CN105742415A - 紫外GaN基LED外延结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种紫外GaN基LED外延结构及其制造方法，LED外延结构依次包括：衬底；低温缓冲层；高温u?GaN层；高温n?GaN层；低温AlGaN/GaN超晶格层；低温InGaN/AlGaN紫外发光层；高温p?AlGaN电子阻挡层；高温p?GaN层。本发明采用低温AlGaN/GaN超晶格层取代传统的InGaN/GaN应力释放层，通过调整低温AlGaN/GaN超晶格层的生长工艺，可以沿着位错缺陷产生V?pits，从而阻挡载流子在位错缺陷处产生非辐射复合。

Description

紫外 GaN 基 LED 外延结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及LED技术领域，尤其涉及一种紫外GaN基LED外延结构及其制造方法。

背景技术

发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。

随着技术的发展，紫外发光二极管（UV LED）在生物医疗、防伪鉴定、净化( 水、空气等)领域、计算机数据存储和军事等方面有着广阔的市场应用前景。除此之外，紫外LED也越来越受到照明市场的关注。因为通过紫外LED激发三基色荧光粉，可获得普通照明的白光。目前市售的白光LED大多是通过蓝色LED激发黄光的荧光粉获得，其中红色光成份较弱。

然而，由于蓝宝石衬底和氮化镓之间存在16%的晶格失配和较大的热膨胀系数差异，利用MOCVD技术外延生长GaN晶体时，产生线位错（threading dislocations）的密度高达10⁸-10¹⁰/cm²。为了避免载流子在位错处发生非辐射复合，从而影响LED的发光效率，通常会在n型GaN层和量子阱发光层之间插入一层低温的InGaN/GaN应力释放层。该应力释放层会沿着位错缺陷产生V型坑（V-pits），V型坑侧面的禁带宽度比平面（c面）要高出很多，在位错缺陷处形成势垒，避免载流子靠近位错而被捕获，从而提升LED的发光效率。

然而，对于365~390nm的紫外来说会存在另外一个问题。氮化镓(GaN) 禁带宽度为3.42eV，对应波长大约365nm的光，对365~390nm这个波段不会有吸收，但是低温的InGaN/GaN应力释放层，对这个波段的光可能有较强的吸收，从而降低LED的发光效率。

有鉴于此，为了解决上述技术问题，有必要提供一种紫外GaN基LED外延结构及其制造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紫外GaN基LED外延结构及其制造方法，本发明采用低温AlGaN/GaN超晶格层取代传统的InGaN/GaN应力释放层，通过调整AlGaN/GaN超晶格的生长工艺，可以沿着位错缺陷产生V-pits，从而阻挡载流子在位错缺陷处产生非辐射复合。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种紫外GaN基LED外延结构，所述LED外延结构依次包括：

衬底；

位于所述衬底上的低温缓冲层；

位于所述低温缓冲层上的高温u-GaN层；

位于所述高温u-GaN层上的高温n-GaN层；

位于所述高温n-GaN层上的低温AlGaN/GaN超晶格层，所述低温AlGaN/GaN超晶格层包括层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层；

位于所述低温AlGaN/GaN超晶格层上的低温InGaN/AlGaN紫外发光层，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层的发光波长为365~390nm；

位于所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层上的高温p-AlGaN电子阻挡层；

位于所述高温p-AlGaN电子阻挡层上的高温p-GaN层。

作为本发明的进一步改进，所述低温AlGaN/GaN超晶格层包括3~15个周期层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层。

作为本发明的进一步改进，所述低温AlGaN/GaN超晶格层中，每层低温AlGaN层的厚度为1~5nm，每层低温GaN层的厚度为1~5nm。

作为本发明的进一步改进，所述低温AlGaN/GaN超晶格层中低温AlGaN层的Al组分为0.01~0.05。

作为本发明的进一步改进，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括6~10个周期层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层。

