一種具有n型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于提高靜電擊穿電壓的具有η型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，屬于光電子芯片結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有體積小、堅(jiān)固耐用、發(fā)光波段可控性強(qiáng)、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在全色顯示、背光源、信號(hào)燈、光電計(jì)算機(jī)互聯(lián)、短距離通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，逐漸成為目前電子電力學(xué)領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導(dǎo)率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管中有著廣泛的應(yīng)用和巨大的市場(chǎng)前景。照明領(lǐng)域?qū)ED提出越來(lái)越高的要求，如何提高GaN基LED的發(fā)光效率、亮度和降低生產(chǎn)成本是LED行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。提供可靠的結(jié)構(gòu)來(lái)提高光功率，從而大幅度提高LED產(chǎn)品的檔次是當(dāng)前研發(fā)的主要目標(biāo)。
[0003]提高光電轉(zhuǎn)換效率主要依靠提高內(nèi)量子效率和外量子效率，目前內(nèi)量子效率的提高已經(jīng)接近理論的極限狀態(tài)，而提升LED組建的光取出效率成為重要的課題。要求設(shè)計(jì)新的芯片結(jié)構(gòu)來(lái)改善出光效率，進(jìn)而提升發(fā)光效率(或外量子效率)，目前國(guó)內(nèi)外采用的主要工藝途徑有:倒裝技術(shù)、生長(zhǎng)DBR反射層結(jié)構(gòu)以及表面粗化技術(shù)、側(cè)壁腐蝕技術(shù)和襯底圖形化技術(shù)。η型區(qū)是制造GaN LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，nGaN結(jié)構(gòu)及其外延生長(zhǎng)方法是提高GaN基LED光取出效率和降低串聯(lián)電阻的關(guān)鍵。
[0004]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN102418146A公開的《一種有效提高GaN基LED發(fā)光效率的外延生長(zhǎng)方法》，該方法是在傳統(tǒng)的GaN基LED結(jié)構(gòu):襯底上的緩沖層、uGaN層、nGaN、n型電流擴(kuò)展層、η型空間層、量子阱有源區(qū)、P型電子阻擋層、P型GaN、接觸層的基礎(chǔ)上，在η型電流擴(kuò)散層和η型空間層之間加入一步表面處理的程序，將從襯底和GaN界面延伸至電流擴(kuò)散層的缺陷以及應(yīng)力進(jìn)行破壞和釋放，之后再通過(guò)生長(zhǎng)條件的控制將材料的表面恢復(fù)平整，然后再生長(zhǎng)量子阱有源區(qū)。與傳統(tǒng)的生長(zhǎng)技術(shù)相比，這樣生長(zhǎng)的量子阱受缺陷和應(yīng)力的影響較小，能有效的提高樣品的發(fā)光強(qiáng)度。但是該方法僅適用于藍(lán)綠光波段的GaN基LED的外延生長(zhǎng)。
[0005]CN201749864U公開的《一種具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED》，其結(jié)構(gòu)自下至上依次包括SiC或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQW層和P型GaN層，N型GaN層中設(shè)有一層厚度為20nm-100nm的AlGaN插入層。該LED是通過(guò)改變襯底材料和LED的生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在SiC、Si襯底上直接在生長(zhǎng)N型GaN層時(shí)插入一層AlGaN，從根本上增強(qiáng)發(fā)光二極管芯片的抗擊穿電壓，由于nGaN層本身較厚，插入AlGaN層時(shí)只需要引入TMA1，生長(zhǎng)非常容易實(shí)現(xiàn)，反向抗靜電能力由普通結(jié)構(gòu)的500V-1000V提高到了 2000V-4000V，反向擊穿電壓由原來(lái)的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了 80_100mcd。
[0006]但是上述技術(shù)中，對(duì)于η型結(jié)構(gòu)的處理，較難保證晶體的生長(zhǎng)質(zhì)量，后期芯片工藝容易產(chǎn)生裂片現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有GaN基LED結(jié)構(gòu)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種能夠提高靜電擊穿電壓的具有η型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠束縛空穴、阻擋電子，從而提升亮度并且P型超晶格的晶格失配小。同時(shí)提供一種該結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法。
