專利名稱：具有梯形結(jié)構(gòu)的n型插入層的led外延片及其生長方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于III族氮化物材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片及其生長方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED,Light Emitting Diode)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件,其利用半導(dǎo)體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以直接將電轉(zhuǎn)換為光。以氮化鎵為代表的III族氮化物是直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有電子飄移飽和速度高，熱導(dǎo)率好、強(qiáng)化學(xué)鍵、耐高溫以及抗腐蝕等優(yōu)良性能。其三元合金銦鎵氮(InGaN)帶隙從0.7eV氮化銦(InN)到3.4eV氮化鎵(GaN)連續(xù)可調(diào)，發(fā)光波長覆蓋了可見光和近紫外光的整個(gè)區(qū)域。以InGaN/GaN多量子阱為有源層的發(fā)光二極管具有高效、環(huán)保、節(jié)能、壽命長等顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種新型固態(tài)冷光源。用于氮化鎵基LED外延生長的商品化襯底主要有兩種，即藍(lán)寶石(Al2O3)襯底和碳化硅(SiC)襯底，因?yàn)镾iC的價(jià)格昂貴，故全球80%的LED企業(yè)采用Al2O3襯底。然而Al2O3與GaN的晶格失配大并且熱膨脹系數(shù)差異也較大，因此在外延生長過程中，往往引入了大量的晶格缺陷，如常見的線性位錯(cuò)、V型位錯(cuò)等。這些位錯(cuò)往往會(huì)沿著晶格通過多量子阱區(qū)域延伸到外延片的表面，形成穿透位錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)證明大量V型位錯(cuò)的存在造成氮化鎵基LED的漏電和抗靜電等電性參數(shù)較差，限制了其進(jìn)一步進(jìn)入高端應(yīng)用市場。研究發(fā)現(xiàn)，在N型GaN層中插入N型AlGaN層可以顯著減少外延片中位錯(cuò)。此外，N型AlGaN層還具有增強(qiáng)電子在N型GaN層中橫向運(yùn)動(dòng)的作用，從而有助于載流子注入效率的提高，因此這種外延結(jié)構(gòu)已被廣泛使用。目前N型GaN層與N型AlGaN插入層之間Al組分是突變結(jié)構(gòu)，即切換到生長N型AlGaN時(shí)，直接通入定量的Al組分且保持不變。雖然N型AlGaN層與N型GaN層異質(zhì)界面上由大的極化差會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生高濃度的二維電子氣，促進(jìn)電子的橫向運(yùn)動(dòng)，但是二維電子氣對載流子的縱向限制作用也增強(qiáng)，使得電子聚集于異質(zhì)界面處，從而導(dǎo)致遷移至量子阱區(qū)域的電子數(shù)量減少，所以說二維電子氣結(jié)構(gòu)是一把雙刃劍。因此，N型AlGaN插入層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對氮化鎵基LED的內(nèi)量子效率和發(fā)光效率有很重要的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片及其生長方法。本發(fā)明通過在N型GaN層中插入梯形結(jié)構(gòu)的N型AlGaN層，一方面有效降低量子阱區(qū)域的位錯(cuò)密度，另一方面減少因N型AlGaN層的引入而對電子縱向遷移的影響，從而提聞氣化嫁基LED的發(fā)光效率。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
1、一種具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片，其特征在于，所述外延片的結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、第一 N型GaN層、N型AlGaN插入層、第二N型GaN層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型AlGaN層、高溫P型GaN層和P型接觸層；所述N型AlGaN插入層為梯形結(jié)構(gòu)。2、一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，在第一 N型GaN層生長結(jié)束后，生長由N型AlGaN層a、b和c組成的N型AlGaN插入層,具體包括如下步驟:
A、在所述第一N型GaN層上生長Al的摩爾組分含量逐漸升高的N型AlGaN層a ；
B、所述N型AlGaN層a生長結(jié)束后，保持Al的摩爾組分含量不變，生長N型AlGaN層
b ；
C、所述N型AlGaN層b生長結(jié)束后，生長Al的摩爾組分含量逐漸降低的N型AlGaN層
c ；
所述N型AlGaN層a、b和c中Ga的摩爾組分含量保持不變，Al的最高摩爾組分含量為5% 30%。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述N型AlGaN插入層的生長溫度在900 1100°C，生長時(shí)間為5 15min，壓力為 5O 5OOTorr, V / III比為 10 1000。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述多量子阱層由InxGa1J (0<x<l)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成，所述InxGahN勢阱層的生長溫度為720 820°C、壓力為100 500Torr、V /III比為300 5000、厚度為2 5nm，所述GaN勢壘層的生長溫度為820 920°C、壓力為100 500Torr、
V/ III比為300 5000、厚度為8 15nm。5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述低溫GaN緩沖層生長厚度為20 30nm，所述GaN非摻雜層生長厚度為