作为本发明的进一步改进，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层中，每层低温InGaN量子阱层的厚度为2~4nm，每层低温AlGaN量子垒层的厚度为6~12nm。

作为本发明的进一步改进，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层中低温AlGaN量子垒层的Al组分为0.05~0.25。

作为本发明的进一步改进，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层中低温InGaN量子阱层的In组分为0~0.09。

作为本发明的进一步改进，所述低温缓冲层为低温GaN层或低温AlGaN层。

相应地，一种紫外GaN基LED外延结构的制造方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，在1080~1100℃下高温处理5~10分钟；

S2、在500~550℃、200~500Torr条件下，外延生长10~30nm的低温缓冲层；

S3、在1040~1100℃、100~300Torr条件下，生长2~4um的高温u-GaN层；

S4、在1040~1070℃、100~200Torr条件下，生长2~4um的高温n-GaN层，掺杂浓度为5E18~1E19；

S5、在700~800℃、200~300Torr条件下，生长1~5nm的低温AlGaN层和1~5nm的低温GaN层，其中，低温AlGaN层中的Al组分为0.01~0.05，重复生长3~15个周期，形成低温AlGaN/GaN超晶格层；

S6、在750~900℃、200~300Torr条件下，生长6~12nm的低温AlGaN量子垒层和2~4nm的低温InGaN量子阱层，其中，低温AlGaN量子垒层中的Al组分为0.05~0.25，重复生长6~10个周期，调节低温InGaN量子阱层中的In组分为0~0.09，形成发光波长为365~390nm的低温InGaN/AlGaN紫外发光层；

S7、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长30~60nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长30~50nm的高温p-GaN层。

与现有技术相比，本发明采用低温AlGaN/GaN超晶格层取代传统的InGaN/GaN应力释放层，通过调整低温AlGaN/GaN超晶格层的生长工艺，可以沿着位错缺陷产生V-pits，从而阻挡载流子在位错缺陷处产生非辐射复合；

此外，由于AlGaN具有较高的势垒，在n-GaN层和发光层之间插入低温AlGaN/GaN超晶格层，可以在电子注入的纵向将电子减速，有助于电流的横向扩展，进一步提升LED的发光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中紫外GaN基LED外延结构的结构示意图；

图2为本发明中低温AlGaN/GaN超晶格层的结构示意图；

图3为本发明中低温InGaN/AlGaN紫外发光层的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种紫外GaN基LED外延结构，从下向上依次包括：衬底10、低温缓冲层20、高温u-GaN层30、高温n-GaN层40、低温AlGaN/GaN超晶格层50、低温InGaN/AlGaN紫外发光层60、高温p-AlGaN电子阻挡层70、及高温p-GaN层80。采用低温AlGaN/GaN超晶格层50取代传统的InGaN/GaN应力释放层，通过调整AlGaN/GaN超晶格的生长工艺，可以沿着位错缺陷产生V-pits，从而阻挡载流子在位错缺陷处产生非辐射复合。

应当理解的是，本发明中各外延层所定义的“高温”或“低温”分别对应不同外延层生长工艺中的不同温度，不同外延层中的“高温”或“低温”对应的范围不同。

具体地，以下对LED外延结构的各外延层进行具体说明。

衬底10，优选地，该衬底为图形化蓝宝石衬底，当然，衬底也可以为平片蓝宝石衬底、或其他材料的平片或图形化衬底。

低温缓冲层20（500~550℃、200~500Torr条件下生长），低温缓冲层20为低温GaN层或低温AlGaN层等，该层厚度为10~30nm。

高温u-GaN层30（1040~1100℃、100~300Torr条件下生长），该层厚度为2~4um。

高温n-GaN层40（1040~1070℃、100~200Torr条件下生长），该层厚度为2~4um，掺杂浓度为5E18~1E19。

低温AlGaN/GaN超晶格层50（700~800℃、200~300Torr条件下生长），结合图2所示，低温AlGaN/GaN超晶格层50包括层叠设置的低温AlGaN层51和低温GaN层52。

