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CN111725371B - 一种led外延底层结构及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LED外延底层结构及其生长方法，属于LED外延生长技术领域。该结构由下至上包括蓝宝石衬底、AlGaN/AlN成核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；AlGaN/AlN成核层由AlGaN缓冲层和高温AlN层交替生长3‑10个周期形成。本发明对衬底和外延之间的晶格失配产生影响，改变外延片的应力分布从而改变生长过程中的翘曲程度，并且提高了高温条件下生长GaN薄膜的结晶质量并且改善均匀性，使得整个LED外延层的结构质量更高，结构缺陷的减少使得载流子辐射性复合几率增加而提高了亮度，低生产成本，提高生长质量，最终提高GaN基LED器件的发光效率。

Description

一种LED外延底层结构及其生长方法
技术领域
本发明涉及一种LED外延底层结构及其生长方法，属于LED外延生长技术领域。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子发生复全，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
目前，以GaN为基础的半导体材料的外延生长主要应用有机化学金属气相淀积法(MOCVD)来实现。该方法包括如下步骤：以高纯的H2或N2或氢氮混合气体作为载气，在压力为760～780Torr，在1000～1100℃高温处理蓝宝石衬底5～20分钟；将温度降至480～550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为10～50nm的低温缓冲氮化镓层；升高温度至1000～1100℃，在低温缓冲氮化镓层上持续生长1～2.5μm的不掺杂氮化镓(uGaN)；保持温度，在不掺杂氮化镓层上持续生长2～4μm的n型掺Si的氮化镓层；升高温度至700℃～800℃，在n型掺Si的氮化镓层上生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至800℃～1000℃在掺铟的氮化镓阱层上生长不掺杂氮化镓垒层，阱层与垒层组成一组量子阱垒，重复生长一组或多组量子阱垒，形成有源层；在完成有源层的生长后，将温度升高到950～1050℃持续生长20～80nm的p型铝镓氮层；降低温度至900～1000℃，在p型铝镓氮层上持续生长0.1～0.5μm的掺镁的p型氮化镓层；降低温度至600～700℃，在掺镁的p型氮化镓层上生长5～10nm的低温掺镁铟镓氮层；降低温度600～750℃，在氮气气氛下，持续时间10～30分钟，活化p型铝镓氮层。
利用MOCVD设备生长GaN外延，一般需要将蓝宝石衬底置入反应室进行反应。由于蓝宝石和GaN之间的晶格存在失配，在生长时会产生位错影响结晶质量。为了尽量减小这些位错的影响，在生长高纯度GaN单晶时，一般需要先在蓝宝石上生长一层GaN缓冲层，再生长GaN单晶。缓冲层的成分和生长条件对GaN晶体的结晶质量有着至关重要的作用。MOCVD机台生长外延，尤其是使用图形衬底时，由于衬底和外延之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使外延片发生翘曲现象，从而使得在生长外延结构时外延中心与边缘部分不均匀，最终导致匀，导致外延片的发光强度大幅度下降。外延的缓冲层是处在蓝宝石衬底和GaN外延之间的连接层，生长条件将会对衬底和外延之间的晶格失配产生影响，改变外延片的应力分布从而改变生长过程中的翘曲程度，并且提高了高温条件下生长GaN薄膜的结晶质量并且改善均匀性，使得整个LED外延层的结构质量更高，结构缺陷的减少使得载流子辐射性复合几率增加而提高了亮度，低生产成本，提高生长质量，最终提高GaN基LED器件的发光效率。
发明内容：
本发明针对现有GaN基LED外延生长技术存在的问题，提供一种改善GaN晶体质量的LED外延底层结构及其生长方法，该方法的成本低，易生长，有效提高外延结构的晶体质量及性能，最终提高GaN基LED器件的发光效率。
本发明采用以下技术方案：
一种LED外延底层结构，由下至上包括蓝宝石衬底、AlGaN/AlN成核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；
所述AlGaN/AlN成核层由AlGaN缓冲层和高温AlN层交替生长3～10个周期形成。
一种上述LED外延底层结构的生长方法，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上生长AlGaN缓冲层，即在MOCVD生长炉的反应室内500℃-600℃下生长5nm-20nm厚的低温AlGaN缓冲层；
(2)在AlGaN缓冲层上采用950-1050℃高温生长AlN层；
(3)将AlGaN缓冲层和AlN层交替生长3～10个循环，得到AlGaN/AlN成核层；
(4)将MOCVD生长炉升温至1150℃生长2.5μm厚的非掺杂GaN层；
(5)在1150℃下生长3μm厚的n型GaN层；
(6)生长12个周期的多量子阱层；
(7)将MOCVD生长炉升温至1000℃生长60nm厚的p型AlGaN层；
(8)将MOCVD生长炉降温至980℃生长160nm厚的p型GaN层；
(9)将MOCVD生长炉降温至950～980℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层，降温至室温(一般为25±5℃)，生长结束。
