一種新型GaN基LED結(jié)構(gòu)及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型GaN基LED結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于半導(dǎo)體光電子器件的制備領(lǐng)域。本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的核心是：通過(guò)在p+-GaN層和n+-GaN層上高溫生長(zhǎng)摻雜Mg的p-型GaN外延層。其中n+-GaN層中的Si原子可以有效地抑制GaN外延層的點(diǎn)缺陷的形成和發(fā)光淬滅現(xiàn)象，p+-GaN層有助于提高空穴電流的注入效率并降低LED的工作電壓。在p+-GaN層和n+-GaN層上高溫生長(zhǎng)GaN基LED，提高了p-型GaN的晶體質(zhì)量及其中的空穴濃度與遷移率，從而改善了空穴電流的向量子阱有源區(qū)的注入效率和LED的發(fā)光效率。
【專利說(shuō)明】一種新型GaN基LED結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型GaN基LED結(jié)構(gòu)及制備方法，屬于半導(dǎo)體光電子器件的制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)在全色顯示和固態(tài)照明等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這都取決于摻雜Mg的ρ型GaN的生長(zhǎng)得以了實(shí)現(xiàn)，高亮度藍(lán)光和綠光LED的生產(chǎn)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，并在商業(yè)應(yīng)用上的地位顯得越來(lái)越重要。LED的最初的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)同質(zhì)的PN結(jié)，為了提高發(fā)光的效率，后來(lái)在PN結(jié)的中間加上了多層的量子阱結(jié)構(gòu)，即multiplequantum Well(MQff)0目前的LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)都是先生長(zhǎng)η型的GaN,接著生長(zhǎng)中間的量子講(MQW)結(jié)構(gòu)，再生長(zhǎng)ρ型的GaN層，即η型-GaN/MQW/p型-GaN結(jié)構(gòu)LED，這就是商業(yè)上應(yīng)用的藍(lán)、綠光LED的基本結(jié)構(gòu)。
[0003]如中國(guó)專利201080019516就是采用這種η型-GaN/MQW/p型-GaN。主要原因在于:1.η型GaN外延層的晶體質(zhì)量通常要好于ρ型GaN外延層，所以在η型GaN層上能獲得高質(zhì)量的MQW有源區(qū)；2.η型-GaN中摻雜的Si施主(表示貢獻(xiàn)電子的原子)很容易被激活，η型-GaN的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于ρ型-GaN的電導(dǎo)率，因此在η型-GaN/MQW/p型-GaN結(jié)構(gòu)的LED中可以實(shí)現(xiàn)高電流擴(kuò)展和低工作電壓。在高摻雜Si的n+型GaN上生長(zhǎng)粗糙的摻雜Mg的ρ型隧穿層，然后再依次生長(zhǎng)ρ型GaN，Mg和Si共摻雜中間層，MQW有源區(qū)和η型GaN可以制作出工作電壓在3.5伏的ρ型-GaN/MQW/n型-GaN結(jié)構(gòu)LED，其中引入Mg和Si共摻雜中間層可以顯著地提高M(jìn)QW有源區(qū)的晶體質(zhì)量和發(fā)光效率，引入高摻雜η型GaN和摻雜Mg的ρ型隧穿層是為了有效地降低工作電壓。由于Mg在ρ型GaN外延層中的活化能很高，低溫生長(zhǎng)的摻雜Mg的ρ型GaN的晶體質(zhì)量不夠高，載流子濃度低，電阻率很高，所以需要新的器件結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)方法來(lái)提高LED的性能。
[0004]如中國(guó)專利201080019516所述，目前商業(yè)上應(yīng)用的LED的基本的結(jié)構(gòu)就是先η型GaN,中間生長(zhǎng)多層量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)，再生長(zhǎng)ρ型GaN層。雖然GaN基LED已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但其性能仍有待進(jìn)一步提高，比如說(shuō)降低工作電壓、提高發(fā)光效率和亮度以及產(chǎn)品可靠性等關(guān)鍵問(wèn)題。在GaN外延層中摻雜Mg作為受主，即生長(zhǎng)高質(zhì)量的ρ型GaN層一直是整個(gè)LED結(jié)構(gòu)中需要攻克的難題，主要體現(xiàn)在如何得到高的空穴濃度和遷移率。