含有超晶格层的led结构外延生长方法及其结构的利记博彩app
【专利摘要】本发明提供了一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构，在生长发光层步骤与生长P型AlGaN层步骤之间，包括生长InN/GaN超晶格层的步骤：在温度为740-770℃、100mbar到800mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，生长InN/GaN超晶格层，每层InN厚度为1-2nm，每层GaN厚度为1-2nm；InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20-30nm。本发明在传统的发光层量子阱层和电子阻挡层（AlGaN：Mg）之间插入InN/GaN超晶格层，利用InN的晶格系数从GaN顺利过渡到AlGaN，减小应力，增加量子阱的空穴浓度，提高发光效率。
【专利说明】含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED外延设计【技术领域】，特别地，涉及一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构。
【背景技术】
[0002]目前国内MOCVD厂家在生长LED外延层时都会在P层引入一层电子阻挡层，该电子阻挡层在LED器件中起着至关重要的作用，防止电子的外溢，对发光效率有帮助，对器件的抗静电能力有帮助，关系到器件的稳定性和器件的发光效率等。
[0003]但是该电子阻挡层也有很多缺点:例如电阻率高、空穴浓度低，空穴浓度迁移率低，空穴注入的效率非常差等。因为电子阻挡层是高能带的AlGaN:Mg材料，Mg的电离率很低空穴浓度低，迁移率低，空穴迁移的过程中受到能带的阻挡；GaN材料和电子阻挡层:Mg材料的接触面又由于晶格的不匹配导致接触面的能带弯曲，进一步加大了能带阻挡空穴迁移的作用；接触面晶格的不匹配AlGaN =Mg材料的结晶质量非常差，产生更多的缺陷，为电子的外溢提供通道，空穴受到缺陷的阻碍，使得迁移率进一步降低。
[0004]以目前MOCVD工艺而言，电子阻挡层虽然不能去掉，但是可以通过改变生长条件使得电子阻挡层的晶体质量得到改善，减弱负面影响。传统的做法是该电子阻挡层在队、&混合气氛下生长，H2的帮助使得其结晶质量变好；或者将这一层生长温度适当的提高以获得良好的晶体，但是温度太高对发光层又有伤害，所以温度提高有限制；或者减慢这一层的生长速率，以获得好的晶体质量。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构，以解决技术问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供了一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，在生长发光层MQW步骤与生长P型AlGaN层步骤之间，包括生长InN/GaN超晶格层的步骤:
[0007]在温度为740-770°C、100mbar到800mbar压力的反应室内，采用仏和/或队作为载气，生长InN/GaN超晶格层，每层InN厚度为l_2nm，每层GaN厚度为l_2nm ；
[0008]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0009]优选地，所述生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层的步骤为:
[0010]生长低温缓冲GaN层:在530-560°C的反应室内，在衬底上生长厚度为30_50nm的低温缓冲GaN层；
[0011]生长不掺杂GaN层:升高温度到1100-1200°c，持续生长厚度为2_3um的不掺杂GaN ；[0012]生长掺Si的GaN层:持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5 μ m。
[0013]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0014]优选地，所述生长发光层MQW步骤为:
[0015]在720-750°C的反应室内生长掺杂In的InxGa(1_x)N层，InxGa(1_x)N的厚度为3_4nm，In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，其中x=0.20-0.21 ;将温度调节为850_880°C生长GaN层，GaN层的厚度为ll_13nm ；InxGa (1_x)N/GaN层的周期数为14-16。
[0016]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0017]优选地，生长P型AlGaN层、生长P型GaN层的步骤为:
[0018]生长P型AlGaN层:在930_980°C的反应室内持续生长厚度为50_60nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3 ；
[0019]生长P型GaN层:升高温度到1000-1100°C持续生长厚度为100_150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
[0020]本发明还提供一种含有超晶格层的LED外延结构，在发光层MQW与P型AlGaN层之间包括InN/GaN超晶格层:
[0021]InN/GaN超晶格层包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InN层和一个GaN层，组合单元的个数为10-15，每层InN厚度为l_2nm，每层GaN厚度为l_2nm ；
[0022]InN/GaN超晶格层的总厚度为20_30nm。
