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CN102969416A - 一种氮化物led外延片及其生长方法 - Google Patents

一种氮化物led外延片及其生长方法 Download PDF

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李盼盼
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Abstract

一种氮化物LED结构及生长方法，涉及半导体光电技术领域，其结构自下而上依次为衬底、低温缓冲层、非故意掺杂GaN、N型电子注入层、InGaN/GaN插入层、有源区、电子阻挡层、u-GaN/p-GaN超晶格、p-GaN空穴注入层。在N型电子注入层和有源区之间生长InGaN/GaN插入层有效缓解了有源区的应力，降低极化电场，减小量子阱限制斯塔克效应，提高亮度和抗静电特性；在电子阻挡层和P型空穴注入层之间插入u-GaN/p-GaN超晶格，提高了电流扩展能力，降低芯片工作电压。

Description

一种氮化物LED外延片及其生长方法
技术领域
本发明属于半导体光电技术领域，特别是指一种氮化物LED外延片的生产技术领域。
背景技术
氮化物LED作为固态光源具有高效、长寿命、环保等优点，被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明历史上的第二次革命，成为国际上半导体和照明领域研发和产业关注的焦点。但获得高亮度GaN基LED，在技术上还面临诸多难题。
其中一个主要问题是InGaN/GaN多量子阱中晶格失配引起的应力场造成辐射复合效率降低。InGaN/GaN多量子阱MQWs中晶格失配引起的应力场使得MQWs中能带发生倾斜，造成电子和空穴波函数发生空间分离，从而降低辐射复合几率，降低发光亮度。同时这些应力场造成LED芯片很容易由于被静电作用引起被击穿，即抗静电特能力差。
另一方面，目前LED结构设计中增加电流扩展效率是提高亮度的一个重要途径，但是电流扩展层一般在芯片上进行设计，工艺复杂且增加成本。在LED外延结构上设计电流扩展层是一种更为经济有效的方法。
发明内容
本发明目的是提出一种能加电流扩展能力、提高发光亮度的氮化物LED外延片。
本发明包括N型电子注入层、P型空穴注入层以及夹在所述N型电子注入层和P型空穴注入层之间的多量子阱有源区，且在所述多量子阱有源区和所述P型空穴注入层之间包含一电子阻挡层，其特征在于，在所述N型电子注入层和多量子阱有源区之间设置1～50对N型InGaN/GaN插入层，且在所述电子阻挡层和P型空穴注入层之间设置1～50对P型u-GaN/p-GaN超晶格层。
本发明通过在多量子阱有源区和N型电子注入层之间生长N型InGaN/GaN插入层以缓解有源区中的应力，降低极化电场，增加辐射复合；同时在电子阻挡层和P型空穴注入层之间插入u-GaN/p-GaN超晶格层，可以增加电流扩展能力，提高发光亮度和降低工作电压。
本发明另一目的是提出以上氮化物LED外延片的生长方法。
本发明在衬底上依次生长低温GaN缓冲层、非故意掺杂的GaN层和N型电子注入层；其特征在于在N型电子注入层上生长掺杂浓度为1×1017 cm-3～5×1019 cm-3的1～50对N型InGaN/GaN插入层；再在N型InGaN/GaN插入层上依次生长多量子阱有源区和电子阻挡层；在所述电子阻挡层上生长1～50对u-GaN/p-GaN超晶格层；最后再在u-GaN/p-GaN超晶格层上生长P型空穴注入层。
本发明工艺合理，方便生产，产品稳定性好，合格率高。
采用本发明生长的氮化物外延片用标准芯片工艺制成10min*23min LED芯片，由于InGaN/GaN插入层的引入，发光亮度得到了大幅度提高，同时LED芯片的抗静电特性(ESD)得到了很大改善，人体静电模式下ESD大于4000V通过率达到95%以上；使用u-GaN/p-GaN超晶格插入层，LED芯片的电压得到了降低，10mil*23mil芯片20mA下工作电压从3.2V下降到3.0V。
另外，所述N型InGaN/GaN插入层的生长温度介于上述多量子阱有源区中量子阱和量子垒生长温度之间。其目的主要是生长一层介于量子阱和量子垒的缓冲层材料，有利于之后有源区生长应力释放，获得质量更好的有源区量子阱。
在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，可以只对InGaN进行N型掺杂，或者只对GaN进行掺杂，也可以同时对InGaN/GaN进行掺杂。掺杂剂选用Si等可以作为N型掺杂的元素。
在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，可以采用超晶格生长方式生长，也可以生长几对较厚的InGaN/GaN，每层InGaN的厚度为1?～500?，每层GaN的厚度为1?～2000?。
在生长所述u-GaN/p-GaN超晶格层时，还可以采用P型掺杂的元素Mg对p-GaN层进行掺杂，掺杂浓度为1×1017 cm-3～5×1021 cm-3。在所描述的掺杂浓度范围内，有利于Mg的激活，以获得较高的空穴浓度，提高空穴注入效率，进而提高亮度。
在生长所述u-GaN/p-GaN超晶格层时，每层u-GaN的厚度为1 ?～500 ?，每层p-GaN的厚度为1 ?～2000 ?。采用u-GaN/p-GaN超晶格，Mg掺杂类似于Delta掺杂，更有利于有利获得高空穴浓度，提高发光亮度。
附图说明
图1是本发明所述氮化物LED外延片的一种结构示意图。
图中，100：衬底；101：低温缓冲层；102：非掺杂GaN；103：N型电子注入层；104：N型InGaN/GaN插入层；105：多量子阱有源区；106：电子阻挡层；107：u-GaN/p-GaN超晶格；108：p-GaN空穴注入层。
具体实施方式
生长过程采用MOCVD设备（Aixtron公司的Crius 31片商用机），所用V族源为氨气(NH3)，III族有机源材料为三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)， P型和N型的掺杂阱元素分别采用Mg和Si。衬底可选用蓝宝石、硅、碳化硅或砷化镓。
结合图1，生长步骤：
1、在衬底100上生长一层厚度为0.01～1 μm的GaN低温缓冲层101，以H2作为载气，生长温度为500～600 ℃，压力为50～1000mbar。本例的厚度为30 nm。
2、升温，在温度为800～1200 ℃、压力50～1000 mbar的条件下，在GaN低温缓冲层101上生长一层厚度约为2 μm的非故意掺杂的GaN层102。
3、再升温，在非故意掺杂的GaN层102上，于温度为800～1200 ℃，压力50～1000 mbar的条件下，采用Si或者其它可实现N型掺杂的元素，进行掺杂浓度为1×1019 cm-3的N型电子注入层103的生长，厚度为0.1～5 μm，本例为2 μm。
4、切换到N2条件，在N型电子注入层103上进行InGaN/GaN插入层104的生长：分两段生长，第一阶段生长3对InGaN/GaN，生长温度为940 ℃，每层InGaN的厚度为3 nm，每层GaN的厚度为40nm。GaN的掺杂浓度为1×1018 cm-3，InGaN的掺杂浓度为6×1017 cm-3；第二阶段生长20对InGaN/GaN超晶格层，生长温度为780 ℃，每层InGaN的厚度为1 nm，每层GaN的厚度为3 nm，其中对GaN进行N型掺杂，掺杂浓度为6×1017cm-3。
6、在InGaN/GaN插入层104上按常规方法生长多量子阱有源区105。
7、在多量子阱有源区105上常规方法生长电子阻挡层106。
8、在电子阻挡层106上，采用N2做为载气，进行3对u-GaN/p-GaN超晶格层107的生长，每层u-GaN的厚度为5 nm，每层p-GaN的厚度为5 nm，p-GaN中Mg掺杂浓度为1×1017～5×1021cm-3。
9、在u-GaN/p-GaN超晶格层107上常规方法生长p-GaN空穴注入层108。