[0008]本發(fā)明的具有η型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底，襯底上由下至上依次設(shè)置有成核層、緩沖層、η型結(jié)構(gòu)、多量子阱發(fā)光層和P型GaN層；所述η型結(jié)構(gòu)由下至上依次為插入層和η型GaN層，或者是η型GaN層、插入層和η型GaN層，或者是η型GaN層和插入層，所述插入層為L(zhǎng)D/nAlJriYGamN/HD的η型超晶格結(jié)構(gòu)，LD層為低摻雜IiAluGapuN層，HD 層為高摻雜 nAlzGai_zN 層，其中 O 彡 U彡 0.85，0<Z< 0.9，O 彡 X彡 0.5，O 彡 Y< 0.5，X+Y ^ 1
[0009]所述襯底為藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底、氮化鎵襯底之一。
[0010]所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一。
[0011 ] 所述緩沖層是非摻雜的氮化鎵層。
[0012]所述LD層的厚度為5-20nm，其中Si摻雜濃度為I X 1016/cnT3-4X 1018/αιΓ3。
[0013]所述HD 層厚度為 10-35nm，其中 Si 摻雜濃度為 1.5 X 1019/cnT3-5 X 102°/cnT3。
[0014]所述ηΑ1χΙηγ6&1_χ_γΝ 層厚度為 10_60nm，其中 Si 摻雜濃度為 5 X 1017/cm_3_5 X 119/
_3
cm ο
[0015]所述?)/ηΑ1χΙηγ6&1_χ_γΝ/Η0的η型超晶格的循環(huán)周期為3-30。
[0016]所述多量子阱發(fā)光層，由5-20個(gè)周期的InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層交互疊加構(gòu)成；單個(gè)周期的所述InGaN勢(shì)阱層的厚度為2-3.5nm，單個(gè)周期的所述GaN勢(shì)皇層的厚度為3-14nm。
[0017]所述P 型 GaN 層為摻 Mg 的 GaN，Mg 摻雜濃度為 5 X 1018/cnT3-5 X 1019/cnT3。
[0018]在LED結(jié)構(gòu)中所謂的摻雜就是指摻Si或摻Mg，本發(fā)明中低摻、高摻是指摻Si的濃度的相對(duì)高低。典型地如低摻η-GaN層中Si濃度約為1016/cm_3、高摻η-GaN層中Si濃度約為 12Vcm-3O
[0019]在LED結(jié)構(gòu)中，η型區(qū)的摻雜濃度主要取決于Si的濃度，Si濃度高，則電子濃度高，從而提高電子迀移率，降低發(fā)光電壓。同時(shí)，η型區(qū)生長(zhǎng)的好壞決定著整個(gè)LED結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別反向電壓、抗靜電能力和漏電等參數(shù)。本發(fā)明的LED外延結(jié)構(gòu)采用低摻與高摻的組合，不僅可以提供較多的電子，也為之后多量子阱層的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
[0020]上述具有η型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
(1)將襯底放入金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備的反應(yīng)室中，在氫氣氣氛下加熱到 1000-1300°C，處理 5-15 分鐘；
(2)在處理過(guò)的襯底上生長(zhǎng)成核層(氮化鎵、氮化鋁或者鋁鎵氮)，生長(zhǎng)溫度440-80(TC，厚度 15_60nm ；
(3)在成核層上生長(zhǎng)緩沖層(非摻雜氮化鎵)，生長(zhǎng)溫度為1000-120(TC，厚度為1-2.5 μ m ；
(4)在緩沖層上生長(zhǎng)η型結(jié)構(gòu)，包括插入層和η型GaN層，或者η型GaN層、插入層和η型GaN層，或者η型GaN層和插入層；其中插入層υ)/ηΑ1χΙηγ6&1_χ_γΝ/Η0的η型超晶格的結(jié)構(gòu)按以下步驟依次生長(zhǎng): ①LD層為低摻雜IiAluGa1H1N層，生長(zhǎng)溫度為650_1300°C，生長(zhǎng)壓力為300_800torr，Si濃度為 I X 1016/cnT3-4X 1018/cnT3，厚度為 5_20nm, O ^ U ^ 0.85 ；
②nAlxInYGa^N層生長(zhǎng)溫度為700-1350°C，生長(zhǎng)壓力為150_500torr，O彡X彡0.5，O 彡 Y < 0.5，X+Y 彡 1，厚度為 10-60nm，Si 摻雜濃度為 5 X 1017/cnT3-5 X 1019/cnT3;
③HD層為高摻雜nAlzGai_zN層，生長(zhǎng)溫度為650_1300°C，生長(zhǎng)壓力為300_800torr，Mg濃度為 1.5 X 1019/cnT3-5 X 12Vcm-3,厚度為 10_35nm, O < Z ^ 0.9 ；
LDZnAlxInyGaN1^xVHD 的 η 型超晶格周期為 3-30 ；
插入層UVnAlxInYGamNAlD各層中Al、In組分的含量通過(guò)有機(jī)鋁源(如TMA1)、有機(jī)銦源(如TMIn)的流量分別予以控制，Mg濃度通過(guò)有機(jī)鎂源(如二茂鎂)控制。
