层上生长厚度为2?3um的掺Si的N型GaN层，掺杂浓度控制在5E+18?2E+19atom/cm3。
[0101]在N型GaN层生长过程中周期性生长SiN掩膜/GaN超晶格插入层，SiN掩膜的生长条件:温度调至1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20?50s，接着生长10?50nm的GaN，SiN掩膜和N型GaN单层的周期为19,最终形成了复合型N型GaN层。
[0102]N型GaN层生长结束后，生长6个InGaN/GaN应力释放层，压力300mbar?400mbar，温度800°C?850°C条件下，生长掺Ιηχ6&1_χΝΑ^ιΝ层，InxGa1^xN厚度控制在0.5?1nm, χ = 0.15-0.25，GaN 厚度控制在 20 ?50nm。
[0103]应力释放层生长结束后，周期性生长MQW保护层，所述MQW保护层由第一 AlGaN/InGaN超晶格层组成，压力控制在300mbar?400mbar，温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层。AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1:1，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为9。
[0104]所述MQW保护层生长完毕后，再生长一层P型电子阻挡层，所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0105]所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMAl，压力控制在100?500mbar，该超晶格层的生长厚度为40nm，Al掺杂浓度为1E+19 ?3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0106]在P型电子阻挡层生长完毕后，再生长一层高温P型GaN层，温度调至900?10500C，通入 TMGa、NH3> Cp2Mg,生长压力 200mbar ?900mbar，生长 50 ?200nm 的 P 型 GaN层，Mg掺杂浓度控制在5E+19?1.5E+20atom/cm3。
[0107]所述高温P型GaN层生长完毕后，生长接触层，包括:温度在650?680°C，通入TMGa、NH3> Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar，生长厚度为5?1nm的低温掺镁InGaN层。
[0108]实施例5
[0109]本实施例的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法为:
[0110]优选地，将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里，在温度在1000?1100°C条件下，用H2, NH3等气体高温处理蓝宝石衬底4?10分钟。
[0111]优选地，待高温处理完，反应室降温至500?650°C范围内，通入TMGa和NH3，压力控制在300mbar?900mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为35nm厚的低温GaN缓冲层。
[0112]优选地，生长完低温GaN缓冲层，再升温度至950?1100°C，高温退火60?300s，在衬底上形成GaN晶核。
[0113]优选地，高温退火完毕，温度调至950?1050°C，通入TMGa和NH3，压力控制在3OOmbar?900mbar,在低温GaN缓冲层上生长厚度为1.3um的第一高温非掺杂GaN层。
[0114]优选地,再升温度至1000?1100°C,压力控制在300mbar?900mbar,在所述第一高温非掺杂GaN层上生长厚度为2.3um的第二高温非掺杂GaN层。
[0115]所述第二高温非掺杂GaN层生长结束后，升温1000?1100°C，通入TMGa，TMAl和NH3,在所述第二高温非掺杂GaN层上交替生长AlGaN/GaN超晶格层，周期数目为15。
[0116]优选地，AlGaN/GaN超晶格层生长结束后，在1000?1100°C，通入TMGa，和NH3,SiH4,在AlGaN/GaN超晶格层上生长厚度为2.3um的掺Si的N型GaN层，掺杂浓度控制在5E+18?2E+19atom/cm3，AlGaN/GaN超晶格层生长周期数为11。
[0117]在N型GaN层生长过程中周期性生长SiN掩膜/GaN超晶格插入层，SiN掩膜的生长条件:温度调至1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20?50s，接着生长45nm的GaN，SiN掩膜和N型GaN单层的周期为11，最终形成了复合型N型GaN层。
[0118]优选地，N型GaN层生长结束后，生长3个InGaN/GaN应力释放层，压力300mbar?400mbar，温度 800°C?850°C条件下，生长掺 InxGahNAiaN 层。
[0119]优选地，应力释放层生长结束后，周期性生长MQW保护层，所述MQW保护层由第一AlGaN/InGaN超晶格层组成，压力控制在300mbar?400mbar，温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层。AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1: 1，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为10。
[0120]优选地，所述MQW保护层生长完毕后，再生长一层P型电子阻挡层，所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
[0121]优选地，所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMAl，压力控制在100?500mbar，该超晶格层的生长厚度为35nm，Al掺杂浓度为 1E+19 ?3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0122]优选地，在P型电子阻挡层生长完毕后，再生长一层高温P型GaN层，温度调至900 ?1050°C，通入 TMGa、NH3> Cp2Mg,生长压力 200mbar ?900mbar，生长 69nm 的 P 型 GaN层，Mg掺杂浓度控制在5E+19?1.5E+20atom/cm3。
[0123]优选地，所述高温P型GaN层生长完毕后，再生长一层接触层，包括:温度在650?6800C，通入TMGa、NH3> Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar，生长厚度为8nm的低温掺镁InGaN层。
[0124]本发明的有益效果为:
[0125]第一，显著提高抗静电能力，结构上，在高温非掺杂UGaN层上生长非掺杂AlGaN/GaN超晶格层，高温N型GaN层中插入SiN掩膜/GaN超晶格层，AlGaN/GaN超晶格层和SiN掩膜/GaN超晶格插入层能有效地阻挡外延生长中形成的位错和缺陷，阻断缺陷延伸扩大增多，提高晶体质量，减小漏电通道，达到提高LED芯片的抗静电能力。
[0126]第二，有效增强载流子的复合效率，MQff保护层由AlGaN/InGaN超晶格组成，既能起到首次阻挡部分电子泄漏，又能在异质结界面再次加强二维载流子气，提高载流子的复合效率。
