CN108682720A - 一种GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED外延结构及其制备方法，GaN基LED外延结构，包括Si衬底；所述Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、第一N型GaN层、第二N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述第二N型GaN层包括Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层；制备方法包括：第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层和第一N型GaN层；第二生长步骤：Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔生长；第三生长步骤：生长InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基LED外延结构；该结构增加量子阱内的电子浓度，提升LED的光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
随着发光二极管(LED)制造技术的进步，在大失配衬底上生长GaN材料成为现实。在此技术背景下，用廉价、大尺寸的Si衬底来取代目前商用LED普遍采用的蓝宝石与SiC衬底，能够有效降低LED的制造成本，具有极大的市场竞争优势。然而，由于Si衬底与GaN材料存在很大的晶格失配与热失配，在Si衬底上生长得到的GaN材料晶体质量较差，这使得Si衬底上的LED难以匹配蓝宝石与SiC衬底上复杂的LED外延结构。主要体现为以下两方面：第一，Si衬底上的GaN外延材料的质量较差，为了保持不因超过临界厚度发生弛豫而产生过多的晶体缺陷，后段结构必须严格控制厚度与组分；第二，GaN材料本身质量较差，导致其不能通过重掺杂来提高量子阱内载流子的浓度。这两方面对Si衬底上的蓝光LED外延结构的设计带来了困难，限制了其性能的进一步提升。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种GaN基LED外延结构，该结构保持质量的前提下，增加量子阱内的电子浓度，提升LED的光电性能。
本发明的第二个目的在于提供一种上述GaN基LED外延结构的制备方法。
实现本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种GaN基LED外延结构，包括Si衬底；所述Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、第一N型GaN层、第二N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述第二N型GaN层包括至少一层Si掺杂GaN层和至少一层不掺杂GaN层；所述Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔叠合设置；所述Si掺杂GaN层的Si掺杂浓度为1×1019-1×1020cm-3。
进一步地，所述AlN层的厚度为90-110nm。
进一步地，所述AlGaN层的厚度为250-450nm。
进一步地，所述第一N型GaN层的厚度为2-4μm，其掺杂有Si，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3。
进一步地，所述Si掺杂GaN的厚度为1-200nm；所述不掺杂GaN层的厚度为1-200nm。
进一步地，所述InGaN/GaN多量子阱层包括间隔叠合设置的InGaN阱层和GaN垒层；所述InGaN阱层的厚度为2-4nm；所述GaN垒层的厚度为10-15nm。
进一步地，所述InGaN/GaN多量子阱层的周期为3-12个。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度为20-50nm，其掺杂有Mg，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3。
进一步地，所述P型GaN层的厚度为150-300nm，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3。
实现本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：一种如上所述的GaN基LED外延结构的制备方法，包括：
第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层和第一N型GaN层；
第二生长步骤：通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN层；通入氨气、氢气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN层，Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔生长；
第三生长步骤：生长InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基LED外延结构。
进一步地，第一生长步骤中，第一N型GaN层的生长条件为温度900-1100℃，气压200Torr。
常规的生长工艺方法包括但不限于MOCVD(金属有机物化学气相沉积)。
本发明的配方设计原理如下：
AlGaN层具备两个方面的作用：一方面，AlGaN层掺入了Al组分，因此可以为生长在它之上的第一N型GaN层提供压缩的内应力，用以补偿降温过程中引入的拉伸的热应力，使外延薄膜不会产生裂纹；另一方面，它可以作为AlN层向后续层的过渡，减小由于掺入Al组分产生的晶格失配引起的晶体质量的恶化。
第一N型GaN层的作用是为LED有源区提供用于辐射复合的电子，而第二N型GaN层则可以通过间断生长Si掺杂GaN层(即掺杂Si)与不掺杂GaN层(即不掺杂Si)的方式在不引起晶体质量恶化的前提下提升掺杂浓度。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明GaN基LED外延结构以第二N型GaN层的间断掺杂Si方式提高了Si的掺杂浓度，有利于提高电子向量子阱的注入，使量子阱内的电子浓度保持在较高的水平，利于提高发光强度；同时在底层材料重掺的情况下量子阱的晶体质量不恶化，避免因晶体缺陷造成的发光强度的损耗，提升LED的光电性能。
附图说明
图1为具体实施方式的结构示意图；
图2为实施例光输出功率曲线图；
图中，1、Si衬底；2、AlN层；3、AlGaN层；4、第一N型GaN层；5、第二N型GaN层；51、Si掺杂GaN层；52、不掺杂GaN层；6、InGaN/GaN多量子阱层；61、In0.15Ga0.85N阱层；62、GaN垒层；7、电子阻挡层；8、P型GaN层。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1所示，一种GaN基LED外延结构，包括Si衬底1；Si衬底1上依序向上生长有AlN层2、AlGaN层3、第一N型GaN层4、第二N型GaN层5、InGaN/GaN多量子阱层6、电子阻挡层7和P型GaN层8；
第二N型GaN层5包括至少一层Si掺杂GaN层51和至少一层不掺杂GaN层52；Si掺杂GaN层51和不掺杂GaN层52间隔叠合设置；Si掺杂GaN层51的厚度为1-200nm；Si掺杂GaN层51的Si掺杂浓度为1×1019-1×1020cm-3；不掺杂GaN层52的厚度为1-200nm。
AlN层2的厚度为90-110nm；
Al0.7Ga0.3N层作为AlGaN层3，的厚度为250-450nm；
第一N型GaN层4的厚度为2-4μm，其掺杂有Si，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3；
InGaN/GaN多量子阱层6包括间隔叠合设置的In0.15Ga0.85N阱层61和GaN垒层62；In0.15Ga0.85N阱层6的厚度为2-4nm；GaN垒层62的厚度为10-15nm；InGaN/GaN多量子阱层6的周期为3-12个；
