CN109346574B - 一种提高氮化镓基led发光二极管亮度的外延片及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片及生长方法，以图形化蓝宝石为衬底，在其表面依次生长AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、发光层、低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层和p型接触层。本发明新型高温P氮化镓层通过采用长速渐变的超晶格生长方法，提高了镁原子的掺杂效率，使得p型层中空穴浓度增加；采用镓源间断开关的长法，一定程度上增加了外延片的外量子效率；起始在较低长速下生长一层薄的p层能够在较大程度上缓解p型AlGaN电子阻挡层与高温p型氮化镓层之间的应力，提升GaN发光效率；在最后1段高温超晶格层中通入Al源，进一步增加了对电子的阻挡作用。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片及生长方法。
背景技术
目前，随着LED(发光二极管)光效、亮度、显色指数以及可靠性的提高，LED已广泛应用于室内外照明、交通信号灯、全彩显示和电子产品背光源、汽车车灯以及植物照明等领域。与传统照明光源相比，氮化镓(GaN)基LED具有尺寸小、寿命长、响应速度快、功耗低、无污染、光谱范围宽以及色温可调等优点，由此在21世纪可预料到LED势必取代传统光源。
LED工作原理是通过电子和空穴在量子阱里复合发光，其中电子由掺Si的n层氮化镓提供，空穴由掺Mg的p层氮化镓提供。传统p层结构由低温p型电子阻挡层、高温p型氮化镓层和低温p型接触层构成，其中高温p型氮化镓层生长通常采用长速恒定的体结构生长。恒速长法使得外延结构层以层状方式逐层生长，外延层表面比较平整，从发光区出射光很容易在p层界面处发生全反射，降低了出光效率；同时，p型层中p型掺杂剂镁的激活能较高，采用体结构生长的高温p型氮化镓中Mg-H键不易断开，空穴浓度较低。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述传统高温p型氮化镓长法导致外延片出光效率低、空穴浓度低等技术难题，提出一种提高GaN基LED发光效率的P型GaN层生长方法，包括：蓝宝石图形化衬底、AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、发光层、低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层、p型接触层。
本发明的技术方案：
一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片，以图形化蓝宝石为衬底，在其表面依次生长AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层，其中AlN缓冲层采用磁控溅射方法沉积，n型GaN层以硅烷(SiH4)为掺杂剂；在n型GaN层上再生长发光层，发光层由数个周期的量子阱层和量子垒层构成；发光层长完后生长低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层和p型接触层，其中p型掺杂剂为二茂镁，新型高温p型氮化镓超晶格层又分成长速递增、数个周期的HTP1、HTP2、HTP3三段超晶格层，每个周期中采用Ga开Mg开/Ga关Mg开结构生长，HTP3超晶格层通入一定比例的铝，p型接触层采用体结构生长。
所述的AlN缓冲层厚度为10nm～80nm；
所述的本征GaN层厚度为2.0μm～6.0μm；
所述的n型GaN层厚度为2.0μm～10.0μm；
所述的发光层的周期数为5～15个，单个量子阱层厚度为3nm～6nm，单个量子垒层厚度为5nm～15nm；
所述的低温p型AlGaN电子阻挡层厚度为10nm～100nm；
所述的新型高温p型氮化镓超晶格层，MgGaN/MgN：HTP1周期数为3～10个、长速为0.1nm/s～0.5nm/s、厚度为5nm～25nm，MgGaN/MgN：HTP2周期数为5～15个、长速为0.15nm/s～0.8nm/s、厚度为7.5nm～40nm，AlMgGaN/MgN：HTP3周期数为6～18个、长速为0.2nm/s～1.0nm/s、厚度为20nm～100nm；
所述的p型接触层厚度为5nm～50nm；
提高GaN基LED发光效率的P型GaN层生长方法的优选条件：
所述的AlN缓冲层厚度为20nm～40nm；
所述的本征GaN层厚度为2.5μm～4.0μm；
所述的n型GaN层厚度为3.0μm～6.0μm；
所述的发光层的周期数为7～11个，单个量子阱层厚度为3nm～6nm，单个量子垒层厚度为5nm～15nm；
所述的低温p型AlGaN电子阻挡层厚度为20nm～60nm；