优选地，低温AlGaN/GaN超晶格层50包括3~15个周期层叠设置的低温AlGaN层51和低温GaN层52，每层低温AlGaN层的厚度为1~5nm，每层低温GaN层的厚度为1~5nm，且低温AlGaN层的Al组分为0.01~0.05。

低温InGaN/AlGaN紫外发光层60（750~900℃、200~300Torr条件下生长），结合图3所示，低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括层叠设置的低温InGaN量子阱层61和低温AlGaN量子垒层62，控制In组分为0~0.09，使得低温InGaN/AlGaN紫外发光层的发光波长为365~390nm。

优选地，低温InGaN/AlGaN紫外发光层60包括6~10个周期层叠设置的低温InGaN量子阱层61和低温AlGaN量子垒层62，每层低温InGaN量子阱层的厚度为2~4nm，每层低温AlGaN量子垒层的厚度为6~12nm，且低温AlGaN量子垒层的Al组分为0.05~0.25。

高温p-AlGaN电子阻挡层70（800~1000℃、100~400Torr条件下生长），该层厚度为30~60nm。

高温p-GaN层80（800~1000℃、100~400Torr条件下生长），该层厚度为30~50nm。

相应地，一种紫外GaN基LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、将衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，并在1080~1100℃下对衬底进行高温处理5~10分钟；

S2、在500~550℃、200~500Torr条件下，外延生长10~30nm的低温缓冲层；

S3、在1040~1100℃、100~300Torr条件下，生长2~4um的高温u-GaN层；

S4、在1040~1070℃、100~200Torr条件下，生长2~4um的高温n-GaN层，掺杂浓度为5E18~1E19；

S5、在700~800℃、200~300Torr条件下，生长1~5nm的低温AlGaN层和1~5nm的低温GaN层，其中，低温AlGaN层中的Al组分为0.01~0.05，重复生长3~15个周期，形成低温AlGaN/GaN超晶格层；

S6、在750~900℃、200~300Torr条件下，生长6~12nm的低温AlGaN量子垒层和2~4nm的低温InGaN量子阱层，其中，低温AlGaN量子垒层中的Al组分为0.05~0.25，重复生长6~10个周期，调节低温InGaN量子阱层中的In组分，形成发光波长为365~390nm的低温InGaN/AlGaN紫外发光层；

S7、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长30~60nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长30~50nm的高温p-GaN层。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

本实施例中的紫外GaN基LED外延结构从下向上依次包括：

衬底，该衬底为图形化蓝宝石衬底或平片蓝宝石衬底。

低温缓冲层（540℃、300Torr条件下生长），低温缓冲层为低温GaN层，该层厚度为30nm。

高温u-GaN层（1080℃、200Torr条件下生长），该层厚度为3um。

高温n-GaN层（1060℃、200Torr条件下生长），该层厚度为3um，掺杂浓度为8E18。

低温AlGaN/GaN超晶格层（750℃、250Torr条件下生长），低温AlGaN/GaN超晶格层包括层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层。

进一步地，低温AlGaN/GaN超晶格层包括10个周期层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层，每层低温AlGaN层的厚度为3nm，每层低温GaN层的厚度为3nm，且低温AlGaN层的Al组分为0.03。

低温InGaN/AlGaN紫外发光层（800℃、250Torr条件下生长），低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层，控制低温InGaN量子阱层中的In组分为0.07左右，使得低温InGaN/AlGaN紫外发光层的发光波长为383nm。

进一步地，低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括7个周期层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层，每层低温InGaN量子阱层的厚度为3nm，每层低温AlGaN量子垒层的厚度为10nm，且低温AlGaN量子垒层的Al组分为0.20。

高温p-AlGaN电子阻挡层（850℃、200Torr条件下生长），该层厚度为50nm。

高温p-GaN层（850℃、200Torr条件下生长），该层厚度为40nm。

相应地，本实施例紫外GaN基LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、将衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，并在1080~1100℃下对衬底进行高温处理5~10分钟；

