專利名稱：一種氮化物led外延片及其生長方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體光電技術領域，特別是指一種氮化物LED外延片的生產(chǎn)技術領域。
背景技術：
氮化物LED作為固態(tài)光源具有高效、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點，被譽為繼愛迪生發(fā)明電燈后人類照明歷史上的第二次革命，成為國際上半導體和照明領域研發(fā)和產(chǎn)業(yè)關注的焦點。但獲得高亮度GaN基LED，在技術上還面臨諸多難題。其中一個主要問題是InGaN/GaN多量子阱中晶格失配引起的應力場造成輻射復合效率降低。InGaN/GaN多量子阱MQWs中晶格失配引起的應力場使得MQWs中能帶發(fā)生傾 斜，造成電子和空穴波函數(shù)發(fā)生空間分離，從而降低輻射復合幾率，降低發(fā)光亮度。同時這些應力場造成LED芯片很容易由于被靜電作用引起被擊穿，即抗靜電特能力差。另一方面，目前LED結構設計中增加電流擴展效率是提高亮度的一個重要途徑，但是電流擴展層一般在芯片上進行設計，工藝復雜且增加成本。在LED外延結構上設計電流擴展層是一種更為經(jīng)濟有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種能加電流擴展能力、提高發(fā)光亮度的氮化物LED外延片。本發(fā)明包括N型電子注入層、P型空穴注入層以及夾在所述N型電子注入層和P型空穴注入層之間的多量子阱有源區(qū)，且在所述多量子阱有源區(qū)和所述P型空穴注入層之間包含一電子阻擋層，其特征在于，在所述N型電子注入層和多量子阱有源區(qū)之間設置I 50對N型InGaN/GaN插入層，且在所述電子阻擋層和P型空穴注入層之間設置I 50對P型u-GaN/p-GaN超晶格層。本發(fā)明通過在多量子阱有源區(qū)和N型電子注入層之間生長N型InGaN/GaN插入層以緩解有源區(qū)中的應力，降低極化電場，增加輻射復合；同時在電子阻擋層和P型空穴注入層之間插入u-GaN/p-GaN超晶格層，可以增加電流擴展能力，提高發(fā)光亮度和降低工作電壓。本發(fā)明另一目的是提出以上氮化物LED外延片的生長方法。本發(fā)明在襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、非故意摻雜的GaN層和N型電子注入層；其特征在于在N型電子注入層上生長摻雜濃度為I X IO17 cm_3 5 X IO19 cm_3的I 50對N型InGaN/GaN插入層；再在N型InGaN/GaN插入層上依次生長多量子阱有源區(qū)和電子阻擋層；在所述電子阻擋層上生長I 50對u-GaN/p-GaN超晶格層；最后再在u-GaN/p-GaN超晶格層上生長P型空穴注入層。本發(fā)明工藝合理，方便生產(chǎn)，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，合格率高。采用本發(fā)明生長的氮化物外延片用標準芯片工藝制成10min*23min LED芯片，由于InGaN/GaN插入層的引入，發(fā)光亮度得到了大幅度提高，同時LED芯片的抗靜電特性(ESD)得到了很大改善，人體靜電模式下ESD大于4000V通過率達到95%以上；使用U-GaN/P-GaN超晶格插入層，LED芯片的電壓得到了降低，10mil*23mil芯片20mA下工作電壓從3. 2V下降到3. 0V。另外，所述N型InGaN/GaN插入層的生長溫度介于上述多量子阱有源區(qū)中量子阱和量子壘生長溫度之間。其目的主要是生長一層介于量子阱和量子壘的緩沖層材料，有利于之后有源區(qū)生長應力釋放，獲得質(zhì)量更好的有源區(qū)量子阱。在所述N型InGaN/GaN插入層的生長時，可以只對InGaN進行N型摻雜，或者只對GaN進行摻雜，也可以同時對InGaN/GaN進行摻雜。摻雜劑選用Si等可以作為N型摻雜的元素。在所述N型InGaN/GaN插入層的生長時，可以采用超晶格生長方式生長，也可以生長幾對較厚的InGaN/GaN，每層InGaN的厚度為lA 500A，每層GaN的厚度為lA 2000A。 在生長所述u-GaN/p-GaN超晶格層時，還可以采用P型摻雜的元素Mg對p-GaN層進行摻雜，摻雜濃度為IX IO17 cm_3 5X IO21 cm_3。在所描述的摻雜濃度范圍內(nèi)，有利于Mg的激活，以獲得較聞的空穴濃度，提聞空穴注入效率，進而提聞売度。在生長所述u-GaN/p-GaN超晶格層時，每層U-GaN的厚度為I A 500 A，每層P-GaN的厚度為I A 2000 A0采用u-GaN/p-GaN超晶格，Mg摻雜類似于Delta摻雜，更有利于有利獲得聞空穴濃度，提聞發(fā)光売度。


圖I是本發(fā)明所述氮化物LED外延片的一種結構示意圖。圖中，100 :襯底；101 :低溫緩沖層；102 :非摻雜GaN; 103 :N型電子注入層；104 N型InGaN/GaN插入層；105 :多量子阱有源區(qū)；106 :電子阻擋層；107 :u-GaN/p-GaN超晶格；
108:p_GaN空穴注入層。
具體實施例方式生長過程采用MOCVD設備(Aixtron公司的Crius 31片商用機),所用V族源為氨氣(NH3)，III族有機源材料為三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn)，P型和N型的摻雜阱元素分別采用Mg和Si。襯底可選用藍寶石、硅、碳化硅或砷化鎵。結合圖I，生長步驟
