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CN110246942B - 一种高晶体质量的外延结构 - Google Patents

一种高晶体质量的外延结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高晶体质量的外延结构，从下至上依次包括衬底、AlN薄膜层、高温缓冲层、非掺氮化镓层、N型层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型层以及P型接触层，所述AlN薄膜层的材料为AlN，所述高温缓冲层的材料为AlxGa(1‑x)N(0≤x≤1)，生长温度为700～1000℃。

Description

一种高晶体质量的外延结构
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种高晶体质量的外延结构。
背景技术
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。
在现有技术中，由于蓝宝石衬底和GaN之间存在较大的晶格失配，为了减少晶格失配，需要在两者之间形成一层低温氮化镓缓冲层。但由于低温氮化镓缓冲层的结晶质量非常差，影响在其上生长的外延层的晶体质量，从而降低外延层的整体质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高晶体质量的外延结构，在衬底上形成一层AlN薄膜层，以提高外延层的晶体质量。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高晶体质量的外延结构，从下至上依次包括衬底、AlN薄膜层、高温缓冲层、非掺氮化镓层、N型层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型层以及P型接触层，所述AlN薄膜层的材料为AlN，所述高温缓冲层的材料为AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)，生长温度为700~1000℃。
作为上述方案的改进，所述高温缓冲层在经过清洗的AlN薄膜层上形成。
作为上述方案的改进，采用酸液或碱液对所述AlN薄膜层进行清洗，酸液为硫酸、磷酸和H2O2中的一种或几种，碱液为KOH和/或NaOH。
作为上述方案的改进，所述AlN薄膜层的清洗时间为2~5min，清洗温度为40~60℃。
作为上述方案的改进，所述高温缓冲层的生长压力为100~500Torr。
作为上述方案的改进，所述AlN薄膜层的厚度为5~50nm，所述高温缓冲层的厚度为5~100nm。
作为上述方案的改进，所述N型层的掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1E18~1E20cm-3，厚度为1000~5000nm；
所述P型层的掺杂源为Mg源，掺杂浓度为1E18~1E21cm-3。
作为上述方案的改进，所述多量子阱有源层包括相互间隔设置的至少一层垒层与至少一层阱层，所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N-GaN层，所述电流均化层通过在GaN中掺杂Al、B、氮化硅中的一种或几种形成。
作为上述方案的改进，所述电子阻挡层的材料为AlN或AlGaN，或者为AlN、AlGaN和GaN形成的超晶格结构，厚度为1~100nm。
作为上述方案的改进，所述P型接触层的掺杂源为Mg源，掺杂浓度为1E20~1E22cm-3。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明公开的一种高晶体质量的外延结构，从下至上依次包括衬底、AlN薄膜层、高温缓冲层、非掺氮化镓层、N型层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型层以及P型接触层，所述AlN薄膜层的材料为AlN，所述高温缓冲层的材料为AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)，生长温度为700~1000℃。本发明通过AlN薄膜层和高温缓冲层的相互配合，整体提高外延结构的晶体质量，同时降低晶格失配。
进一步地，本发明的高温缓冲层在经过清洗的AlN薄膜层上形成。具体的，采用酸液或碱液对所述AlN薄膜层进行清洗，酸液为硫酸、磷酸和H2O2中的一种或几种，碱液为KOH和/或NaOH。经过酸液或碱液清洗后的AlN薄膜层，其XRD 002/102 HW变小，有效减少AlN薄膜层和高温缓冲层的晶格失配，从而提高晶体质量。
附图说明
图1是本发明外延结构的示意图；
图2是本发明多量子阱有源层的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明提供的一种高晶体质量的外延结构，从下至上依次包括衬底10、AlN薄膜层20、高温缓冲层30、非掺氮化镓层40、N型层50、多量子阱有源层60、电子阻挡层70、P型层80以及P型接触层90。其中，所述AlN薄膜层的材料为AlN，所述高温缓冲层的材料为AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)。
本发明的AlN薄膜层的作用是减小晶格失配，高温缓冲层的作用是减少AlN与GaN的界面位错。由于AlN与GaN的晶格失配比较小，只有2%左右，因此本发明在衬底上形成一层AlN薄膜层，可以减少衬底和GaN的晶格失配，由于高温缓冲层的晶体质量优于低温缓冲层的晶体质量，因为高温缓冲层的生长温度可以减少AlN与GaN界面间的错位，从而提高GaN的晶体质量。
本发明在AlN薄膜层上形成一层高温缓冲层，可以提高生长在其上的外延层的晶体质量，从而提高外延结构的整体晶体质量。本发明通过AlN薄膜层和高温缓冲层的相互配合，整体提高外延结构的晶体质量，同时降低晶格失配。