[0023]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0024]优选地，在所述InN/GaN超晶格层之下，从下至上依次包括:
[0025]衬底；
[0026]低温缓冲GaN层:厚度为30_50nm ；
[0027]不掺杂GaN层:厚度为2_3um ；
[0028]掺Si的GaN层:Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在4-5 μ m ;
[0029]发光层MQW:发光层为掺杂In的InxGa (1_X)N层，InxGa (1_x)N/GaN层的周期数为14-16 ；InxGa(1_x)N的厚度为3_4nm，In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，其中x=0.20-0.21 ；GaN 层的厚度为 ll_13nm。
[0030]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0031]优选地,在所述InN/GaN超晶格层之上,从下至上依次包括:
[0032]P型AlGaN层:厚度为50_60nm，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度 3E+19-4E+19 个 /cm3 ；
[0033]P 型 GaN 层:厚度为 100_150nm，Mg 的掺杂浓度为 1E+19-1E+20 个 /cm3。
[0034]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0035]优选地，在每个所述双层组合单元中:InN层在GaN层之上，或者InN层在GaN层之下。
[0036]本发明具有以下有益效果:
[0037]本发明在传统的发光层量子讲层和电子阻挡层(AlGaN:Mg)之间插入InN/GaN超晶格层，利用InN的晶格系数在AlGaN、GaN两者之间从GaN的生长顺利过渡到AlGaN的生长，使得AlGaN的晶格得到弛豫，应力释放比较明显。[0038]InN/GaN超晶格层匹配了 InGaN/GaN (量子阱)和AlGaN:Mg (电子阻挡层)之间的晶格，使得两者之间的应力减小，有利于空穴的扩展，界面能带弯曲程度减弱，增加量子阱的空穴浓度，提闻发光效率；应力的减小还能提闻空穴的迁移率，一定程度降低驱动电压，器件的光效会明显提升。
[0039]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0041]图1是现有的LED外延结构示意图；
[0042]图2是本发明优选实施例的LED外延结构示意图；
[0043]图3是现有的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图；
[0044]图4是本发明优选实施例的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图；
[0045]图5是本发明优选实施例和对比实施例的芯片亮度对比示意图；
[0046]图6是本发明优选实施例和对比实施例的芯片电压对比示意图；
[0047]其中，1、衬底，2、低温缓冲GaN层，3、不掺杂GaN层，4、掺Si的GaN层，5、发光层InxGa (1_x)N/GaN，6、InN/GaN 超晶格层，7、P 型 AlGaN 层，8、P 型 GaN 层。
【具体实施方式】
[0048]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0049]参见图2，本发明提供了一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，
[0050]在生长发光层MQW步骤与生长P型AlGaN层步骤之间，包括生长InN/GaN超晶格层的步骤:
[0051 ] 在温度为740_770°C的反应室内，采用高纯H2和/或高纯N2的混合气体作为载气，生长InN/GaN超晶格层，每层InN厚度为l_2nm，每层GaN厚度为l_2nm ；
[0052]所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
[0053]本发明在传统的发光层量子讲层和电子阻挡层(AlGaN:Mg)之间插入InN/GaN超晶格层，利用InN的晶格系数在AlGaN、GaN两者之间从GaN的生长顺利过渡到AlGaN的生长，使得两者之间的应力减小，有利于空穴的扩展，提闻发光效率。
[0054]以下分别说明采用以现有传统方法制备样品I的对比实施例一，和采用本发明生长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品I和样品2进行性能检测比较。
[0055]对比实施例一、
[0056]1、在1000-1100°C的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底4_5分钟；
[0057]2、降温至530-560°C下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30_50nm的低温缓冲层GaN ；
[0058]3、升高温度到1100-1200°C下，持续生长2_3um的不掺杂GaN ；[0059]4、然后持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在4-5 μ m ;
[0060]5、周期性生长发光层MQW，低温720-750 °C生长掺杂In的3-4nm InxGa (1_X)N(x=0.20-0.21)层，In 的掺杂浓度为 2E+20-3E+20 个 /cm3，高温 850_880°C生长 ll_13nmGaN层.InxGa (1_x)N/GaN 周期数为 14-16 ；