所述的新型高温p型氮化镓超晶格层，MgGaN/MgN：HTP1周期数为4～8个、长速为0.2nm/s～0.4nm/s、厚度为3nm～15nm，MgGaN/MgN：HTP2周期数为6～12个、长速为0.3nm/s～0.6nm/s、厚度为10nm～20nm，AlMgGaN/MgN：HTP3周期数为8～15个、长速为0.5nm/s～0.8nm/s、厚度为30nm～80nm；
所述的p型接触层厚度为10nm～30nm。
一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片生长方法，步骤如下：
步骤1：利用磁控溅射方法在图形化蓝宝石衬底上蒸镀一层AlN缓冲层；
步骤2：在AlN缓冲层上直接生长非故意掺杂的本征氮化镓层，生长温度为1050℃～1150℃，生长压力为700mbar～900mbar；
步骤3：在步骤2得到的本征氮化镓层上生长掺Si的n型GaN层，生长温度为1020℃～1100℃，生长压力为300mbar～500mbar，Si浓度为1*1018/cm3～1*1020/cm3；
步骤4：温度降到750℃～850℃后生长发光层，生长压力为200mbar～500mbar，发光层中的量子阱层与量子垒层温差在60℃～90℃；
步骤5：在步骤4得到的发光层上生长掺Mg的低温p型AlGaN电子阻挡层，生长温度为850℃～900℃，生长压力为200mbar～400mbar，Mg掺浓度为1*1018/cm3～1*1021/cm3；
步骤6：升温至1000℃～1020℃生长新型高温p型氮化镓超晶格层，生长压力为200mbar～400mbar，HTP1、HTP2、HTP3三段超晶格层顺序生长，长速依次递增，Mg掺浓度为1*1017/cm3～1*1020/cm3；
步骤7：温度降到750℃～800℃后在步骤6得到的p型氮化镓超晶格层上生长掺Mg的p型接触层，生长压力为150mbar～300mbar，Mg掺浓度为1*1018/cm3～1*1021/cm3；
步骤8：最后在氮气氛围下退火15～25分钟，退火温度为700℃～800℃。
所述的生长技术为金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，金属有机源三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，n型掺杂剂为硅烷(SiH4)，p型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)；载气为高纯H2、N2或者二者的混合气。
本发明的不同之处：本发明新型高温P氮化镓层通过采用长速渐变的超晶格生长方法，提高了镁原子的掺杂效率，使得p型层中空穴浓度增加；同时采用镓源间断开关的长法，一定程度上增加了外延片的外量子效率；同时，起始在较低长速下生长一层薄的p层能够在较大程度上缓解p型AlGaN电子阻挡层与高温p型氮化镓层之间的应力，提升GaN发光效率；在最后1段高温超晶格层中通入Al源，进一步增加了对电子的阻挡作用。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式，本实施例采用金属有机化合物化学气相淀积设备(MOCVD)
步骤1：利用磁控溅射方法在图形化蓝宝石衬底上蒸镀一层约25nm的AlN缓冲层，放在MOCVD腔体里进行外延生长；
步骤2：将温度升至约1050℃～1080℃，在800mbar～900mbar的压力下，生长约20分钟厚度为2.0μm～4.0μm的本征氮化镓层；
步骤3：在温度为1070℃～1090℃，在300mbar～400mbar的压力下，生长一层厚度为3.0μm～6.0μm掺Si的n型GaN层；
步骤4：在温度为810℃～840℃时，在300mbar～400mbar的压力下，生长一层5nm～10nm的GaN，然后再生长一层3nm～5nm少量掺In的InGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长8～15个周期，此连续的超晶格结构即为发光层结构；
步骤5：在温度为870℃～890℃时，在300mbar～400mbar的压力下，生长一层厚度为20nm～30nm的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层；
步骤6：升温至1000℃～1020℃生长新型高温p型氮化镓超晶格层，生长压力为200mbar～400mbar，HTP1、HTP2、HTP3三段超晶格层顺序生长，长速依次递增，Mg掺浓度为1*1017/cm3～1*1020/cm3，其中HTP1/HTP2超晶格结构层为MgGaN/MgN，HTP3超晶格结构层为MgAlGaN/MgN；HTP1周期数为4～8个、厚度为3nm～15nm，HTP2周期数为6～12个、厚度为10nm～20nm，HTP3周期数为8～15个、厚度为30nm～80nm；