一方面，GaN外延層中Mg的活化需要較高的生長(zhǎng)溫度，然而高溫生長(zhǎng)ρ型GaN會(huì)嚴(yán)重影響中間多層量子阱(MQW)的質(zhì)量，尤其是InGaN量子阱中In (銦)原子向GaN勢(shì)壘層擴(kuò)散會(huì)破壞多層量子阱的晶體質(zhì)量和量子效應(yīng)，從而影響了整個(gè)LED的發(fā)光效率；另一方面，如果P型GaN層中Mg的活化效率不高，會(huì)影響到整個(gè)LED的工作電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)中GaN基LED發(fā)光效率不高、工作電壓高的問(wèn)題，從而提出一種新型的GaN基LED結(jié)構(gòu)及制備方法。[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明首先提出一種GaN基LED結(jié)構(gòu)的制備方法，先高溫生長(zhǎng)P型GaN，接著生長(zhǎng)中間多層量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)，再生長(zhǎng)η型GaN層，所述高溫在1000攝氏度以上。
[0007]在高溫生長(zhǎng)ρ型GaN之前，先生長(zhǎng)高摻雜Si的η+型GaN層和高摻雜Mg的p+_GaN。其中n+-GaN層中的Si原子可以有效地抑制GaN外延層的點(diǎn)缺陷的形成和發(fā)光淬滅現(xiàn)象，P+-GaN層有助于提高空穴電流的注入效率并降低LED的工作電壓。
[0008]所述制備方法具體包括以下步驟:
[0009]S1:首先將圖形化藍(lán)寶石襯底在溫度為1000°C至1200°C的氫氣氣氛下處理，去除表面的雜質(zhì)微粒；
[0010]S2:在前面高溫處理后將溫度降低到500°C至600°C，低溫生長(zhǎng)厚度為20nm至30nm的GaN緩沖層；
[0011]S3:將溫度升高到1010°C到1030°C，高溫生長(zhǎng)2000nm至2500nm不摻雜的GaN，SPu 型 GaN ；
[0012]S4:將溫度升高到1020°C到1030°C，高溫生長(zhǎng)摻雜Si的GaN，即η型GaN，厚度為3000nm ；
[0013]S5:溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)高摻雜Si的GaN，即n+型GaN層，厚度為20nm至40nm ；
[0014]S6:溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)高摻雜Mg的GaN，即P+型GaN層，厚度為20至40nm ；
[0015]S7:溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)摻雜Mg的GaN，即ρ型GaN層，厚度為1000nm 至 1500nm ；
[0016]S8:將溫度降至810°C到820°C，生長(zhǎng)淺阱MQW層，即InxGai_xN/GaN層，生長(zhǎng)周期為2到4 ;
[0017]S9:將溫度降低到740°C至760°C，生長(zhǎng)MQW有源區(qū)的InyGa^N量子阱層，其中y大于S8中的X，然后將溫度升高到830°C至850°C，生長(zhǎng)MQW有源區(qū)的GaN勢(shì)壘層，MQW的周期為9至15 ;
[0018]SlO:將溫度調(diào)整到750°C至810°C，生長(zhǎng)低溫?fù)诫sSi的GaN層，即η型GaN層；
[0019]Sll:將溫度保持在750°C至810°C，生長(zhǎng)摻雜Si的InGaN層，即歐姆接觸層；
[0020]S12:整個(gè)GaN結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完后，將溫度降低到710°C至730°C，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行退火處理。
[0021]本發(fā)明還相應(yīng)提供一種GaN基LED結(jié)構(gòu)，包括摻雜Mg的ρ型GaN層，和摻雜Si的η型GaN層，所述摻雜Mg的ρ型GaN層在摻雜Si的η型GaN層下方。
[0022]所述GaN基LED結(jié)構(gòu)還包括高摻雜Mg的P+-GaN層，和高摻雜Si的η.型GaN層，所述高溫?fù)诫sMg的ρ型GaN層在所述高摻雜Mg的P+-GaN層上方，所述高摻雜Mg的P+-GaN層在高摻雜Si的η+型GaN層上方。
[0023]具體的說(shuō)，所述GaN基LED結(jié)構(gòu)從下往上依次包括:圖形化藍(lán)寶石襯底，20_30nm不摻雜的GaN緩沖層，2000-2500nm不摻雜的GaN緩沖層，3000nm摻雜Si的η型GaN，20至40nm高慘雜Si的η+型GaN, 20至40nm高慘雜Mg的p+型GaN, 1000至1500nm慘雜Mg的P型GaN，2-4周期InxGai_xN/GaN淺MQW，InyGai_yN/GaN MQff有源區(qū)的量子阱層(其中y大于x)，GaN勢(shì)壘層，摻雜Si的η型GaN層，和摻雜Si的InGaN歐姆接觸層。
[0024]本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0025]1，由于在中高溫生長(zhǎng)ρ型GaN外延層可以顯著提高其晶體質(zhì)量及其中Mg的活化率以及空穴濃度和遷移率；
