一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種GaN基LED的外延結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵(GaN)作為第三代直接能隙寬禁帶半導(dǎo)體，在光電技術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。以GaN基發(fā)光二極管(LED)為核心的半導(dǎo)體照明技術(shù)作為新興的光源技術(shù)，具有亮度高、功耗低、壽命長、啟動(dòng)快、體積小、安全環(huán)保等突出優(yōu)勢，被稱為新一代綠色環(huán)保型照明光源，使其有望取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈，帶來人類照明歷史上的第二次革命。
[0003]盡管近年來GaN基LED技術(shù)發(fā)展很快，LED的外延結(jié)構(gòu)和外延技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是隨著大功率LED芯片的興起，GaN基LED在大電流注入下的發(fā)光效率會(huì)明顯降低，這種現(xiàn)象稱為Droop效應(yīng)。GaN基LED的Droop效應(yīng)起因十分復(fù)雜，學(xué)術(shù)界經(jīng)過探索，比較傾向的原因是電子溢出。由于電子在量子阱中的分布不平衡，量子阱中局部區(qū)域因填充了勢能越來越高的電子而溢出量子阱外，這種現(xiàn)象在大電流注入下表現(xiàn)的更明顯，因此導(dǎo)致大電流注入下的發(fā)光效率明顯降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種能有效的抑制大電流下的電子溢出，降低GaN基LED的Droop效應(yīng)的外延結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)自下而上依次包括:襯底、緩沖層、非故意摻雜GaN層、η型摻雜GaN層、低溫η型摻雜AlGaN層、多量子講有源層、電子阻擋層、P型摻雜GaN層。
[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)有的技術(shù)問題提出了一種簡便易行的方法，即通過在η型摻雜GaN層和多量子阱有源層之間生長一層低溫η型摻雜的AlGaN層，用來抑制大電流下量子阱中的電子溢出，提高量子阱中的電子和空穴分布的均勻性，增加其中電子空穴的輻射復(fù)合率，從而提高LED的光輸出功率，降低Droop效應(yīng)。
[0007]本發(fā)明還提出以上外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法。
[0008]在襯底上生長緩沖層，在緩沖層上生長非故意摻雜GaN層，在非故意摻雜GaN層上生長η型摻雜GaN層，在η型摻雜GaN層上生長低溫η型摻雜AlGaN層，在低溫η型摻雜AlGaN層上生長多量子阱有源層，在多量子阱有源層上生長電子阻擋層，在電子阻擋層上生長P型摻雜GaN層。所述低溫η型摻雜AlGaN層的生長溫度比所述η型摻雜GaN層的生長溫度低260°C?320。。。
[0009]本發(fā)明工藝簡單，采用溫度低于η型摻雜GaN層的生長溫度260°C?320°C的方法在η型摻雜GaN層上生長形成低溫η型摻雜AlGaN層，用來抑制大電流下量子阱中的電子溢出，提高量子阱中的電子和空穴分布的均勻性，增加其中電子空穴的輻射復(fù)合率，從而提高LED的光輸出功率，降低Droop效應(yīng)。采用低溫生長的方式，能夠更好的釋放應(yīng)力，利于后續(xù)多量子阱有源層的生長。
[0010]進(jìn)一步地，所述低溫η型摻雜AlGaN層的生長溫度為820°C?880°C。
[0011]所述低溫η型摻雜AlGaN層生長氣氛為NdPH2的混合氣氛;所述犯和出的混合摩爾比為2?8:1。在生長氣氛中加入H2能提高外延層的結(jié)晶質(zhì)量，減少后續(xù)做成芯片后的漏電問題。
[0012]所述低溫η型摻雜416&1'1層的生長壓力為8011^31'?30011^31 ；所述低溫η型摻雜AlGaN層的厚度為5nm?80nm。
[0013]所述低溫η型摻雜AlGaN層的Al組分沿生長方向的變化方式，或始終保持不變，或線性增加，或線性減少，其Al組分為0.05?0.25。通過改變不同的Al組分以及漸變方式，能夠改變該處能帶的彎曲程度，達(dá)到控制電子注入多量子阱有源層的目的。同時(shí)，采用漸變的結(jié)構(gòu)還能減少界面處的缺陷問題。
