一种适合高电流密度的GaN基LED外延结构及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及GaN基LED制备技术领域，具体为一种适合高电流密度的GaN基LED外延结构及其生长方法。
【背景技术】
[0002]半导体发光二极管(light-emiss1n d1des, LEDS)因其具有体积小、能耗低、寿命长、环保耐用等优点，蓝光GaN基LED芯片在白光照明领域发展迅速，有逐渐取代传统照明的趋势。随着LED制造领域的进步，GaN基LED芯片的电流密度逐渐增加，其发光效率已经有了显著的提升，但是抑制GaN基LED芯片发光效率进一步提升的效率衰减(efficencydoop)问题也到了人们不得不面对的时候。
[0003]为了追求成本降低，人们不断减小芯片尺寸，同时会提高电流密度，来提升发光亮度；但是受到GaN材料自身因素和LED外延结构的限制，在电流密度增加时，LED芯片的内量子效率提升幅度越来越小，当电流密度增加到一定程度后，LED芯片的内量子效率不增加反而会衰减，这就是众所周知的LED效率衰减问题(efficency doop)。导致效率衰减的原因有很多，学术上主要有三种观点为大家所认同:第一种认为电流密度提高易发生电流溢出，即漏电流，导致内量子效率衰减；第二种认为因俄歇复合导致内量子效率衰减；第三种认为是由于空穴载流子注入不足导致内量子效率衰减。
【发明内容】
[0004]本发明所解决的技术问题在于提供一种适合高电流密度的GaN基LED外延结构及其生长方法，通过生长高结晶质量的宽阱薄皇的量子阱外延结构，提高空穴载流子在量子阱层的扩散效率和浓度，并降低漏电流，抑制高电流密度下内量子效率的衰减，提高LED量子阱在高电流密度下的内量子发光效率，从而提高GaN基LED芯片的发光效率，以解决上述【背景技术】中的问题。
[0005]本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:一种适合高电流密度的GaN基LED外延结构及其生长方法，其LED外延结构，从下向上的顺序依次包括:蓝宝石衬底、低温GaN成核层、高温GaN缓冲层、高温U-GaN层、高温复合η型GaN层、多周期量子阱发光层、P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型GaN接触层，其生长方法包括以下具体步骤:
[0006]步骤一，将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面，温度控制在1050-1100°C之间，然后进行氮化处理5-8min，石墨盘转速稳定在1000转/分钟；
[0007]步骤二，将温度下降到500-550 °C之间，生长20_30nm厚的低温GaN成核层，生长压力控制在450_550Torr之间，V / III摩尔比在60-120之间，石墨盘转速稳定在600转/分钟，TMGa作为Ga源；
[0008]步骤三，所述低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理；
[0009]步骤四，所述高温GaN缓冲层生长结束后，生长一层高温U-GaN层；
[0010]步骤五，所述高温U-GaN层生长结束后，先生长一层高温复合η型GaN层；
[0011]步骤六，所述高温复合η型GaN层生长结束后，生长多周期量子阱发光层，多周期量子阱发光层，由7-10个周期的InGaN/GaN阱皇结构组成，单个量子阱的周期在6-10nm之间，且InyGai_yN (y = 0.2-0.3)阱层和GaN皇层的厚度在1:1-1:1.5之间；量子阱和量子皇层的部分生长条件相同，如生长压力均在320-370Torr之间，Ga源均由TEGa提供，石墨盘转速均在550-650转/分钟之间?’另InGaN量子阱层，生长温度在770-820°C之间，V / III摩尔比在2000-2500之间?’另GaN量子皇层，生长温度在900-950°C之间，V /III摩尔比在3000-3500之间，此层采取非故意掺杂方式生长；
[0012]步骤七，所述多周期量子阱发光层结束后，生长P型AlGaN电子阻挡层；
[0013]步骤八，所述P型AlGaN电子阻挡层结束后，生长高温P型GaN层；
[0014]步骤九，所述高温P型GaN层生长结束后，生长厚度5_10nm之间的p型GaN接触层，使用TEGa提供Ga源，利用Cp2Mg提供Mg源，Mg掺杂浓度在114-1O15cnT3之间，利用TMIn源提供In掺杂，In/Ga比控制在0.1-0.3之间，控制生长温度在750_800°C之间，压力在150-250Torr之间，V / III摩尔比在1000-1500之间；
