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CN103560187B - 含有超晶格势垒层的led结构外延生长方法及其结构 - Google Patents

含有超晶格势垒层的led结构外延生长方法及其结构 Download PDF

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CN103560187B CN201310574237.6A CN201310574237A CN103560187B CN 103560187 B CN103560187 B CN 103560187B CN 201310574237 A CN201310574237 A CN 201310574237A CN 103560187 B CN103560187 B CN 103560187B
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Abstract

本发明提供了一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法及其结构，生长发光层MQW层中生长GaN：Si/GaN超晶格势垒层的步骤为：停止通入In离子，升高温度至800‑850℃，通入SiH4，反应室内InxGa（1‑x）N层上生长GaN：Si层，停止通入SiH4，反应室内GaN：Si层上生长GaN层，GaN层和GaN：Si层相互交错形成GaN：Si/GaN超晶格势垒层；SiH4通入和停止通入的时间比例为6:1‑1:6。本发明将原本不掺杂Si的发光层GaN势垒层用GaN/GaN：Si的超晶格层取代，不影响器件的漏电和发光强度的前提下，将发光层的阻值降低，使得器件的驱动电压下降。

Description

含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法及其结构
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域，特别地，涉及一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法及其结构。
背景技术
目前国内MOCVD厂家在生长LED外延层时，传统的结构都包含N层、发光层、P层，N层采用SiH4作为掺杂剂，P层采取Cp2Mg作为掺杂剂，发光层是由InGaN/GaN超晶格材料组成，这三大部分的阻抗分别是：R发光层>RP层>RN层。由于发光层InGaN、GaN材料都是不添加掺杂剂的，并且总厚度一般为200-300nm，所以这一层的阻抗相对掺杂N、P层阻值高。
而LED器件是采用横流驱动的，发光层阻抗高带来的负面影响是LED驱动电压升高。如果将发光层变成N型或P型，发光层的阻抗可以下降，但是会影响发光层中的电子和空穴复合效率，并且发光层掺杂浓度过高将导致器件不能工作。为了降低发光层的阻抗，目前比较传统的做法是降低发光层的厚度，但损失了器件的发光效率；或者将发光层一段掺杂Si或者Mg，降低阻抗，负面影响是电子和空穴的复合效率不高。
发明内容
本发明目的在于提供一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法及其结构，以解决发光层阻抗高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，
所述生长发光层MQW层的步骤为：
在温度为750-850℃、200mbar到400mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，通入In离子、NH3和Ga离子，生长掺杂In的3-3.5nm厚度的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25，In掺杂浓度2E+20-3E+20个/cm3，
其中，生长GaN：Si/GaN超晶格势垒层的步骤为：
停止通入In离子，升高温度至800-850℃，通入SiH4，反应室内InxGa(1-x)N层上生长GaN：Si层，停止通入SiH4，反应室内GaN：Si层上生长GaN层；
反复通入SiH4和停止通入SiH4，GaN层和GaN：Si层相互交错形成GaN：Si/GaN超晶格势垒层；SiH4通入和停止通入的时间比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E+17-6E+17个/cm3，GaN：Si/GaN超晶格势垒层的周期数为1-7；
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)周期数为14-15。
优选地，所述生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层的步骤为：
生长低温缓冲GaN层：在600-650℃的反应室内，在衬底上生长厚度为30-40nm的低温缓冲GaN层；
生长不掺杂GaN层：升高温度到1100-1200℃，持续生长厚度为2-3um的不掺杂GaN层；
生长掺Si的GaN层：持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为9E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在2-3μm。
优选地，生长P型AlGaN层、生长P型GaN层的步骤为：
生长P型AlGaN层：在930-980℃的反应室内持续生长厚度为30-40nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度为5E+19-6E+19个/cm3；
生长P型GaN层：升高温度到930-950℃持续生长厚度为100-150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
本发明还提供了一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，在发光层MQW中包括InxGa(1-x)N层和GaN：Si/GaN超晶格势垒层：