[0014]所述低溫η型摻雜AlGaN層既可以采用單層結(jié)構(gòu)的生長方式，也可以采用疊層結(jié)構(gòu)的生長方式，該層總厚度為5nm?80nm。采用疊層結(jié)構(gòu)的生長方式時(shí)，所述疊層結(jié)構(gòu)為η型摻雜的AlGaN/GaN超晶格;所述η型摻雜AlGaN/GaN超晶格的對數(shù)為2?8對，每層AlGaN的厚度為5nm?20nm，每層GaN的厚度為5nm?20nm。采用疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，同樣是通過改變該處的能帶，以達(dá)到控制電子注入多量子阱有源層的目的。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明所述GaN基LED的外延結(jié)構(gòu)。
[0016]圖中，100:襯底；101:緩沖層；102:非故意摻雜GaN層；103: η型摻雜GaN層；104: Ig溫η型摻雜AlGaN層；105:多量子阱有源層；106:電子阻擋層；107:ρ型摻雜GaN層。
【具體實(shí)施方式】
[0017]一、本發(fā)明實(shí)施過程采用MOCVD設(shè)備生長，生長中以氨氣(NH3)作為咐原；以三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)作為Ga源；以三甲基銦(TMIn)作為In源；以三甲基鋁(TMAl)作為Al源；以硅烷(SiH4)作為η型摻雜源；以二茂鎂(Cp2Mg)作為P型摻雜源；以氫氣(H2)或氮?dú)?N2)作為載氣。
[0018]下面結(jié)合圖1進(jìn)一步說明本發(fā)明的生長步驟:
1、在襯底100上生長一層厚度在20nm?40nm之間的緩沖層101，生長所需的Ga源使用TMGa，生長氣氛為H2氣氛，生長溫度為500°C?600°C，生長壓力為600mbar?700mbar。
[0019]2、在緩沖層101上生長一層厚度為2000nm左右的非故意摻雜GaN層102，生長所需的Ga源使用TMGa，生長氣氛為H2氣氛，生長溫度為1100°C?1150°C，生長壓力為250mbar?650mbaro
[0020]3、在非故意摻雜GaN層102上生長一層厚度為2000nm左右的η型摻雜GaN層103，生長所需的Ga源使用TMGa，生長氣氛為H2氣氛，生長溫度為1100°C?1150°C，生長壓力為10mbar?200mbar，n型慘雜Si的慘雜濃度在5 X 1017cm—3?4 X 1019cm—3之間。
[0021]4、在η型摻雜GaN層103上生長一層總厚度在5nm?80nm之間的低溫η型摻雜AlGaN層104，生長所需的Ga源使用TMGa，Al源使用TMAl，A1組分在0.05?0.25之間。生長氣氛切換為N2和H2的混合氣氛，N2/H2摩爾比在2?8:1之間，生長溫度為820°(3?880°(3，生長壓力為80mbar?300mbar，n型慘雜Si的慘雜濃度在5 X 1018cm—3?4 X 1019cm—3之間。
[0022]按照低溫η型摻雜AlGaN層104的Al組分及生長結(jié)構(gòu)的不同，該層有多種不同的生長方式，現(xiàn)以不同的實(shí)施例予以說明。
[0023]實(shí)施例Α:
低溫η型摻雜AlGaN層104采用單層結(jié)構(gòu)的生長方式，Al組分沿生長方向始終保持不變，其Al組分為0.05?0.25。
[0024]實(shí)施例B:
低溫η型摻雜AlGaN層104采用單層結(jié)構(gòu)的生長方式，Al組分沿生長方向線性增加，其Al組分沿生長方向從0.05線性增加到0.25。
[0025]實(shí)施例C:
低溫η型摻雜AlGaN層104采用單層結(jié)構(gòu)的生長方式，Al組分沿生長方向線性減少，其Al組分沿生長方向從0.25線性減少到0.05。
[0026]實(shí)施例D:
低溫η型摻雜AlGaN層104采用疊層結(jié)構(gòu)的生長方式，共生長2?8對η型摻雜的AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)。每層AlGaN的厚度為5nm?20nm，每層GaN的厚度為5nm?20nm。每層AlGaN的Al組分沿生長方向始終保持不變，其Al組分為0.05?0.25。
[0027]5、在低溫η型摻雜AlGaN層104上生長多量子阱有源層105，共生長5?20對InGaN/GaN量子阱，阱的厚度為3nm左右，皇的厚度為8nm左右，生長所需的Ga源使用TEGa，In源使用TMIn。生長氣氛切換為N2氣氛，生長溫度為760°C?860°C，生長壓力為300mbar?400mbar。
[0028]6、在多量子講有源層105上生長一層厚度在15nm?25nm之間的電子阻擋層106，電子阻擋層106使用P型摻雜AlGaN層，生長所需的Ga源使用TEGa，Al源使用TMAl，生長氣氛為N2氣氛，生長溫度為820°C?860°C，生長壓力為10mbar?200mbaro