[0061]6、再升高温度到930-980°C持续生长50_60nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20 个 /cm3，Mg 的掺杂浓度为 3E+19-4E+19 个 /cm3 ；
[0062]7、再升高温度到1000-1100°C持续生长100_150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为 1E+19-1E+20 个 /cm3 ；
[0063]8、最后降温至680_780°C，保温20_30min，接着炉内冷却，得到样品I。
[0064]样品I的结构可参见图1所示，其能带图见图3所示。其中，上方曲线为GaN导带能级，中间虚线为GaN费米能级；下方曲线为GaN价带能级，A、B、C、D、E点分别表示第一 GaN层、InGaN层、弟_.GaN层、电子阻挡层P型AlGaN层、闻温p型GaN层；弟 GaN层、InGaN层、第二 GaN层为发光层InxGa (1_X)N中的复合结构。
[0065]实施例一、
[0066]本发明运用Aixtron MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4),三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg),衬底为(0001)面蓝宝石，反应压力在IOOmbar到800mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图2,第5、6、7步能带请参考图4):
[0067]1、在1000-1100°C的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底4_5分钟；
[0068]2、降温至530_560°C下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30_50nm的低温缓冲层GaN ；
[0069]3、升高温度到1100-1200°C下，持续生长2_3um的不掺杂GaN ；
[0070]4、然后持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在4-5 μ m ;
[0071]5、周期性生长发光层MQW，低温720-750 °C生长掺杂In的3-4nm InxGa (1_X)N(x=0.20-0.21)层，In 的掺杂浓度为 2E+20-3E+20 个 /cm3，高温 850_880°C生长 ll_13nmGaN层；周期数为14-16 ；
[0072]6、将温度控制在740-770°C，生长InN/GaN超晶格材料:(I)生长l_2nm的GaN ；
(2)停止Ga源的充入生长l-2nm的InN，以(I) (2)为周期，生长10-15周期的InN/GaN超晶格层，总厚度控制在20-30nm。
[0073]InN/GaN超晶格的InN和GaN生长顺序可以调换，其作用是调整第5步骤和第7步骤的晶格匹配。
[0074]7、再升高温度到930-980°C持续生长50_60nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20 个 /cm3，Mg 的掺杂浓度为 3E+19-4E+19 个 /cm3 ；
[0075]8、再升高温度到1000-1100°C持续生长100_150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为 1E+19-1E+20 个 /cm3 ；
[0076]9、最后降温至680-780°C，保温20_30min，接着炉内冷却；得到样品2。[0077]样品2的结构可参见图2所示，其能带图见图4所示。其中，上方曲线为GaN导带能级，中间虚线为GaN费米能级；下方曲线为GaN价带能级，A、B、C、D、E点分别表示第一 GaN层、InGaN层、弟_.GaN层、电子阻挡层P型AlGaN层、闻温p型GaN层；弟 GaN层、InGaN层、第二 GaN层为发光层InxGa (l_x)N中的复合结构。F、G点分别表示InN/GaN超晶格层中的InN层、GaN层。
[0078]样品I和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约lOOnm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约150nm,相同的条件下镀保护层Si02约50nm,然后在相同的条件下将样品研磨切割成762ym*762ym(30mi*30mil)的芯片颗粒，然后在相同位置挑选样品I和样品2各自150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品I和样品2的光电性能。
[0079]参考附图5和附图6，样品2较样品I光效约提升10%，样品2较样品I驱动电压下降约0.2v，效果突出。
[0080]本发明还提供了 一种含有超晶格层的LED外延结构，在MQW发光层5与P型AlGaN层7之间包括InN/GaN超晶格层6:
[0081]InN/GaN超晶格层6包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InN层和一个GaN层的，组合单元的个数为10-15，每层InN厚度为l_2nm，每层GaN厚度为l_2nm ；
[0082]InN/GaN超晶格层6的总厚度为20_30nm。
[0083]优选地，在所述InN/GaN超晶格层6之下，从下至上依次包括:
[0084]衬底I ;
[0085]低温缓冲GaN层2:厚度为30_50nm ；