为了减少晶格失配，提高晶体质量，本发明的高温缓冲层在经过清洗的AlN薄膜层上形成。具体的，采用酸液或碱液对所述AlN薄膜层进行清洗，酸液为硫酸、磷酸和H2O2中的一种或几种，碱液为KOH和/或NaOH。
经过酸液或碱液清洗后的AlN薄膜层，其XRD 002/102 HW变小，有效减少AlN薄膜层和高温缓冲层的晶格失配，从而提高晶体质量。
其中，清洗的时间和清洗温度对AlN薄膜层的晶格失配具有重要的影响，优选的，所述AlN薄膜层的清洗时间为2~5min，清洗温度为40~60℃。
所述AlN薄膜层的厚度和高温缓冲层的厚度均对外延结构的晶体质量起着重要的作用，特别是影响外延层的翘曲度。一般来说AlN薄膜层的厚度越薄，晶体质量越好，亮度越高，但是会导致外延片表面出现雾化、或者ESD电性变弱等问题。因此本发明对AlN薄膜层的厚度作了进一步地限定。优选的，所述AlN薄膜层的厚度为5~50nm，所述高温缓冲层的厚度为5~100nm。优选的，所述AlN薄膜层的厚度为10~20nm，所述高温缓冲层的厚度为5~50nm。更优的，所述AlN薄膜层的厚度为10~15nm，所述高温缓冲层的厚度为5~20nm。
进一步地，所述高温缓冲层的生长温度和生长压力对其晶体质量起着重要作用，因此将所述高温缓冲层生长温度控制在700~1000℃之间，生长压力控制在100~500Torr之间。优选的，所述高温缓冲层的生长温度为800~850℃，生长压力为100~200Torr。
为了进一步提高外延结构的晶体质量，保证发光效率，本发明对其他外延结构做了进一步地限定。
具体的，所述N型层的掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1E18~1E20cm-3，厚度为1000~5000nm；所述P型层的掺杂源为Mg源，掺杂浓度为1E18~1E21cm-3。
所述电子阻挡层的材料为AlN或AlGaN，或者为AlN、AlGaN和GaN形成的超晶格结构，厚度为1~100nm。
所述P型接触层的掺杂源为Mg源，掺杂浓度浓度为1E20~1E22 cm-3。
参见图2，所述多量子阱有源层50包括相互间隔设置的至少一层垒层51和至少一层阱层52。垒层51包括第一N-GaN层53，设于所述第一N-GaN层53上的电路均化层54以及设于所述电流均化层54上的第二N-GaN层55；其中所述电流均化层54通过在GaN中掺杂Al、B、氮化硅中的一种或几种形成，所述电流均化层的电阻率远大于第一N-GaN层和第二N-GaN层。本发明通过在有源区设置N-GaN+电流均化层+N-GaN的阱层结构，通过高电阻率的电流均化层与低电阻率的N-GaN层复合，形成了高电阻率的强化扩散结构；使得在具有本发明外延结构的LED在使用小电流的情况下，可有效提升小电流的拥堵效应，使得小电流能够在进程之中横向扩展，分散分布，强化了扩散效应，从而达到了功率小、光效高的效果。
具体的，在本发明中，小电流密度是指低于500mA的电流；本发明中的掺杂材料选用Al、B、氮化硅中的一种或几种，通过上述材料的掺杂，使得本发明中的电流均化层34的电阻率＞109Ω•cm，而N-GaN层的电阻率≤3 Ω•cm；N-GaN层33/35与电流均化层34之间的巨大差异会形成能阶形变，使得阱层整体电阻值更大，从而具有更加良好的分散电流的效果。
优选的，所述掺杂材料选用Al，AlGaN层的电阻率可大于1011Ω•cm，拥有更加良好的电流分散效果。且采用Al掺杂工艺简单，其掺杂温度＜800℃，易于操作；通过掺杂后，AlGaN层中Al的含量≤5 wt%。
具体的，参见下表，现有芯片与本发明芯片的质量差别如下：
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种高晶体质量的外延结构，其特征在于，从下至上依次包括衬底、AlN薄膜层、高温缓冲层、非掺氮化镓层、N型层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型层以及P型接触层，所述AlN薄膜层的材料为AlN，所述高温缓冲层的材料为AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)，生长温度为700~1000℃；
所述高温缓冲层在经过清洗的AlN薄膜层上形成，清洗时间为2~5min，清洗温度为40~60℃；
所述AlN薄膜层的厚度为5~50nm，所述高温缓冲层的厚度为5~100nm；
所述多量子阱有源层包括相互间隔设置的至少一层垒层与至少一层阱层，所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N-GaN层，所述电流均化层通过在GaN中掺杂Al、B、氮化硅中的一种或几种形成。
2.如权利要求1所述的高晶体质量的外延结构，其特征在于，采用酸液或碱液对所述AlN薄膜层进行清洗，酸液为硫酸、磷酸和H2O2中的一种或几种，碱液为KOH和/或NaOH。
3.如权利要求1所述的高晶体质量的外延结构，其特征在于，所述高温缓冲层的生长压力为100~500Torr。
4.如权利要求1所述的高晶体质量的外延结构，其特征在于，所述N型层的掺杂源为硅烷，掺杂浓度为1E18~1E20cm-3，厚度为1000~5000nm；
所述P型层的掺杂源为Mg源，掺杂浓度为1E18~1E21cm-3。
5.如权利要求1所述的高晶体质量的外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层的材料为AlN或AlGaN，或者为AlN、AlGaN和GaN形成的超晶格结构，厚度为1~100nm。
6.如权利要求1所述的高晶体质量的外延结构，其特征在于，所述P型接触层的掺杂源为Mg源，掺杂浓度为1E20~1E22 cm-3。
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