S2、在540℃、300Torr条件下，外延生长30nm的低温缓冲层；

S3、在1080℃、200Torr条件下，生长3um的高温u-GaN层；

S4、在1060℃、200Torr条件下，生长3um的高温n-GaN层，掺杂浓度为8E18；

S5、在750℃、250Torr条件下，生长3nm的低温AlGaN层和3nm的低温GaN层，其中，低温AlGaN层中的Al组分为0.03，重复生长10个周期，形成低温AlGaN/GaN超晶格层；

S6、在800℃、250Torr条件下，生长10nm的低温AlGaN量子垒层和3nm的低温InGaN量子阱层，其中，低温AlGaN量子垒层中的Al组分为0.20，重复生长7个周期，调节低温InGaN量子阱层中的In组分，形成发光波长为383nm的低温InGaN/AlGaN紫外发光层；

S7、在850℃、200Torr条件下，生长50nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在900℃、200Torr条件下，生长40nm的高温p-GaN层。

实施例二：

本实施例中的紫外GaN基LED外延结构从下向上依次包括：

衬底，该衬底为图形化蓝宝石衬底或平片蓝宝石衬底。

低温缓冲层（540℃、300Torr条件下生长），低温缓冲层为低温GaN层，该层厚度为30nm。

高温u-GaN层（1080℃、200Torr条件下生长），该层厚度为3um。

高温n-GaN层（1060℃、200Torr条件下生长），该层厚度为3um，掺杂浓度为8E18。

低温AlGaN/GaN超晶格层（750℃、250Torr条件下生长），低温AlGaN/GaN超晶格层包括层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层。

进一步地，低温AlGaN/GaN超晶格层包括15个周期层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层，每层低温AlGaN层的厚度为2nm，每层低温GaN层的厚度为2nm，且低温AlGaN层的Al组分为0.02。

低温InGaN/AlGaN紫外发光层（800℃、250Torr条件下生长），低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层，控制低温InGaN量子阱层中的In组分为0.08左右，使得低温InGaN/AlGaN紫外发光层的发光波长为387nm。

进一步地，低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括9个周期层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层，每层低温InGaN量子阱层的厚度为2nm，每层低温AlGaN量子垒层的厚度为12nm，且低温AlGaN量子垒层的Al组分为0.15。

高温p-AlGaN电子阻挡层（850℃、200Torr条件下生长），该层厚度为50nm。

高温p-GaN层（850℃、200Torr条件下生长），该层厚度为40nm。

相应地，本实施例紫外GaN基LED外延结构的制造方法，具体包括以下步骤：

S1、将衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，并在1080~1100℃下对衬底进行高温处理5~10分钟；

S2、在540℃、300Torr条件下，外延生长30nm的低温缓冲层；

S3、在1080℃、200Torr条件下，生长3um的高温u-GaN层；

S4、在1060℃、200Torr条件下，生长3um的高温n-GaN层，掺杂浓度为8E18；

S5、在750℃、250Torr条件下，生长2nm的低温AlGaN层和2nm的低温GaN层，其中，低温AlGaN层中的Al组分为0.02，重复生长15个周期，形成低温AlGaN/GaN超晶格层；

S6、在800℃、250Torr条件下，生长12nm的低温AlGaN量子垒层和2nm的低温InGaN量子阱层，其中，低温AlGaN量子垒层中的Al组分为0.15，重复生长9个周期，调节低温InGaN量子阱层中的In组分，形成发光波长为383nm的低温InGaN/AlGaN紫外发光层；

S7、在850℃、200Torr条件下，生长50nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在900℃、200Torr条件下，生长40nm的高温p-GaN层。