步骤7：在温度为750℃～800℃时，在150mbar～300mbar的压力下，生长一层厚度为10nm～15nm的掺Mg的P型接触层；
步骤8：最后在氮气氛围下退火15～25分钟。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片，其特征在于，以图形化蓝宝石为衬底，在其表面依次生长AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层，其中AlN缓冲层采用磁控溅射方法沉积，n型GaN层以硅烷(SiH4)为掺杂剂；在n型GaN层上再生长发光层，发光层由数个周期的量子阱层和量子垒层构成；发光层长完后生长低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层和p型接触层，其中p型掺杂剂为二茂镁，新型高温p型氮化镓超晶格层又分成长速递增、数个周期的HTP1、HTP2、HTP3三段超晶格层，每个周期中采用Ga开Mg开/Ga关Mg开结构生长，HTP3超晶格层通入一定比例的铝，p型接触层采用体结构生长；
所述的AlN缓冲层厚度为10nm～80nm；
所述的本征GaN层厚度为2.0μm～6.0μm；
所述的n型GaN层厚度为2.0μm～10.0μm；
所述的发光层的周期数为5～15个，单个量子阱层厚度为3nm～6nm，单个量子垒层厚度为5nm～15nm；
所述的低温p型AlGaN电子阻挡层厚度为10nm～100nm；
所述的新型高温p型氮化镓超晶格层，MgGaN/MgN：HTP1周期数为3～10个、长速为0.1nm/s～0.5nm/s、厚度为5nm～25nm，MgGaN/MgN：HTP2周期数为5～15个、长速为0.15nm/s～0.8nm/s、厚度为7.5nm～40nm，AlMgGaN/MgN：HTP3周期数为6～18个、长速为0.2nm/s～1.0nm/s、厚度为20nm～100nm；
所述的p型接触层厚度为5nm～50nm。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片，其特征在于，
所述的AlN缓冲层厚度为20nm～40nm；
所述的本征GaN层厚度为2.5μm～4.0μm；
所述的n型GaN层厚度为3.0μm～6.0μm；
所述的发光层的周期数为7～11个，单个量子阱层厚度为3nm～6nm，单个量子垒层厚度为5nm～15nm；
所述的低温p型AlGaN电子阻挡层厚度为20nm～60nm；
所述的新型高温p型氮化镓超晶格层，MgGaN/MgN：HTP1周期数为4～8个、长速为0.2nm/s～0.4nm/s、厚度为3nm～15nm，MgGaN/MgN：HTP2周期数为6～12个、长速为0.3nm/s～0.6nm/s、厚度为10nm～20nm，AlMgGaN/MgN：HTP3周期数为8～15个、长速为0.5nm/s～0.8nm/s、厚度为30nm～80nm；
所述的p型接触层厚度为10nm～30nm。
3.一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片生长方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：利用磁控溅射方法在图形化蓝宝石衬底上蒸镀一层AlN缓冲层；
步骤2：在AlN缓冲层上直接生长非故意掺杂的本征氮化镓层，生长温度为1050℃～1150℃，生长压力为700mbar～900mbar；
步骤3：在步骤2得到的本征氮化镓层上生长掺Si的n型GaN层，生长温度为1020℃～1100℃，生长压力为300mbar～500mbar，Si浓度为1*1018/cm3～1*1020/cm3；
步骤4：温度降到750℃～850℃后生长发光层，生长压力为200mbar～500mbar，发光层中的量子阱层与量子垒层温差在60℃～90℃；
步骤5：在步骤4得到的发光层上生长掺Mg的低温p型AlGaN电子阻挡层，生长温度为850℃～900℃，生长压力为200mbar～400mbar，Mg掺浓度为1*1018/cm3～1*1021/cm3；
步骤6：升温至1000℃～1020℃生长新型高温p型氮化镓超晶格层，生长压力为200mbar～400mbar，HTP1、HTP2、HTP3三段超晶格层顺序生长，长速依次递增，Mg掺浓度为1*1017/cm3～1*1020/cm3；
步骤7：温度降到750℃～800℃后在步骤6得到的p型氮化镓超晶格层上生长掺Mg的p型接触层，生长压力为150mbar～300mbar，Mg掺浓度为1*1018/cm3～1*1021/cm3；
步骤8：最后在氮气氛围下退火15～25分钟，退火温度为700℃～800℃。
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