每个GaN：Si/GaN超晶格势垒层包含1-7个双层组合单元，每个组合单元包含一个GaN：Si层和一个GaN层，GaN：Si层和GaN层的厚度比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E+17-6E+17个/cm3；
在第一个GaN：Si/GaN超晶格势垒层的双层组合单元中，GaN层位于GaN：Si层之上；
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)的周期数为14-15。
优选地，发光层MQW中的InGaN层厚度为2.5-3nm，GaN：Si/GaN超晶格势垒层的厚度为11-13nm。
优选地，在发光层MQW层之下，从下至上依次包括：
衬底；
低温缓冲GaN层：厚度为30-40nm；
不掺杂GaN层：厚度为2-3um；
掺Si的GaN层：Si的掺杂浓度为9E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在2-3μm。
优选地，在发光层MQW层之上，从下至上依次包括：
P型AlGaN层：厚度为30-40nm，Al的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度5E+19-6E+19个/cm3；
P型GaN层：厚度为100-150nm，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
优选地，在每个所述双层组合单元中：GaN：Si层在GaN层之下。
本发明具有以下有益效果：
本发明将原本不掺杂Si的发光层GaN势垒层用GaN/GaN：Si的超晶格层取代，将发光层的阻值降低，使得器件的驱动电压下降，但同时不影响器件的漏电和发光强度。
GaN/GaN：Si交错的双层结构超晶格层优势在于部分层含Si，部分层不含Si，避免整个势垒全部掺杂Si导致器件漏电的问题，也避免了发光层的阻值过高影响器件驱动电压的劣势。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有的LED外延结构示意图；
图2是本发明优选实施例的LED外延结构示意图；
图3是现有的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图；
图4是本发明优选实施例的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图；
图5是本发明优选实施例和对比实施例的芯片亮度对比示意图；
图6是本发明优选实施例和对比实施例的芯片漏电情况对比示意图；
图7是本发明优选实施例和对比实施例的驱动电压对比示意图；
其中，1、衬底，2、低温缓冲GaN层，3、不掺杂GaN层，4、掺Si的GaN层，5、发光层MQW层，6、InxGa(1-x)N层；7、GaN：Si/GaN超晶格势垒层，8、P型AlGaN层，9、P型GaN层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图2，本发明提供了一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，
所述生长发光层MQW层的步骤为：
在温度为750-850℃、200mbar到400mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，通入In离子、NH3和Ga离子，生长掺杂In的3-3.5nm厚度的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25，In掺杂浓度2E+20-3E+20个/cm3，
其中，生长GaN：Si/GaN超晶格势垒层的步骤为：
停止通入In离子，升高温度至800-850℃，通入SiH4，反应室内InxGa(1-x)N层上生长GaN：Si层，停止通入SiH4，反应室内GaN：Si层上生长GaN层。
反复通入SiH4和停止通入SiH4，GaN层和GaN：Si层相互交错形成GaN：Si/GaN超晶格势垒层；SiH4通入和停止通入的时间比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E+17-6E+17个/cm3，GaN：Si/GaN超晶格势垒层的周期数为1-7；
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)周期数为14-15。
本发明用GaN/GaN：Si的超晶格层取代传统的不掺杂Si的发光层GaN势垒层，将发光层的阻值降低，使得器件的驱动电压下降，但同时不影响器件的漏电和发光强度。
以下分别说明采用以现有传统方法制备样品1的对比实施例一，和采用本发明生长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品1和样品2进行性能检测比较。
对比实施例一、
1、在1100-1200℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-6分钟；
2、降温至600-650℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-40nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1100-1200℃下，持续生长2-3um的不掺杂GaN；
4、然后持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为9E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在2-3μm；
5、周期性生长发光层MQW，低温700-750℃生长掺杂In的3-3.5nm厚度的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，高温800-850℃生长10-14nm厚度的GaN层，InxGa(1-x)N/GaN周期数为14-15；