0.5 2 ii m，所述第一 N型GaN層生長厚度為1.2 4.2 y m，所述第二 N型GaN層6生長厚度為1.2 4.2 ii m，所述低溫P型GaN層生長厚度為10 lOOnm，所述P型AlGaN層生長厚度為10 200nm，所述高溫P型GaN層生長厚度為100 800nm，所述P型接觸層生長厚度為5 20nm。6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石、GaN或碳化硅單晶。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:通過在N型GaN層中插入梯形結(jié)構(gòu)的N型AlGaN層，一方面，N型AlGaN層可以降低量子阱區(qū)域的位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量；另一方面，N型AlGaN插入層的梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在促進(jìn)電子橫向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，避免了對電子縱向遷移的限制，從而提聞了載流子的注入效率，進(jìn)而提聞氣化嫁基LED的發(fā)光效率。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
圖1為本發(fā)明的LED外延片的結(jié)構(gòu)不意 圖2為N型AlGaN插入層生長不意其中，I為襯底、2為低溫GaN緩沖層、3為GaN非摻雜層、4為第一 N型GaN層、5為N型AlGaN插入層、6為第二 N型GaN層、7為多量子阱層、8為低溫P型GaN層、9為P型AlGaN層、10為高溫P型GaN層、11為P型接觸層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實(shí)施例1
如圖1所示的LED外延片結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩沖層2、GaN非摻雜層3、第一 N型GaN層4、N型AlGaN插入層5、第二 N型GaN層6、多量子阱層7、低溫P型GaN層8、P型AlGaN層9、高溫P型GaN層10、P型接觸層11。本實(shí)施例以高純氫氣(H2)或氮?dú)?N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3 )分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。本實(shí)施例的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括以下具體步驟:
步驟一，將襯底I在1000-120(TC氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理5-20min，然后進(jìn)行氮化處理，襯底I是適合GaN基半導(dǎo)體外延材料生長的材料，如藍(lán)寶石、GaN和碳化硅(SiC)單
曰坐曰曰寸；
步驟二，將溫度下降到500 650°C之間，生長厚度為20 30nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300 760Torr之間，V / III (第五族元素和第三族元素的摩爾比)比為50 1000 ；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900 1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層2進(jìn)行原位熱退火處理，退火時(shí)間在5 30min，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)至1000 1200°C之間，外延生長厚度為0.5 2iim的GaN非摻雜層3，生長壓力在100 500Torr之間，V / III比為100 3000 ；
步驟四，所述GaN非摻雜層3生長結(jié)束后，生長摻雜濃度穩(wěn)定的第一 N型GaN層4，厚度為1.2 4.2iim，生長溫度在1000 1200°C之間，壓力在100 600Torr之間，V /III比為 100 3000 ；
步驟五，所述第一 N型GaN層4生長結(jié)束后，生長N型AlGaN插入層5，生長溫度在900 1100°C之間，生長時(shí)間為5 15min，壓力在50 500Torr之間，V /III比為10 1000 ;所述N型AlGaN插入層5的生長如圖2所示(圖2中的虛線是為了便于對應(yīng)比較N型AlGaN層a、b和c的Ga和Al組分的摩爾含量變化情況)，分為三步:(I)先生長Al的摩爾組分含量逐漸升高的N型AlGaN層a ; (2)N型AlGaN層a生長結(jié)束后，保持Al的摩爾組分含量不變，生長N型AlGaN層b ; (3) N型AlGaN層b生長結(jié)束后，生長Al的摩爾組分含量逐漸降低的N型AlGaN層C。所述N型AlGaN插入層5厚度在10 200nm之間，生長過程中Ga的摩爾組分含量保持不變，Al的最高摩爾組分含量控制在5% 30%之間；
步驟六，所述N型AlGaN插入層5生長結(jié)束后，生長摻雜濃度穩(wěn)定的第二 N型GaN層6，厚度為1.2 4.2 iim，生長溫度在1000 1200°C之間，壓力在100 600Torr之間，V /III比為100 3000 ；
步驟七，所述第二 N型GaN層6生長結(jié)束后，生長多量子阱層7，所述多量子阱層7包括3 15個(gè)依次交疊的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)由InxGahN (0<x<l)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成。所述InxGa^N勢阱層的生長溫度在720 820°C之間，壓力在100 500Torr之間，V / III比為300 5000，厚度在2 5nm之間；所述GaN勢壘層的生長溫度在820 920°C之間，壓力在100 500Torr之間，V /III比為300 5000，厚度在8 15nm之間；
步驟八，所述多量子阱層7生長結(jié)束后，生長厚度為10 IOOnm的低溫P型GaN層8，生長溫度在620 820°C之間，生長時(shí)間為5 35min，壓力在100 500Torr之間，V / III比為 300-5000 ；