Claims (10)

1.一种氮化物LED外延片，包括N型电子注入层、P型空穴注入层以及夹在所述N型电子注入层和P型空穴注入层之间的多量子阱有源区，且在所述多量子阱有源区和所述P型空穴注入层之间包含一电子阻挡层，其特征在于，在所述N型电子注入层和多量子阱有源区之间设置1～50对N型InGaN/GaN插入层，且在所述电子阻挡层和P型空穴注入层之间设置1～50对P型u-GaN/p-GaN超晶格层。
2.如权利要求1所述氮化物LED外延片的生长方法，在衬底上依次生长低温GaN缓冲层、非故意掺杂的GaN层和N型电子注入层；其特征在于在N型电子注入层上生长掺杂浓度为1×1017 cm-3～5×1019 cm-3的1～50对N型InGaN/GaN插入层；再在N型InGaN/GaN插入层上依次生长多量子阱有源区和电子阻挡层；在所述电子阻挡层上生长1～50对u-GaN/p-GaN超晶格层；最后再在u-GaN/p-GaN超晶格层上生长P型空穴注入层。
3.根据权利要求2所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于所述N型InGaN/GaN插入层的生长温度介于上述多量子阱有源区中量子阱和量子垒生长温度之间。
4.根据权利要求2或3所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，只对InGaN进行N型掺杂。
5.根据权利要求2或3所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，只对GaN进行掺杂。
6.根据权利要求2或3所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，同时对InGaN/GaN进行掺杂。
7.根据权利要求2或3所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，采用超晶格生长方式生长。
8.根据权利要求2或3所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在所述N型InGaN/GaN插入层的生长时，生长几对较厚的InGaN/GaN，每层InGaN的厚度为1?～500?，每层GaN的厚度为1?～2000?。
9.根据权利要求2所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在生长所述u-GaN/p-GaN超晶格层时，采用P型掺杂的元素对p-GaN层进行Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017 cm-3～5×1021 cm-3。
10.根据权利要求2所述氮化物LED外延片的生长方法，其特征在于在生长所述u-GaN/p-GaN超晶格层时，每层u-GaN的厚度为1 ?～500 ?，每层p-GaN的厚度为1?～2000?。
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