6、再升高温度到950-1000℃持续生长30-40nm厚度的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度为5E+19-6E+19个/cm3；
7、再升高温度到930-950℃持续生长100-150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3；
8、最后降温至700-750℃，保温20-30min，接着炉内冷却，得到样品1。
样品1的结构可参见图1所示，其能带图见图3所示。其中，上方曲线为GaN导带能级，中间虚线为GaN费米能级；下方曲线为GaN价带能级，A、B点分别表示GaN层、InGaN层。
实施例一、
本发明运用VEECO MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)，衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在100mbar到800mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图2，第5步能带请参考图4)：
1、在1100-1200℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-6分钟；
2、降温至600-650℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-40nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1100-1200℃下，持续生长2-3um的不掺杂GaN；
4、然后持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为9E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在2-3μm；
5、周期性生长发光层MQW，低温700-750℃生长掺杂In的3-3.5nm厚度的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3；
高温800-850℃生长10-14nm厚度的GaN：Si/GaN超晶格层：停止通入In离子，升高温度至800-850℃，通入SiH4，反应室内InxGa(1-x)N层上生长GaN：Si层，停止通入SiH4，反应室内GaN：Si层上生长GaN层。
反复通入SiH4和停止通入SiH4，GaN层和GaN：Si层相互交错形成GaN：Si/GaN超晶格势垒层；SiH4通入和停止通入的时间比例为6:1-1:6，则生长出的GaN：Si层和GaN层的厚度比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E+17-6E+17个/cm3，GaN：Si/GaN超晶格势垒层的周期数为1-7；
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)的周期数为14-15；
6、再升高温度到950-1000℃持续生长30-40nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为
2E+20-3E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度为5E+19-6E+19个/cm3；
7、再升高温度到930-950℃持续生长100-150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3；
8、最后降温至700-750℃，保温20-30min，接着炉内冷却；得到样品2。
样品2的结构可参见图2所示，其能带图见图4所示。其中，上方曲线为GaN导带能级，中间虚线为GaN费米能级；下方曲线为GaN价带能级，D、E、F点分别表示GaN层、InGaN层、GaN：Si层；GaN层、GaN：Si层为发光层GaN/GaN：Si超晶格层的双层复合结构。
参照实施例一的方法，继续生成样品3和样品4，其工艺条件的差别请参见下表1至表3。
表1样品1与样品2生长参数的对比
表2样品1与样品3生长参数的对比
表3生长参数的对比
样品1和样品2、3、4在相同的前工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约200nm，相同的条件下镀保护层SiO2约50nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mi*30mil)的芯片颗粒，然后在相同位置挑选样品1和样品2、3、4各自150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2、3、4的光电性能。
参考附图5，样品2、3、4较样品1光效提升效果不明显；参考附图6，样品2、3、4较样品1的漏电情况变化不大；参考附图7，样品2、3、4较样品1的驱动电压下降约0.15-0.2v，效果突出。
本发明还提供了一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，参见图2，在发光层MQW层5中包括InxGa(1-x)N层6和GaN：Si/GaN超晶格势垒层7：
每个GaN：Si/GaN超晶格势垒层7包含1-7个双层组合单元，每个组合单元包含一个GaN：Si层和一个GaN层，GaN：Si层和GaN层的厚度比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E+17-6E+17个/cm3，
在第一个GaN：Si/GaN超晶格势垒层7的双层组合单元中，GaN层位于GaN：Si层之上。
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)的周期数为14-15。
