一种LED外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种led外延结构及其制备方法。

背景技术：

半导体led具有寿命长、耗能少、体积小、响应快、绿色环保等突出的优点，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，被称为第四代照明光源或绿色光源，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次标志性飞跃。在通用照明、显示、背光等领域已经得到广泛的应用。随着led产业的发展，以及在商业照明、舞台灯、特殊照明、汽车头灯等高端大功率器件上的应用，对led的发光效率、抗静电性能和稳定性提出了更高的要求。

技术实现要素：

本发明涉及一种led外延结构及其制备方法，提出了gan型led中非掺杂层的新结构，可以有效提高led外延片的晶体质量，提升led的发光效率、抗静电能力以及抗老化能力。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种led外延结构的制备方法，包含以下过程：

步骤一、在衬底上生长缓冲层；

步骤二、在缓冲层上生长非掺杂层；所述非掺杂层包含有多周期结构，每个周期进一步包含低温生长的ltgan层，以及高温生长的第一htgan层、algan层、第二htgan层；

步骤三、在所述非掺杂层上生长n型层；

步骤四、在所述n型层生长结束后，生长多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1；

步骤五、在所述多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1生长结束后，生长发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2；

步骤六、在所述发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2生长结束后，生长p型电子阻挡层；

步骤七、在所述p型电子阻挡层上生长p-gan层。

可选地，在步骤二中，所述非掺杂层的多周期结构的周期数大于3；

所述ltgan层的生长温度为750～950℃，载气为氢气和氮气，氢气和氮气的摩尔比为0～0.6，以氮气为主；厚度为60nm～1μm；生长成粗糙的三维岛状形貌；

生长完ltgan层之后，生长温度从750～950℃升到950～1200℃，载气为氢气和氮气，氮气和氢气的摩尔比为0.05～0.6，以氢气为主，在升温退火过程中，去除掉结晶质量差的部分；

所述第一htgan层、algan层、第二htgan层的组合，生长温度为950～1200℃，载气为氢气和氮气，氮气和氢气的摩尔比为0.05～0.6，以氢气为主；该组合的厚度为120nm～1.5μm；algan层的厚度为10nm～150nm；生长模式从三维岛状生长过渡到二维侧向生长。

可选地，在步骤二中，所述非掺杂层的生长温度在750～1200℃，反应腔压力100～600torr，所述非掺杂层整体的生长厚度为2.0～4.0um；所述非掺杂层是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层；

所述非掺杂层还包含在缓冲层上生长的第一非掺杂结构，所述多周期结构生长在所述第一非掺杂结构上。

可选地，在步骤一中的衬底是蓝宝石、gan、aln、si、sic中的任意一种或这些衬底的复合衬底；

所述缓冲层的生长温度500～900℃，反应腔压力100～600torr，生长厚度为10～40nm，其材料是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层。

可选地，在步骤三中n型层的生长温度在1000～1200℃之间，反应腔压力100～400torr，该n型层的生长厚度为2～4um，其材料是gan，algan、alingan中的任意一种或这几种材料的复合层，n型层中的si掺杂浓度在1.5e19atoms/cm³-3e19atoms/cm³之间。

可选地，在步骤四中的多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1中，周期数n1大于15；x是0～0.2；生长温度在700～900℃之间；每一周期中，gan的厚度为1.0～3.0nm，inyga1-yn势阱的厚度为1.0～3.0nm。

可选地，步骤五中的发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2中，周期数n2在8～12之间；a是0～0.3；生长温度在700～900℃之间；势阱的厚度为3.0～4.0nm，势垒的厚度为4～6nm。

可选地，在步骤六中的p型电子阻挡层，是palgan、palingan、pingan的单层或组合及其超晶格结构；所述p型电子阻挡层的总厚度在30～70nm之间；其中的mg掺杂浓度为2e19atoms/cm³～1.5e20atoms/cm³。

可选地，步骤七中的p-gan层的总厚度为40～80nm，其中的mg掺杂浓度为5e19atoms/cm³～1.5e21atoms/cm³。

本发明的另一个技术方案是提供一种led外延结构，从下到上包含：衬底、缓冲层、非掺杂层、n型层、多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1、发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2、p型电子阻挡层、p-gan层；

所述非掺杂层包含有多周期结构，周期数大于3，每个周期进一步包含低温生长的ltgan层，以及高温生长的第一htgan层、algan层、第二htgan层。

可选地，所述非掺杂层总的厚度为2.0～4.0um；所述非掺杂层是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层；

所述非掺杂层还包含在缓冲层上生长的第一非掺杂结构，所述多周期结构生长在所述第一非掺杂结构上；所述ltgan层的厚度为60nm～1μm；所述第一htgan层、algan层、第二htgan层的组合的厚度为120nm～1.5μm；algan层的厚度为10nm～150nm。

可选地，所述衬底是蓝宝石、gan、aln、si、sic中的任意一种或这些衬底的复合衬底。

可选地，所述缓冲层的材料是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层。

可选地，所述n型层的厚度为2～4um，其材料是gan，algan、alingan中的任意一种或这几种材料的复合层，n型层中的si掺杂浓度在1.5e19atoms/cm³-3e19atoms/cm³之间。

可选地，所述多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1中，周期数n1大于15；x是0～0.2；每一周期中，gan的厚度为1.0～3.0nm，inyga1-yn势阱的厚度为1.0～3.0nm。

可选地，所述发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2中，周期数n2在8～12之间；a是0～0.3；势阱的厚度为3.0～4.0nm，势垒的厚度为4～6nm。