Al0.15Ga0.85N电子阻挡层作为电子阻挡层7，厚度为20-50nm，其掺杂有Mg，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3；
P型GaN层8的厚度为150-300nm，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3；
GaN基LED外延结构通过以下方法制备得到：
第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、Al0.7Ga0.3N层和第一N型GaN层；第一N型GaN层的生长条件为温度900-1100℃，气压200Torr；
第二生长步骤：通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN层；通入氨气、氢气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN层，Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔生长；
重复第二生长步骤，可生长多于一个周期的第二N型GaN层；
第三生长步骤：间隔生长In0.15Ga0.85N阱层和GaN垒层；重复In0.15Ga0.85N阱层和GaN垒层的生长步骤3-12次，得到3-12周期的InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基LED外延结构。
实施例：
一种GaN基LED外延结构，包括Si衬底；Si衬底上依序向上生长有AlN层、Al0.7Ga0.3N层、第一N型GaN层、第二N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
第二N型GaN层的周期为10，包括10层Si掺杂GaN层和10层不掺杂GaN层；Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔叠合设置；Si掺杂GaN层的厚度为3nm；Si掺杂GaN层的Si掺杂浓度为5×1019cm-3；不掺杂GaN层的厚度为1nm。
AlN层的厚度为100nm；
Al0.7Ga0.3N层的厚度为300nm；
第一N型GaN层的厚度为2.5μm，其掺杂有Si，掺杂浓度为5×1018cm-3；
InGaN/GaN多量子阱层包括间隔叠合设置的In0.15Ga0.85N阱层和GaN垒层；In0.15Ga0.85N阱层的厚度为3nm；GaN垒层的厚度为12nm；InGaN/GaN多量子阱层的周期为5个；
Al0.15Ga0.85N电子阻挡层的厚度为30nm，其掺杂有Mg，掺杂浓度为5×1017cm-3；
P型GaN层的厚度为200nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
GaN基LED外延结构通过以下方法制备得到：
清洗步骤：将单晶Si衬底放入体积百分数15％氢氟酸溶液中超声清洗5秒，再用去离子水超声清洗，最后用高纯干燥氮气吹干衬底备用；
第一生长步骤：以MOCVD工艺，温度1000℃、气压50Torr、通入氨气、氢气和三甲基铝，在Si衬底上生长AlN层；
温度1000℃、气压50Torr、通入氨气、氢气、三甲基铝和三甲基镓，生长Al0.7Ga0.3N层；
温度1000℃、气压200Torr、通入硅烷、氨气、氮气气和三甲基镓，生长第一N型GaN层；
第二生长步骤：以MOCVD工艺，温度1000℃、气压200Torr、通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN层，通入氨气、氢气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN层，Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔生长；
重复第二生长步骤9次，可生长10个周期的第二N型GaN层；
第三生长步骤：以MOCVD工艺，温度810℃、气压200Torr、通入氨气、氮气和三甲基镓，间隔生长In0.15Ga0.85N阱层和GaN垒层；重复In0.15Ga0.85N阱层和GaN垒层的生长步骤4次，得到5周期的InGaN/GaN多量子阱层；
温度950℃，气压200Torr、通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，生长Al0.15Ga0.85N电子阻挡层；
通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，生长P型GaN层，得到GaN基LED外延结构。
本实施例加入第二N型GaN层，其中Si掺杂GaN层的Si掺杂浓度达5×1019cm-3，能够大幅增加量子阱内的电子浓度，使得有更多的电子能够参与到LED的辐射复合中，从而提升了LED的发光强度；同时，由于采用了间断掺杂的方法，可以有效阻止由于重掺引起的点缺陷延伸变成线缺陷，保证量子阱的晶体质量。
对本实施例进行检测，对比例为不设有第二N型GaN层的LED外沿结构。如图2所示，实施例与对比例相比，光输出功率提升了13％。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延结构，包括Si衬底；其特征在于，所述Si衬底上依序向上生长有AlN层、AlGaN层、第一N型GaN层、第二N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述第二N型GaN层包括至少一层Si掺杂GaN层和至少一层不掺杂GaN层；所述Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔叠合设置；所述Si掺杂GaN层的Si掺杂浓度为1×1019-1×1020cm-3。
2.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlGaN层的厚度为250-450nm。
3.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一N型GaN层的厚度为2-4μm，其掺杂有Si，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3。
4.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述Si掺杂GaN的厚度为1-200nm；所述不掺杂GaN层的厚度为1-200nm。
5.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层包括间隔叠合设置的InGaN阱层和GaN垒层；所述InGaN阱层的厚度为2-4nm；所述GaN垒层的厚度为10-15nm。
6.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层的周期为3-12个。
7.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为20-50nm，其掺杂有Mg，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3。
8.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述P型GaN层的厚度为150-300nm，掺杂浓度为1×1017-1×1020cm-3。
9.一种如权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
第一生长步骤：在Si衬底上依序向上生长AlN层、AlGaN层和第一N型GaN层；
第二生长步骤：通入硅烷、氨气、氮气和三甲基镓，生长Si掺杂GaN层；通入氨气、氢气、氮气和三甲基镓，生长不掺杂GaN层，Si掺杂GaN层和不掺杂GaN层间隔生长；
第三生长步骤：生长InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，得到GaN基LED外延结构。
10.如权利要求9所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，第一生长步骤中，第一N型GaN层的生长条件为温度900-1100℃，气压200Torr。
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