[0026]2，避免了在量子阱(MQW)有源區(qū)上高溫生長(zhǎng)ρ型GaN外延層對(duì)量子阱的破壞；
[0027]3，n+-GaN層中的Si原子可以有效地抑制GaN外延層的點(diǎn)缺陷的形成和發(fā)光淬滅現(xiàn)象，P+-GaN層有助于提高空穴電流的注入效率并降低LED的工作電壓。在P+-GaN層和n+-GaN層上高溫生長(zhǎng)GaN基LED，提高了 ρ-型GaN的晶體質(zhì)量及其中的空穴濃度與遷移率，從而改善了空穴電流的向量子阱有源區(qū)的注入效率和LED的發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，其中
[0029]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中GaN型LED結(jié)構(gòu)；
[0030]圖2是本發(fā)明所述的新型GaN基LED結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖3是本發(fā)明所述的新型GaN基LED制備方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖2是本發(fā)明所述的新型GaN基LED結(jié)構(gòu)，從下往上依次包括:圖形化藍(lán)寶石襯底，20-30nm不摻雜的GaN緩沖層，2000_2500nm不摻雜的GaN緩沖層，3000nm慘雜Si的η型GaN, 20至40nm高慘雜Si的η.型GaN, 20至40nm高慘雜Mg的P+ 型 GaN，1000 至 1500nm 摻雜 Mg 的 ρ 型 GaN，2-4 周期 InxGahNAiaN 淺 MQW，InyGai_yN/GaNMQW有源區(qū)的量子阱層(其中y大于X)，GaN勢(shì)壘層，摻雜Si的η型GaN層，和摻雜Si的InGaN歐姆接觸層。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖3為GaN基LED結(jié)構(gòu)的具體生長(zhǎng)流程，主要處理方案為先生長(zhǎng)P型GaN，接著生長(zhǎng)中間多層量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)，再生長(zhǎng)η型GaN層，具體的結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)工藝見(jiàn)如下描述:
[0034]首先將圖形化藍(lán)寶石襯底(Patterned Sapphire Substrate, PSS)在溫度為1000°C至1200°c的氫氣氣氛下處理，去除表面的雜質(zhì)微粒；
[0035]在前面高溫處理后將溫度降低到500°C至600°C，低溫生長(zhǎng)20nm至30nm的緩沖層GaN ；
[0036]將溫度升高到1010°C到1030°C，高溫生長(zhǎng)2000nm至2500nm不摻雜的GaN，即u型GaN ；
[0037]將溫度升高到1020 °C到1030°C，高溫生長(zhǎng)摻雜Si的GaN，即η型GaN，厚度為3000nm ；
[0038]溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030 °C，生長(zhǎng)高摻雜Si的GaN，即n+型GaN層，厚度為20nm 至 40nm ；
[0039]溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)Mg高摻雜的GaN，即P+型GaN層，厚度為20nm 至 40nm ；[0040]溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)摻雜Mg的GaN，即ρ型GaN層，厚度為1000nm 至 1500nm ；
[0041]將溫度降至810°C到820°C，生長(zhǎng)淺阱MQW層，即InxGai_xN/GaN層，生長(zhǎng)周期為2到4 ；
[0042]將溫度降低到740°C至760°C，生長(zhǎng)MQW有源區(qū)的InyGa^yN量子阱層(其中y大于X)，然后將溫度升高到830°c至850°C，生長(zhǎng)MQW有源區(qū)的勢(shì)壘層，生長(zhǎng)周期為9至15 ;
[0043]將溫度降低到750°C至810°C，生長(zhǎng)低溫的摻雜Si的GaN層，即η型GaN層；
[0044]將溫度維持在750°C至810°C，生長(zhǎng)高溫的摻雜Si的InGaN層，即歐姆接觸層；
[0045]整個(gè)GaN結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完后，將溫度降低到710°C至730°C，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行退火處理。
[0046]本發(fā)明的技術(shù)方案中，高溫生長(zhǎng)ρ型GaN外延層可以顯著提高其晶體質(zhì)量及其中Mg的活化率以及空穴濃度和遷移率，避免了在量子阱(MQW)有源區(qū)上高溫生長(zhǎng)ρ型GaN外延層對(duì)量子阱的破壞，在n+-GaN層中的Si原子可以有效地抑制GaN外延層的點(diǎn)缺陷的形成和發(fā)光淬滅現(xiàn)象，P+-GaN層有助于提高空穴電流的注入效率并降低工作電流，因此在P+-GaN層和n+-GaN層生長(zhǎng)GaN基LED，可以同時(shí)提高晶體質(zhì)量和發(fā)光效率。