优选的，步骤(2)中，生长AlN层时生长时间为1～30分钟，Al流量为10sccm-60sccm，更为优选的，Al流量为10sccm-60sccm。
优选的，Al流量为30sccm。
优选的，步骤(2)中，AlN层的厚度为长1nm-10nm。
优选的，步骤(3)中，将AlGaN缓冲层和AlN层交替生长5～10个循环，得到AlGaN/AlN成核层；
优选的，步骤(6)中，多量子阱层中，GaN垒层的厚度为13nm，生长温度为850℃，InGaN阱层的厚度为2nm，生长温度为760℃。
本发明的有益效果为：
本发明利用低温生长的AlGaN缓冲层，再用高温生长AlN层，交替生长，然后形成AlGaN/Al成核层，这样的生长方法将会对衬底和外延之间的晶格失配产生影响，有效的释放蓝宝石衬底与GaN之间的应力，改变外延片的应力分布从而改变生长过程中的翘曲程度，并且提高了高温条件下生长GaN薄膜的结晶质量并且改善均匀性，使得整个LED外延层的结构质量更高，结构缺陷的减少使得载流子辐射性复合几率增加而提高了亮度，低生产成本，提高生长质量，最终提高GaN基LED器件的发光效率。
附图说明：
图1为本发明的LED外延底层结构的示意图；
其中，1、蓝宝石衬底，2、AlGaN/AlN成核层，2-a、AlGaN缓冲层，2-b、高温AlN层，4、N型GaN，5、多量子阱层，6、p型AlGaN层，7、p型GaN层。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种LED外延底层结构，如图1所示，由下至上包括蓝宝石衬底1、AlGaN/AlN成核层2、非掺杂GaN层(图中未示出)、N型GaN层4，多量子阱层,5、p型AlGaN层6和p型GaN层7；
AlGaN/AlN成核层2由AlGaN缓冲层2-a和高温AlN层2-b交替生长3～10个周期形成。
实施例2：
一种LED外延底层结构的生长方法，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底1上生长AlGaN缓冲层2-a，即在MOCVD生长炉的反应室内550℃下生长5nm厚的低温AlGaN缓冲层；
(2)在AlGaN缓冲层2-a上采用950-1050℃高温生长AlN层2-b；
(3)将AlGaN缓冲层2-a和AlN层2-b交替生长6个循环，得到AlGaN/AlN成核层2；
(4)将MOCVD生长炉升温至1150℃生长2.5μm厚的非掺杂GaN层；
(5)在1150℃下生长3μm厚的n型GaN层4；
(6)生长12个周期的多量子阱层5；
(7)将MOCVD生长炉升温至1000℃生长60nm厚的p型AlGaN层6；
(8)将MOCVD生长炉降温至980℃生长160nm厚的p型GaN层7；
(9)将MOCVD生长炉降温至950～980℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层，降温至室温，生长结束。
实施例3：
一种LED外延底层结构的生长方法，如实施例2所示，所不同的是，步骤(2)中，生长时间1分钟，Al流量为30sccm。
实施例4：
一种LED外延底层结构的生长方法，如实施例2所示，所不同的是，步骤(2)AlN层的厚度为长5nm。
实施例5：
一种LED外延底层结构的生长方法，如实施例2所示，所不同的是，多量子阱层中，GaN垒层的厚度为13nm，生长温度为850℃，InGaN阱层的厚度为2nm，生长温度为760℃。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种LED外延底层结构的生长方法，其特征在于，LED外延底层结构由下至上包括蓝宝石衬底、AlGaN/AlN成核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层；
所述AlGaN/AlN成核层由AlGaN缓冲层和高温AlN层交替生长3-10个周期形成；
所述LED外延底层结构的生长方法，包括如下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上生长AlGaN缓冲层，即在MOCVD生长炉的反应室内500℃-600℃下生长5nm-20nm厚的低温AlGaN缓冲层；
(2)在AlGaN缓冲层上采用950-1050℃高温生长AlN层；
(3)将AlGaN缓冲层和AlN层交替生长3-10个循环，得到AlGaN/AlN成核层；
(4)将MOCVD生长炉升温至1150℃生长2.5μm厚的非掺杂GaN层；
(5)在1150℃下生长3μm厚的n型GaN层；
(6)生长12个周期的多量子阱层；
(7)将MOCVD生长炉升温至1000℃生长60nm厚的p型AlGaN层；
(8)将MOCVD生长炉降温至980℃生长160nm厚的p型GaN层；
(9)将MOCVD生长炉降温至950℃生长25nm厚的高掺杂p型GaN电极接触层，降温至室温，生长结束。
2.根据权利要求1所述的LED外延底层结构的生长方法，其特征在于，步骤(2)中，生长AlN层时生长时间为1-30分钟，Al流量为10sccm-60sccm。
3.根据权利要求2所述的LED外延底层结构的生长方法，其特征在于，Al流量为30sccm。
4.根据权利要求1所述的LED外延底层结构的生长方法，其特征在于，步骤(2)中，AlN层的厚度为长1nm-10nm。
5.根据权利要求1所述的LED外延底层结构的生长方法，其特征在于，步骤(6)中，多量子阱层中，GaN垒层的厚度为13nm，生长温度为850℃，InGaN阱层的厚度为2nm，生长温度为760℃。
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