[0021](5)在上述η型結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層，由5-20個(gè)周期的InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層交互疊加構(gòu)成；單個(gè)周期的所述InGaN勢(shì)講層的厚度為2_3.5nm，單個(gè)周期的所述GaN勢(shì)皇層的厚度為3-14nm ；
(6)在上述多量子阱發(fā)光層上生長(zhǎng)P型GaN層，生長(zhǎng)溫度為800-1200°C，Mg摻雜濃度為 5 X 118/cm 3-5 X 119/cm 3。
[0022]各個(gè)生長(zhǎng)層均為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)外延生長(zhǎng)層。
[0023]本發(fā)明采用?νηΑ1χΙηγ6&1_χ_γΝ/Η0的η型超晶格結(jié)構(gòu)，低摻部分與底層結(jié)構(gòu)匹配性較好，高摻部分提供大量的電子；低摻和高摻的結(jié)合，在大量提供電子的情況下，減少結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)密度，為多量子阱有源區(qū)的生長(zhǎng)提供材料支持。同時(shí)，結(jié)合nAlxInYGai_x_YN層的生長(zhǎng)，阻擋電子外溢，提高材料的抗靜電能力。
[0024]本發(fā)明成功地克服了現(xiàn)有技術(shù)一味采用高摻nGaN降低發(fā)光電壓的方法，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了突破，借鑒多年的晶體生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)，意外發(fā)現(xiàn)利用高摻nGaN和低摻nGaN，配合中間的ηΑ1χΙηγ6&1_χ_γΝ層。該方法可以提高電子濃度，從而提高電子迀移率，降低發(fā)光電壓；同時(shí)，η型區(qū)生長(zhǎng)的好壞決定著整個(gè)LED結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，特別反向電壓、抗靜電能力和漏電等參數(shù)。本發(fā)明的LED外延結(jié)構(gòu)采用低摻與高摻的組合，不僅可以提供較多的電子，也優(yōu)化了外延層晶體質(zhì)量，為之后多量子阱層的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。
[0025]使用本發(fā)明的方法生長(zhǎng)，管芯電壓比正常電壓低5%_8%，抗靜電能力表現(xiàn)良好。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明具有η型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0027]圖2是η型超晶格結(jié)構(gòu)的單個(gè)循環(huán)周期示意圖。
[0028]圖中，1、襯底，2、成核層，3、緩沖層，4、η型結(jié)構(gòu)，41、LD 層 UAlatl2Gaa98N), 42、nAl0.Jn0.3Ga0.6N 層，43、HD 層(nAl0.02In0.3Ga0.68N)，5、多量子阱發(fā)光層，6、P 型 GaN 層。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如圖1，本發(fā)明的具有n型超晶格結(jié)構(gòu)的LED外延結(jié)構(gòu)，是在襯底I上由下至上依次生長(zhǎng)有成核層2、緩沖層3、η型結(jié)構(gòu)4、多量子阱發(fā)光層5和P型GaN層6。襯底I為藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底、氮化鎵襯底之一。成核層2是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一。緩沖層3是非摻雜的氮化鎵層。所述η型結(jié)構(gòu)4由下至上依次為插入層和η型GaN層，或者是η型GaN層、插入層和η型GaN層，或者是η型GaN層和插入層。所述插入層為L(zhǎng)D/nAlxInYGamN/HD的η型超晶格結(jié)構(gòu)，如圖2，LD層41為低摻雜nAluGa^N層，HD層43 為高摻雜 nAlzGai_zN 層，其中 O 彡 U 彡 0.85，O < Z 彡 0.9，O 彡 X 彡 0.5，O 彡 Y < 0.5，X+Y彡I ;LD層的厚度為5-20nm，其中Si摻雜濃度為I X 1016/CnT3-4X 1018/CnT3;HD層厚度為 10-35nm，其中 Si 摻雜濃度為 1.5 X 1019/cnT3-5 X 1027cnT3;nAl xInYGa卜X_YN 層 42 厚度為10-60nm，其中 Si 摻雜濃度為 5 X 1017/cnT3-5 X 1019/cnT3。LD/nAlxInYGai_x_YN/HD 的 η 型超晶格的循環(huán)周期為3-30。多量子阱發(fā)光層5由5-20個(gè)周期的InGaN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)皇層交互疊加構(gòu)成；單個(gè)周期的所述InGaN勢(shì)講層的厚度為2_3.5nm，單個(gè)周期的所述GaN勢(shì)皇層的厚度為3-14nm。P型GaN層6為摻Mg的GaN材料，其生長(zhǎng)溫度為800_1200°C，Mg摻雜濃度為 5X 1018/cnT3-5X 1019/cnT3。