可选地，所述p型电子阻挡层，是palgan、palingan、pingan的单层或组合及其超晶格结构；所述p型电子阻挡层的总厚度在30～70nm之间；其中的mg掺杂浓度为2e19atoms/cm³～1.5e20atoms/cm³。

可选地，所述p-gan层的总厚度为40～80nm，其中的mg掺杂浓度为5e19atoms/cm³～1.5e21atoms/cm³。

本发明提供一种led外延结构及其制备方法。所述led外延结构从下到上的顺序依次包括：衬底、缓冲层、非掺杂层、n型层，多周期应力调节层、量子阱发光层、电子阻挡层、p型层。所述的非掺杂层包括低温生长的ltgan和高温生长的htgan/algan/htgan组成的多周期结构，这种结构可以有效提高led外延片的晶体质量，提升led的发光效率、抗静电能力以及抗老化能力。

附图说明

图1是在衬底上生长缓冲层的示意图；

图2是生长非掺杂层的示意图；

图3是生长n型层的示意图；

图4是生长多周期应力调节结构的示意图；

图5是生长发光层多周期量子阱结构的示意图；

图6是生长p型电子阻挡层(ebl)的示意图；

图7是生长p-gan层的示意图。

具体实施方式

本发明所述led外延结构的制备方法，包含以下的工艺步骤：

步骤一、在衬底上生长缓冲层；

步骤二、在缓冲层上生长非掺杂层；

步骤三、在非掺杂层上，生长n型层；

步骤四、n型层结束后，生长多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1；

步骤五、多周期应力调节结构生长结束后，生长发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2；

步骤六、发光层多周期量子阱结构(发光量子阱)长完后，继续生长p型电子阻挡层(ebl)；

步骤七、最后生长p-gan层。

如图1所示，步骤一是在衬底上生长缓冲层。所述衬底可以是蓝宝石、gan、aln、si、sic中的任意一种或这些衬底的复合衬底。

所述缓冲层生长温度500～900℃，反应腔压力100～600torr，生长厚度约为10～40nm，其材料可以是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层。

如图2所示，步骤二是在缓冲层上生长非掺杂层。所述非掺杂层生长温度在750～1200℃，反应腔压力100～600torr，生长厚度为2.0～4.0um，其材料可以是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层。

其中，所述非掺杂层包括第一非掺杂结构，其材料可以是gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层。所述非掺杂层中还包括生长在第一非掺杂结构上的多周期结构，所述多周期结构的每一周期包含低温生长的ltgan和高温生长的htgan/algan/htgan，其中的周期数大于3(本例中lt为lowtemperature的简写，ht为hightemperature的简写；ltgan、htgan可以分别使用gan，algan，alingan中的任意一种或这些材料的复合层)。

所述非掺杂层中低温生长的ltgan，生长温度为750～950℃，载气为氢气和氮气，氢气和氮气和摩尔比为0～0.6，以氮气为主；厚度为60nm～1μm；生长成比较粗糙的三维岛状形貌。

所述非掺杂层，生长完低温ltgan，生长温度从750～950℃升到950～1200℃，载气为氢气和氮气，氮气和氢气和摩尔比为0.05～0.6，以氢气为主，在升温退火过程中，去除掉结晶质量比较差的部分。

所述非掺杂层中高温生长的htgan/algan/htgan，生长温度为950～1200℃，载气为氢气和氮气，氮气和氢气和摩尔比为0.05～0.6，以氢气为主；厚度为120nm～1.5μm；其中在htgan中插入一层10nm～150nm的algan；生长模式从三维岛状生长过渡到二维侧向生长，位错发生拐弯或者湮灭，同时插入algan进一步过滤位错。

如图3所示，步骤三是在非掺杂层上生长n型层。所述n型层是一n型掺杂层，生长温度在1000～1200℃之间，反应腔压力100～400torr，总生长厚度为2～4um，其材料可以是gan，algan、alingan中的任意一种或这几种材料的复合层，n型层si掺杂浓度在1.5e19atoms/cm³-3e19atoms/cm³之间。

如图4所示，步骤四是n型层结束后，生长多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1。示例地，在所述多周期应力调节结构(gan/inxga1-xn)n1中，周期数n1大于15。in的组分x可以是0～0.2。gan的厚度为1.0～3.0nm，inyga1-yn势阱的厚度为1.0～3.0nm。生长温度在700～900℃之间。

如图5所示，步骤五是生长发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n2。示例地，所述发光层多周期量子阱结构中，in的组分a可以是0～0.3。势阱的厚度为3.0～4.0nm，势垒的厚度为4～6nm。周期数n2在8～12。生长温度在700～900℃之间。

如图6所示，步骤六是生长p型电子阻挡层(ebl)。示例地，所述p型电子阻挡层，可以是palgan、palingan、pingan的单层或组合及其超晶格等结构。p型电子阻挡层的总厚度在30～70nm之间。mg掺杂浓度为2e19atoms/cm³～1.5e20atoms/cm³。

如图7所示，步骤七是生长p-gan层。示例地，mg掺杂浓度可以为5e19atoms/cm³～1.5e21atoms/cm³。所述p-gan层的厚度为40～80nm。

通过上述方法制备的led外延结构，从下到上依次包含：衬底、缓冲层、非掺杂层、n型层、多周期应力调节结构(gan/inaga1-an)n、发光层多周期量子阱结构(gan/inaga1-an)n、电子阻挡层、p型层(p-gan层)。

所述非掺杂层包括低温生长的ltgan和高温生长的htgan/algan/htgan组成的多周期结构，可以有效提高led外延片的晶体质量，提升led的发光效率、抗静电能力以及抗老化能力。

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。