[0015]以上外延层生长结束后，将反应室压力降到lOOTorr，温度降至750°C，采用纯氮气氛围进行退火处理5-10min，然后降至室温，结束生长。
[0016]所述步骤三中退火温度升高至1030-1050°C之间，退火时间在5_8min之间；退火之后，将温度调节至960-1030°C之间，外延生长厚度为500-800nm间的高温GaN缓冲层3，生长压力在450-550Torr之间，V / III摩尔比在200-300之间，石墨盘转速稳定在1200转/分钟，TMGa作为Ga源。
[0017]所述步骤四中高温U-GaN层生长厚度在2-2.5um之间，生长过程温度控制在1060-1100°C之间，生长压力在180-230Torr之间，V /III摩尔比在100-200之间，石墨盘转速稳定在1200转/分钟，利用TMGa作为Ga源。
[0018]所述步骤五中高温复合η型GaN层包括从下向上包括n-GaNl/n-AlGaN/n_GaN2三层，其中n-GaNl和n_GaN2层生长条件相同，生长温度在1060-1090 °C之间，压力在180-230Torr之间，V / III摩尔比在100-200之间，厚度分别为1-1.5um和2_3um，Si掺杂浓度在1018-1019cnT3之间，石墨盘转速稳定在1200转/分钟；其中n-AlGaN生长过程，温度控制在980-1030°C之间，生长压力在80-130Torr之间，V / III摩尔比在10-40之间，厚度在150-200nm之间，η-Α1χ6&1_χΝ层中X在0.2-0.3之间，进行Si掺杂，Si掺杂浓度在1016-1017cnT3之间，石墨盘转速稳定在1000转/分钟，利用TMGa提供Ga源。
[0019]所述步骤七中P型AlGaN电子阻挡层生长温度控制在900-950°C之间，生长压力在80-130Torr之间，V / III摩尔比在80-130之间，厚度在20_30nm之间，P-AlzGa1=N层中z在0.2-0.3之间，利用Cp2Mg提供Mg源，Mg掺杂浓度在1015-1016cm_3之间，石墨盘转速稳定在1000转/分钟，利用TMGa提供Ga源。
[0020]所述步骤八中高温P型GaN层生长温度控制在950-1000 °C之间，压力在450-550Torr之间，V /III摩尔比在200-300之间，p_GaN层生长厚度控制在40_60nm之间，利用Cp2Mg提供Mg源，Mg掺杂浓度在1017-1018cm_3之间，石墨盘转速稳定在600转/分钟，利用TMGa提供Ga源。
[0021]所生长外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续半导体制作流程后，加工成8mil*15mil尺寸的LED芯片。
[0022]本发明方法以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)或三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，η型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)。
[0023]与已公开技术相比，本发明存在以下优点:本发明的可以有效提高芯片在高电流密度下的发光效率。在同一 MOCVD机台，采用相同规格蓝宝石衬底，使用常规窄阱宽皇外延结构(周期厚度13-15nm，阱皇为厚度比为1:3-1:4)和本发明宽阱窄皇外延结构(周期厚度6-10nm，阱皇为厚度比为1:1-1:1.5)工艺分别生长外延片。生长完成后分别挑选波长相近的两片，采用相同的芯片制造工艺，同批进行流水，制作成8milX 15mil尺寸芯片。芯片制作完成后，在测试电流从10-150mA条件下，进行发光亮度测试，测试结果如附图2所示，其中在正常工作电流60mA条件下，本发明结构的芯片亮度较常规结构的芯片亮度提高20%以上。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的结构示意图。
[0025]图2为本发明与常规窄阱宽磊结构外延片发光亮度对比图。
[0026]图中:1-蓝宝石衬底、2-低温Ga成核层、3-高温GaN缓冲层、4-高温U-GaN层、5-高温复合η型GaN层、6-多周期量子阱发光层、7_ρ型AlGaN电子阻挡层、8-高温ρ型GaN层、9-ρ型GaN接触层
【具体实施方式】
[0027]为了使本发