I、在襯底100上生長一層厚度為0. 01 I i! m的GaN低溫緩沖層101，以H2作為載氣，生長溫度為500 600 °C，壓力為50 IOOOmbar。本例的厚度為30 nm。2、升溫，在溫度為800 1200 °C、壓力50 1000 mbar的條件下，在GaN低溫緩沖層101上生長一層厚度約為2 ii m的非故意摻雜的GaN層102。3、再升溫，在非故意摻雜的GaN層102上，于溫度為800 1200 °C，壓力50 1000mbar的條件下，采用Si或者其它可實現(xiàn)N型摻雜的元素，進行摻雜濃度為IXlO19 cm_3的N型電子注入層103的生長，厚度為0. I 5 Pm，本例為2 Um04、切換到N2條件，在N型電子注入層103上進行InGaN/GaN插入層104的生長分兩段生長，第一階段生長3對InGaN/GaN，生長溫度為940 °C，每層InGaN的厚度為3 nm,每層GaN的厚度為40nm。GaN的摻雜濃度為I X IO18 cnT3，InGaN的摻雜濃度為6 X IO17 cm—3 ；第二階段生長20對InGaN/GaN超晶格層，生長溫度為780 V，每層InGaN的厚度為I nm，每層GaN的厚度為3 nm，其中對GaN進行N型摻雜，摻雜濃度為6X1017cm_3。6、在InGaN/GaN插入層104上按常規(guī)方法生長多量子阱有源區(qū)105。7、在多量子阱有源區(qū)105上常規(guī)方法生長電子阻擋層106。8、在電子阻擋層106上，采用N2做為載氣，進行3對u-GaN/p-GaN超晶格層107 的生長，每層U-GaN的厚度為5 nm,每層p_GaN的厚度為5 nm, p-GaN中Mg摻雜濃度為IXlO17 5X1021cm_3。9、在u-GaN/p-GaN超晶格層107上常規(guī)方法生長p_GaN空穴注入層108。
權利要求
1.一種氮化物LED外延片，包括N型電子注入層、P型空穴注入層以及夾在所述N型電子注入層和P型空穴注入層之間的多量子阱有源區(qū)，且在所述多量子阱有源區(qū)和所述P型空穴注入層之間包含一電子阻擋層，其特征在于，在所述N型電子注入層和多量子阱有源區(qū)之間設置I 50對N型InGaN/GaN插入層，且在所述電子阻擋層和P型空穴注入層之間設置I 50對P型u-GaN/p-GaN超晶格層。
2.如權利要求I所述氮化物LED外延片的生長方法，在襯底上依次生長低溫GaN緩沖層、非故意摻雜的GaN層和N型電子注入層；其特征在于在N型電子注入層上生長摻雜濃度為 IXlO17 CnT3 5X IO19 CnT3的 I 50 對 N型 InGaN/GaN 插入層；再在 N 型 InGaN/GaN 插入層上依次生長多量子阱有源區(qū)和電子阻擋層；在所述電子阻擋層上生長I 50對U-GaN/P-GaN超晶格層；最后再在u-GaN/p-GaN超晶格層上生長P型空穴注入層。
3.根據(jù)權利要求2所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于所述N型InGaN/GaN插入層的生長溫度介于上述多量子阱有源區(qū)中量子阱和量子壘生長溫度之間。
4.根據(jù)權利要求2或3所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述N型 InGaN/GaN插入層的生長時，只對InGaN進行N型摻雜。
5.根據(jù)權利要求2或3所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入層的生長時，只對GaN進行摻雜。
6.根據(jù)權利要求2或3所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入層的生長時，同時對InGaN/GaN進行摻雜。
7.根據(jù)權利要求2或3所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入層的生長時，采用超晶格生長方式生長。
8.根據(jù)權利要求2或3所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入層的生長時，生長幾對較厚的InGaN/GaN，每層InGaN的厚度為lA 500A，每層GaN的厚度為IA 2000A。
9.根據(jù)權利要求2所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在生長所述U-GaN/P-GaN超晶格層時，采用P型摻雜的元素對p-GaN層進行Mg摻雜，摻雜濃度為IXlO17 cm_3 5 X IO21 cm 3O
10.根據(jù)權利要求2所述氮化物LED外延片的生長方法，其特征在于在生長所述u-GaN/p-GaN超晶格層時,每層U-GaN的厚度為I A 500 A,每層ρ-GaN的厚度為lA 2000A。
全文摘要
一種氮化物LED結構及生長方法，涉及半導體光電技術領域，其結構自下而上依次為襯底、低溫緩沖層、非故意摻雜GaN、N型電子注入層、InGaN/GaN插入層、有源區(qū)、電子阻擋層、u-GaN/p-GaN超晶格、p-GaN空穴注入層。在N型電子注入層和有源區(qū)之間生長InGaN/GaN插入層有效緩解了有源區(qū)的應力，降低極化電場，減小量子阱限制斯塔克效應，提高亮度和抗靜電特性；在電子阻擋層和P型空穴注入層之間插入u-GaN/p-GaN超晶格，提高了電流擴展能力，降低芯片工作電壓。
文檔編號H01L33/06GK102969416SQ20121042939
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權日2012年11月1日
發(fā)明者李鴻漸, 李盼盼, 李志聰, 李璟, 王國宏 申請人:揚州中科半導體照明有限公司