优选地，发光层MQW中的InGaN层厚度可为2.5-3nm，GaN：Si/GaN超晶格势垒层7的厚度为11-13nm。
优选地，在发光层MQW层5之下，从下至上依次包括：
衬底1；
低温缓冲GaN层2：厚度为30-40nm；
不掺杂GaN层3：厚度为2-3um；
掺Si的GaN层4：Si的掺杂浓度为9E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在2-3μm。
优选地，在发光层MQW层5之上，从下至上依次包括：
P型AlGaN层8：厚度为30-40nm，Al的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度5E+19-6E+19个/cm3；
P型GaN层9：厚度为100-150nm，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
优选地，在每个所述双层组合单元中：GaN：Si层在GaN层之下。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其特征在于，
所述发光层MQW中包括InxGa(1-x)N层和GaN：Si/GaN超晶格势垒层，生长发光层MQW层的步骤为：
在温度为750-850℃、200mbar到400mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，通入In离子、NH3和Ga离子，生长掺杂In的3-3.5nm厚度的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.15-0.25，In掺杂浓度2E20-3E20个/cm3，
其中，生长GaN：Si/GaN超晶格势垒层的步骤为：
停止通入In离子，升高温度至800-850℃，通入SiH4，反应室内InxGa(1-x)N层上生长GaN：Si层，停止通入SiH4，反应室内GaN：Si层上生长GaN层；
反复通入SiH4和停止通入SiH4，GaN层和GaN：Si层相互交错形成GaN：Si/GaN超晶格势垒层；SiH4通入和停止通入的时间比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E17-6E17个/cm3，GaN：Si/GaN超晶格势垒层的周期数为1-7；
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)周期数为14-15。
2.根据权利要求1所述的一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层的步骤为：
生长低温缓冲GaN层：在600-650℃的反应室内，在衬底上生长厚度为30-40nm的低温缓冲GaN层；
生长不掺杂GaN层：升高温度到1100-1200℃，持续生长厚度为2-3um的不掺杂GaN层；
生长掺Si的GaN层：持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为9E18-1E19个/cm3，总厚度控制在2-3μm。
3.根据权利要求1所述的一种含有超晶格势垒层的LED结构外延生长方法，其特征在于，生长P型AlGaN层、生长P型GaN层的步骤为：
生长P型AlGaN层：在930-980℃的反应室内持续生长厚度为30-40nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为2E20-3E20个/cm3，Mg的掺杂浓度为5E19-6E19个/cm3；
生长P型GaN层：升高温度到930-950℃持续生长厚度为100-150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20个/cm3。
4.一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，其特征在于，在发光层MQW中包括InxGa(1-x)N层和GaN：Si/GaN超晶格势垒层：
每个GaN：Si/GaN超晶格势垒层包含1-7个双层组合单元，每个组合单元包含一个GaN：Si层和一个GaN层，GaN：Si层和GaN层的厚度比例为6:1-1:6，Si的掺杂浓度1E17-6E17个/cm3；
在第一个GaN：Si/GaN超晶格势垒层的双层组合单元中，GaN层位于GaN：Si层之上；
InxGa(1-x)N/(GaN：Si/GaN)的周期数为14-15。
5.根据权利要求4所述的一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，其特征在于，发光层MQW中的InGaN层厚度为2.5-3nm，GaN：Si/GaN超晶格势垒层的厚度为11-13nm。
6.根据权利要求4所述的一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，其特征在于，在发光层MQW层之下，从下至上依次包括：
衬底；
低温缓冲GaN层：厚度为30-40nm；
不掺杂GaN层：厚度为2-3um；
掺Si的GaN层：Si的掺杂浓度为9E18-1E19个/cm3，总厚度控制在2-3μm。
7.根据权利要求5所述的一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，其特征在于，在发光层MQW层之上，从下至上依次包括：
P型AlGaN层：厚度为30-40nm，Al的掺杂浓度为2E20-3E20个/cm3，Mg的掺杂浓度5E19-6E19个/cm3；
P型GaN层：厚度为100-150nm，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20个/cm3。
8.根据权利要求5所述的一种含有超晶格势垒层的LED外延结构，其特征在于，在每个所述双层组合单元中：GaN：Si层在GaN层之下。
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