步驟九，所述低溫P型GaN層8生長結(jié)束后，生長厚度為10 200nm的P型AlGaN層9，生長溫度在900 1100°C之間，生長時(shí)間為5 15min，壓力在50 500Torr之間，V /III比為10 1000，P型AlGaN層8中Al的摩爾組分含量控制在5% 30%之間；
步驟十，所述P型AlGaN層9生長結(jié)束后，生長厚度為100 800nm的高溫P型GaN層10，生長溫度在850 950°C之間，生長時(shí)間為5 30min，壓力在100 500Torr之間，
V/III 比為 300 5000 ；
步驟i^一，所述高溫P型GaN層10生長結(jié)束后，生長厚度在5 20nm之間的P型接觸層11，生長溫度在850 1050°C之間，生長時(shí)間為I lOmin，壓力在100 500Torr之間，
V/ III比為 1000 20000 ；
步驟十二，外延生長結(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650 800 V之間，采用純氮?dú)鈿夥者M(jìn)行退火處理2 15min，然后降至室溫，即得如圖1所示的LED外延片結(jié)構(gòu)。隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續(xù)加工工藝制成單顆小尺寸芯片。本實(shí)施例通過在N型GaN層中插入梯形結(jié)構(gòu)的N型AlGaN層，一方面，N型AlGaN層可以降低量子阱區(qū)域的位錯(cuò)密度，提高晶體質(zhì)量；另一方面，N型AlGaN插入層的梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在促進(jìn)電子橫向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，避免了對電子縱向遷移的限制，從而提高了載流子的注入效率，進(jìn)而提高氮化鎵基LED的發(fā)光效率。以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行 了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片，其特征在于，所述外延片的結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、第一 N型GaN層、N型AlGaN插入層、第二 N型GaN層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型AlGaN層、高溫P型GaN層和P型接觸層；所述N型AlGaN插入層為梯形結(jié)構(gòu)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，在第一 N型GaN層生長結(jié)束后，生長由N型AlGaN層a、b和c組成的N型AlGaN插入層，具體包括如下步驟: A、在所述第一N型GaN層上生長Al的摩爾組分含量逐漸升高的N型AlGaN層a ； B、所述N型AlGaN層a生長結(jié)束后，保持Al的摩爾組分含量不變，生長N型AlGaN層b ； C、所述N型AlGaN層b生長結(jié)束后，生長Al的摩爾組分含量逐漸降低的N型AlGaN層c ； 所述N型AlGaN層a、b和c中Ga的摩爾組分含量保持不變，Al的最高摩爾組分含量為5% 30%ο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述N型AlGaN插入層的生長溫度在900 1100°C，生長時(shí)間為5 15min，壓力為 50 500Torr，V / III比為 10 1000。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述多量子阱層由InxGahN (0<χ<1)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成，所述InxGa1^xN勢阱層的生長溫度為720 820°C、壓力為100 500Torr、V / III比為300 5000、厚度為2 5nm，所述GaN勢壘層的生長溫度為820 920°C、壓力為100 500Torr、V / III比為300 5000、厚度為8 15nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述低溫GaN緩沖層生長厚度為20 30nm，所述GaN非摻雜層生長厚度為0.5 2 μ m，所述第一 N型GaN層生長厚度為1.2 4.2 μ m，所述第二 N型GaN層6生長厚度為1.2 4.2 μ m，所述低溫P型GaN層生長厚度為10 lOOnm，所述P型AlGaN層生長厚度為10 200nm，所述高溫P型GaN層生長厚度為100 800nm，所述P型接觸層生長厚度為5 20nmo
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片的生長方法，其特征在于，所述襯底為藍(lán)寶石、GaN或碳化硅單晶。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有梯形結(jié)構(gòu)的N型插入層的LED外延片及其生長方法。所述外延片的結(jié)構(gòu)自下而上依次為襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、第一N型GaN層、N型AlGaN插入層、第二N型GaN層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型AlGaN層、高溫P型GaN層和P型接觸層；所述N型AlGaN插入層為梯形結(jié)構(gòu)。具體為，在第一N型GaN層上生長由N型AlGaN層a、b和c組成的N型AlGaN插入層，所述N型AlGaN層a、b、c中Ga的摩爾組分含量保持不變，Al的摩爾組分含量依次為逐漸升高、保持不變、逐漸降低。本發(fā)明通過在N型GaN層中插入梯形結(jié)構(gòu)的N型AlGaN層，一方面有效降低量子阱區(qū)域的位錯(cuò)密度，另一方面減少因N型AlGaN層的引入而對電子縱向遷移的影響，從而提高氮化鎵基LED的發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK103165777SQ20131009920
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者李剛, 郭麗彬, 蔣利民 申請人:合肥彩虹藍(lán)光科技有限公司