[0086]不惨杂GaN层3:厚度为2_3um ；
[0087]掺Si的GaN层4:Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3，总厚度控制在4-5 μ m ;
[0088]MQW发光层5:发光层5为掺杂In的InxGa (1_x) N层，InxGa (1_x) N/GaN层的周期数为14-16 ；InxGa(1_x)N的厚度为3_4nm，In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3，其中x=0.20-0.21 ；GaN 层的厚度为 ll_13nm。
[0089]优选地,在所述InN/GaN超晶格层6之上,从下至上依次包括:
[0090]P型AlGaN层7:厚度为50_60nm，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度 3E+19-4E+19 个 /cm3 ；
[0091]P 型 GaN 层 8:厚度为 100_150nm，Mg 的掺杂浓度为 1E+19-1E+20 个 /cm3。
[0092]需要注意的是，在每个双层组合单元中:InN层在GaN层之上，或者InN层在GaN层之下。也就是说，InN层和GaN层之间的顺序并无限制。
[0093]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其特征在于， 在生长发光层MQW步骤与生长P型AlGaN层步骤之间，包括生长InN/GaN超晶格层的步骤: 在温度为740-770°C、IOOmbar到800mbar压力的反应室内，采用H2和/或N2作为载气，生长InN/GaN超晶格层，每层InN厚度为l_2nm，每层GaN厚度为l_2nm ； 所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层，总厚度为20_30nm。
2.根据权利要求1所述的一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层的步骤为: 生长低温缓冲GaN层:在530-560°C的反应室内，在衬底上生长厚度为30_50nm的低温缓冲GaN层； 生长不掺杂GaN层:升高温度到1100-1200°C，持续生长厚度为2_3um的不掺杂GaN ； 生长掺Si的GaN层:持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法，其特征在于，所述生长发光层MQW步骤为: 在720-750°C的反应室内生长掺杂In的InxGa (1_X)N层，InxGa (1_x)N的厚度为3_4nm，In的掺杂浓度为2E+20-3E+20 个/cm3，其中x=0.20-0.21 ;将温度调节为850-880°C生长GaN层，GaN层的厚度为ll-13nm ；InxGa (1_x)N/GaN层的周期数为14-16。
4.根据权利要求1所述的一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法，其特征在于，生长P型AlGaN层、生长P型GaN层的步骤为: 生长P型AlGaN层:在930-980°C的反应室内持续生长厚度为50_60nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3 ； 生长P型GaN层:升高温度到1000-1100°C持续生长厚度为100_150nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
5.一种含有超晶格层的LED外延结构，其特征在于，在发光层MQW与P型AlGaN层之间包括InN/GaN超晶格层: InN/GaN超晶格层包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InN层和一个GaN层，组合单兀的个数为10_15，每层InN厚度为l_2nm，每层GaN厚度为l_2nm ； InN/GaN超晶格层的总厚度为20_30nm。
6.根据权利要求5所述的一种含有超晶格层的LED外延结构，其特征在于，在所述InN/GaN超晶格层之下,从下至上依次包括: 衬底； 低温缓冲GaN层:厚度为30-50nm ； 不掺杂GaN层:厚度为2-3um ； 掺Si的GaN层=Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5 μ m ； 发光层MQW:发光层为掺杂In的InxGa (1_X)N层，InxGa (1_x)N/GaN层的周期数为14-16 ；InxGa (1_X)N 的厚度为 3_4nm，In 的掺杂浓度为 2E+20-3E+20 个 /cm3，其中 x=0.20-0.21 ；GaN层的厚度为ll_13nm。
7.根据权利要求5所述的一种含有超晶格层的LED外延结构，其特征在于，在所述InN/GaN超晶格层之上,从下至上依 次包括: P型AlGaN层:厚度为50-60nm，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3，Mg的掺杂浓度3E+19-4E+19 个 /cm3； P型GaN层:厚度为100-150nm，Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
8.根据权利要求5所述的一种含有超晶格层的LED外延结构，其特征在于，在每个所述双层组合单元中:InN层在GaN层之上 ，或者InN层在GaN层之下。
【文档编号】H01L33/06GK103474539SQ201310441803
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】马海庆, 苏军 申请人:湘能华磊光电股份有限公司