[0127]第三，提升LED内的量子效率，P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长P型AlGaN/InGaN超晶格层组成；低温生长的P型AlInGaN协同低温P型GaN层可以降低对MQW的损伤，也能提供部分空穴注入，从而达到提高空穴注入效率，增强抗静电能力；高温生长P型AlGaN/InGaN超晶格层由于其独特异质结结构会形成二维载流子气，提高空穴的迁移率，使得LED内量子效率得到提高。
[0128]上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1.一种GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片，其结构从下至上依次为:衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，其特征在于: 在所述第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在所述AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在所述高温N型GaN层上为应力释放层，在所述应力释放层上为MQW保护层，在所述MQW保护层上为P型电子阻挡层，在所述P型电子阻挡层上为高温P型GaN层，在所述高温P型GaN层上为接触层；其中， 所述高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5?20 ; 所述MQW保护层由第一 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12 ; 所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二 AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
2.根据权利要求1所述的GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片，其特征在于:所述应力释放层为2?6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5?10nm，GaN的厚度在20?50nmo
3.根据权利要求2所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片，其特征在于:所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层的厚度在20?40nm，Al掺杂浓度为1E+19?3E+20atom/cm3，Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
4.一种GaN基II1- V族化合物半导体LED外延片的生长方法，依次包括处理衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层的步骤，其特征在于，还包括: 在所述第二高温非掺杂GaN层上生长AlGaN/GaN超晶格层； 在所述AlGaN/GaN超晶格层上生长高温N型GaN层； 在所述高温N型GaN层上生长应力释放层； 在所述应力释放层上生长MQW保护层； 在所述MQW保护层上生长P型电子阻挡层； 在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层； 在所述高温P型GaN层上生长接触层；其中， 所述生长高温N型GaN层的步骤包括:周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5?20 ; 所述生长MQW保护层的步骤包括:周期性生长第一 AlGaN/InGaN超晶格层，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12 ; 所述生长P型电子阻挡层的步骤包括:低温生长P型Al InGaN,再高温生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层，所述第二 AlGaN/InGaN超晶格层为P型。
5.根据权利要求4所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片的生长方法，其特征在于，所述周期性插入SiN掩膜/N型GaN层包括:在1000?1100°C，通入NH3和SiH4,使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20-50s，接着生长10?50nm的N型GaN。
6.根据权利要求5所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片的生长方法，其特征在于，所述周期性生长第一 AlGaN/InGaN超晶格层包括:压力控制在300mbar?400mbar,温度为800?850°C生长厚度为I?5nm的AlGaN层，温度为800?850°C生长厚度为l_5nm的InGaN层，AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1: 1，所述第一 AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3?12。
7.根据权利要求6所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片的生长方法，其特征在于，所述生长第二 AlGaN/InGaN超晶格层包括:温度调至780?950°C，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMAl，压力控制在100?500mbar，生长厚度为20?40nm，Al掺杂浓度为1E+19?3E+20atom/cm3, Mg 惨杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
8.根据权利要求7所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片的生长方法，其特征在于，所述生长应力释放层包括:压力控制在300mbar?400mbar，温度800°C?850°C，生长2?6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5?10nm，GaN的厚度在20?50nm。
9.根据权利要求8所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片的生长方法，其特征在于，所述生长AlGaN/GaN超晶格层包括:在温度1000?1100°C，通入TMGa，TMAl和NH3,交替生长AlGaN/GaN超晶格层，AlGaN单层厚度控制在2?5nm，GaN单层厚度控制在2?5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1: 1，周期数目为5-20。
10.根据权利要求9所述的GaN基II1-V族化合物半导体LED外延片的生长方法，其特征在于，所述生长接触层包括:在温度650?680°C，通入TMGa、NH3> Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300?500mbar,生长厚度为5?1nm的掺镁InGaN层。
【文档编号】H01L33/06GK104409586SQ201410640054
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】马欢, 田艳红, 牛凤娟 申请人:湘能华磊光电股份有限公司