实施例一与实施例二相比，仅有低温AlGaN/GaN超晶格层和低温InGaN/AlGaN紫外发光层的结构和组分不同，其余外延层的结构和厚度等完全相同。

由于量子阱层中激发出的光，必须穿过LED外延结构的多个外延层才能被发射到外部，如果位于光传播路径上的外延层的带隙小于或类似于量子阱的带隙时，就会发生严重的光吸收。AlGaN的禁带宽度可从3.4 eV(GaN) ~6.2 eV(AlN)，对应波长可从365 nm (GaN)~200 nm(AlN)，因此对365~390nm这个波段的近紫外光不会有吸收。

本发明采用低温AlGaN/GaN超晶格层取代传统的InGaN/GaN应力释放层，通过调整低温AlGaN/GaN超晶格层的生长工艺，可以沿着位错缺陷产生V-pits，从而阻挡载流子在位错缺陷处产生非辐射复合；

此外，由于AlGaN具有较高的势垒，在n-GaN层和发光层之间插入低温AlGaN/GaN超晶格层，可以在电子注入的纵向将电子减速，有助于电流的横向扩展，进一步提升LED的发光效率。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构依次包括：

衬底；

位于所述衬底上的低温缓冲层；

位于所述低温缓冲层上的高温u-GaN层；

位于所述高温u-GaN层上的高温n-GaN层；

位于所述高温n-GaN层上的低温AlGaN/GaN超晶格层，所述低温AlGaN/GaN超晶格层包括层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层；

位于所述低温AlGaN/GaN超晶格层上的低温InGaN/AlGaN紫外发光层，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层的发光波长为365~390nm；

位于所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层上的高温p-AlGaN电子阻挡层；

位于所述高温p-AlGaN电子阻挡层上的高温p-GaN层。

2.根据权利要求1所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温AlGaN/GaN超晶格层包括3~15个周期层叠设置的低温AlGaN层和低温GaN层。

3.根据权利要求2所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温AlGaN/GaN超晶格层中，每层低温AlGaN层的厚度为1~5nm，每层低温GaN层的厚度为1~5nm。

4.根据权利要求1所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温AlGaN/GaN超晶格层中低温AlGaN层的Al组分为0.01~0.05。

5.根据权利要求1所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层包括6~10个周期层叠设置的低温InGaN量子阱层和低温AlGaN量子垒层。

6.根据权利要求5所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层中，每层低温InGaN量子阱层的厚度为2~4nm，每层低温AlGaN量子垒层的厚度为6~12nm。

7.根据权利要求1所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层中低温AlGaN量子垒层的Al组分为0.05~0.25。

8.根据权利要求1所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温InGaN/AlGaN紫外发光层中低温InGaN量子阱层的In组分为0~0.09。

9.根据权利要求1所述的紫外GaN基LED外延结构，其特征在于，所述低温缓冲层为低温GaN层或低温AlGaN层。

10.一种紫外GaN基LED外延结构的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将衬底放置在MOCVD反应室中的载盘上，在1080~1100℃下高温处理5~10分钟；

S2、在500~550℃、200~500Torr条件下，外延生长10~30nm的低温缓冲层；

S3、在1040~1100℃、100~300Torr条件下，生长2~4um的高温u-GaN层；

S4、在1040~1070℃、100~200Torr条件下，生长2~4um的高温n-GaN层，掺杂浓度为5E18~1E19；

S5、在700~800℃、200~300Torr条件下，生长1~5nm的低温AlGaN层和1~5nm的低温GaN层，其中，低温AlGaN层中的Al组分为0.01~0.05，重复生长3~15个周期，形成低温AlGaN/GaN超晶格层；

S6、在750~900℃、200~300Torr条件下，生长6~12nm的低温AlGaN量子垒层和2~4nm的低温InGaN量子阱层，其中，低温AlGaN量子垒层中的Al组分为0.05~0.25，重复生长6~10个周期，调节低温InGaN量子阱层中的In组分为0~0.09，形成发光波长为365~390nm的低温InGaN/AlGaN紫外发光层；

S7、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长30~60nm的高温p-AlGaN电子阻挡层；

S8、在800~1000℃、100~400Torr条件下，生长30~50nm的高温p-GaN层。