[0029]7、在電子阻擋層106上生長一層厚度在50nm?10nm之間的P型摻雜GaN層107，生長所需的Ga源使用TMGa，生長氣氛切換為H2氣氛，生長溫度為950°C?1050°C，生長壓力為450mbar?650mbar，p型慘雜Mg的慘雜濃度在5 X 1019cm—3?5 X 102Qcm—3之間。
[0030]二、制成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn):
如圖1所示，本發(fā)明自下而上依次包括:襯底100、緩沖層101、非故意摻雜GaN層102、n型摻雜GaN層103、低溫η型摻雜AlGaN層104、多量子阱有源層105、電子阻擋層106和P型摻雜GaN層107。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，自下而上包括:襯底、緩沖層、非故意摻雜GaN層、η型摻雜GaN層、多量子阱有源層、電子阻擋層、P型摻雜GaN層;其特征在于:在η型摻雜GaN層和多量子阱有源層之間設(shè)置低溫η型摻雜AlGaN層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，包括在襯底上生長緩沖層，在緩沖層上生長非故意摻雜GaN層，在非故意摻雜GaN層上生長η型摻雜GaN層，在多量子阱有源層上生長電子阻擋層，在電子阻擋層上生長P型摻雜GaN層;其特征在于:在所述η型摻雜GaN層上生長低溫η型摻雜AlGaN層，所述多量子阱有源層生長在低溫η型摻雜AlGaN層上;所述低溫η型摻雜AlGaN層的生長溫度比所述η型摻雜GaN層的生長溫度低260°C?320°C。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述低溫η型摻雜AlGaN層的生長溫度為820°C?880°C。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述低溫η型摻雜AlGaN層生長氣氛為Ν2和Η2的混合氣氛;所述低溫η型摻雜AlGaN層的生長壓力為80mbar?300mbar ；所述低溫η型摻雜AlGaN層的厚度為5nm?80nm。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述N2和H2的混合摩爾比為2?8:1。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于:所述低溫η型摻雜AlGaN層的Al組分沿生長方向始終保持不變，其Al組分為0.05?0.25。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述低溫η型摻雜AlGaN層的Al組分沿生長方向線性增加，其Al組分沿生長方向從0.05線性增加到0.25。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述低溫η型摻雜AlGaN層的Al組分沿生長方向線性減少，其Al組分沿生長方向從0.25線性減少到0.05。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述低溫η型摻雜AlGaN層采用單層結(jié)構(gòu)的生長方式，所述單層結(jié)構(gòu)的厚度為5nm?80nmo10.根據(jù)權(quán)利要求2所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述低溫η型摻雜AlGaN層采用疊層結(jié)構(gòu)的生長方式，所述疊層結(jié)構(gòu)為η型摻雜的AlGaN/GaN超晶格;所述η型摻雜AlGaN/GaN超晶格的對數(shù)為2?8對，每層AlGaN的厚度為5nm?20nm，每層GaN的厚度為5nm?20nmo
【專利摘要】一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其生產(chǎn)方法，涉及半導(dǎo)體光電技術(shù)領(lǐng)域。其外延結(jié)構(gòu)自下而上依次為：襯底、緩沖層、非故意摻雜GaN層、n型摻雜GaN層、低溫n型摻雜AlGaN層、多量子阱有源層、電子阻擋層、p型摻雜GaN層。所述低溫n型摻雜AlGaN層位于n型摻雜GaN層和多量子阱有源層之間，能有效的抑制大電流下的電子溢出，提高量子阱中的電子和空穴分布的均勻性，增加其中電子空穴的輻射復(fù)合率，從而提高光輸出功率，降低Droop效應(yīng)。
【IPC分類】H01L33/06, H01L33/12, H01L33/00
【公開號(hào)】CN105514237
【申請?zhí)枴緾N201610018936
【發(fā)明人】戴俊, 閆其昂, 王明洋, 李志聰, 孫一軍, 王國宏
【申請人】揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2016年1月13日