[0047]顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范`圍之中。
【權(quán)利要求】
1.一種GaN基LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:先高溫生長(zhǎng)P型GaN，接著生長(zhǎng)中間多層量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)，再生長(zhǎng)η型GaN層，所述高溫在1000°C以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GaN基LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:在高溫生長(zhǎng)p型GaN之前，先生長(zhǎng)高摻雜Si的η.型GaN層和高摻雜Mg的p+_GaN。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種GaN基LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述制備方法具體包括以下步驟: S1:首先將圖形化藍(lán)寶石襯底在溫度為1000°C至1200°c的氫氣氣氛下處理，去除表面的雜質(zhì)微粒； S2:在前面高溫處理后將溫度降低到500°C至600°C，低溫生長(zhǎng)厚度為20nm至30nm的GaN緩沖層； S3:將溫度升高到1010°C到1030°C，高溫生長(zhǎng)2000nm至2500nm不摻雜的GaN，即u型GaN ； S4:將溫度升高到1020°C到1030°C，高溫生長(zhǎng)摻雜Si的GaN，即η型GaN，厚度為3000nm ； S5:溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)高摻雜Si的GaN，即n+型GaN層，厚度為20nm 至 40nm ； S6:溫度繼續(xù)保持在1020°C到1030°C，生長(zhǎng)高摻雜Mg的GaN，即p+型GaN層，厚度為20mm至 40nm ； s7:溫度繼續(xù)保持在1020 °C到1030 °C，生長(zhǎng)摻雜Mg的GaN，即P型GaN層，厚度為1000nm 至 1500nm ； s8:將溫度降至810°C到820°C，生長(zhǎng)淺阱MQW層，即InxGai_xN/GaN層，生長(zhǎng)周期為2到4 ; s9:將溫度降低到740°C至760°C，生長(zhǎng)MQW有源區(qū)的InyGai_yN量子阱層，其中y大于S8中的X，然后將溫度升高到830°C至850°C，生長(zhǎng)MQW有源區(qū)的GaN勢(shì)壘層，MQW的周期為9至 15 ; s10:將溫度調(diào)整到750°C至810°C，生長(zhǎng)低溫?fù)诫sSi的GaN層，即η型GaN層； s11:將溫度保持在750°C至810°C，生長(zhǎng)摻雜Si的InGaN層，即歐姆接觸層； s12:整個(gè)GaN結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)完后，將溫度降低到710°C至730°C，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行退火處理。
4.一種GaN基LED結(jié)構(gòu)，包括高溫?fù)诫sMg的p型GaN層，和摻雜Si的η型GaN層，其特征在于，所述摻雜Si的η型GaN層在所述高溫?fù)诫sMg的ρ型GaN層之上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種GaN基LED結(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括高摻雜Mg的P+-GaN層和高摻雜Si的η+型GaN層，所述高溫?fù)诫sMg的ρ型GaN層在所述高摻雜Mg的P+-GaN層之上，所述高摻雜Mg的P+-GaN層在高摻雜Si的η+型GaN層之上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種GaN基LED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述GaN基LED結(jié)構(gòu)從下往上依次包括:圖形化藍(lán)寶石襯底，20-30nm U-GaN緩沖層，2000_2500nm U-GaN緩沖層，3000nm η型GaN, 20至40nm高慘雜Si的n+型GaN, 20至40nm高慘雜Mg的p+型GaN,.1000 至 1500nm 摻雜 Mg 的 ρ 型 GaN，2-4 周期 InxGahNAiaN 淺 MQW，9-15 周期 InyGa^yNAiaNMQW有源區(qū)(其中y大于X)，GaN勢(shì)壘層，摻雜Si的η型GaN層和摻雜Si的InGaN歐姆接觸層。
【文檔編號(hào)】H01L33/22GK103715322SQ201310744819
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】楊曉杰, 李曉東 申請(qǐng)人:蘇州矩陣光電有限公司