一種可降低電壓的GaN基外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能夠降低外延片電壓的GaN基外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，屬于LED外延結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]以GaN為基礎(chǔ)的發(fā)光二極管(LED)作為一種高效、環(huán)保、綠色新型固態(tài)照明光源，具有低電壓、低功耗、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，正在迅速被廣泛地應(yīng)用于交通信號(hào)燈、手機(jī)背光源、戶外全彩顯示屏、城市景觀照明、汽車內(nèi)外燈、隧道燈等領(lǐng)域。因此LED的各方面性能提升都被業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注，作為核心半導(dǎo)體器件的GaN基藍(lán)光LED能與熒光粉結(jié)合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。
[0003]在GaN基LED外延層制備方面，P型空穴注入層的特性是影響LED電性的一個(gè)重要因素，目前國(guó)內(nèi)MOCVD生長(zhǎng)LED外延層中涉及到P型GaN層的生長(zhǎng)，通常采用Mg做摻雜劑，Mg在GaN內(nèi)的電離率非常低，行業(yè)公認(rèn)的數(shù)據(jù)是:Mg的電離率僅有Mg摻雜濃度的1%，提高M(jìn)g電離率的方法一般是加重Mg摻雜濃度?，F(xiàn)有的P型GaN制備技術(shù)已較大幅度提高了 Mg的摻雜濃度，但是存在隨著Mg的摻雜濃度加重時(shí)，空穴的迀移率降低，阻值增加。而且Mg摻雜過(guò)高會(huì)析出導(dǎo)致P型GaN晶體質(zhì)量變差，也會(huì)導(dǎo)致部分Mg擴(kuò)散到量子阱中形成缺陷。在大電流密度驅(qū)動(dòng)下，P型電子阻擋層不能有效阻擋部分電子隧穿有源區(qū)進(jìn)入P區(qū)形成載流子泄露。這些不利因素最終導(dǎo)致了 LED芯片工作電壓高、器件的能耗隨之增加、發(fā)光效率低等現(xiàn)象。
[0004]中國(guó)專利文獻(xiàn)CN104009136A公開的《提高發(fā)光效率的LED外延層生長(zhǎng)方法及LED外延層》，P型空穴注入層包括第一雙層單元和第二雙層單元:第一雙層單元包括第一AlGaN層和第一 GaN層，單層厚度是2_5nm ; I個(gè)周期中兩者厚度比是1:1_3:1，周期為5_10 ;第二雙層單元包括第二 AlGaN層和第二 GaN層，單層厚度是2_5nm ; I個(gè)周期中兩者厚度比是1:1-3:1，周期為5-10。本發(fā)明P型空穴注入層由低溫生長(zhǎng)的P型AlGaN/GaN超晶格層和高溫生長(zhǎng)的P型AlGaN/GaN超晶格層組成，有效降低大電流密度下LED芯片的Droop效應(yīng)，提尚載流子的注入效率，提尚器件的發(fā)光效率
[0005]上述方法中P型空穴注入層是由低溫生長(zhǎng)的P型AlGaN/GaN超晶格層和高溫生長(zhǎng)的P型AlGaN/GaN超晶格層兩部分組成，雖然對(duì)提高器件發(fā)光效率效果較明顯，但是對(duì)降低驅(qū)動(dòng)電壓效果不大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有外延片生長(zhǎng)工藝制備出來(lái)的晶片電壓高、發(fā)光效率低的不足，本發(fā)明提供一種能顯著降低外延片電壓、提升外延片抗靜電能力、提高外延晶體質(zhì)量以及增強(qiáng)器件的發(fā)光效率的可降低電壓的GaN基外延結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供一種該結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法。
[0007]本發(fā)明的可降低電壓的GaN基外延結(jié)構(gòu)，采用如下技術(shù)方案:
[0008]該結(jié)構(gòu)中，自下而上依次設(shè)置有襯底、N型GaN層、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)和P型GaN層，P型GaN層由低溫高摻雜的GaN層、不摻雜GaN層和高溫正常摻雜的AlGaN/GaN超晶格層三部分由下至上依次分布而成，其中低溫高摻雜GaN層中Mg的摻雜濃度為lE+19-lE+20atom/cm3，高溫正常摻雜的AlGaN/GaN超晶格層中Mg的摻雜濃度為lE+18_lE+19atom/cm3，Al 的慘雜濃度為 lE+17_lE+18atom/cm3。
[0009]所述襯底為藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底或硅襯底，襯底厚度為200 μ m-1000 μ m。
[0010]所述N型GaN層的厚度為3 μ m_4 μ m。
[0011]所述InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)的厚度為0.15 μπι-Ο.2 μπι。
[0012]所述InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)中InGaN/GaN的周期數(shù)為12_18，In的摻雜濃度為 lE+19_3E+20atom/cm3。
[0013]所述P型GaN層的總厚度為0.15μπι-0.22 μπι。
[0014]所述高溫正常摻雜的AlGaN/GaN超晶格層的周期為5_10，總厚度為50_70nm，AlGaN或GaN的單層厚度是4_6nm，單個(gè)周期中AlGaN和GaN層的厚度比是1:1_3:1。
[0015]上述GaN基外延結(jié)構(gòu)中，將P型GaN層中的摻雜濃度設(shè)計(jì)成高摻雜一不摻雜一正常摻雜的V形的摻雜結(jié)構(gòu)，即根據(jù)摻雜含量由高到低再到高的V型，不但降低了外延片P-N結(jié)的電壓，而且還能提高外延晶體的質(zhì)量和抗靜電能力，其電壓比常規(guī)LED結(jié)構(gòu)電壓能降低0.15-0.25V左右，抗靜電能力比常規(guī)LED結(jié)構(gòu)增加了 10% -25%，亮度比常規(guī)LED結(jié)構(gòu)提升 5% -15%。
[0016]上述可降低電壓的GaN基外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)方法，包括以下步驟:
[0017](I)將襯底放進(jìn)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔內(nèi)，反應(yīng)腔的壓力為80-180mbar，溫度為1100-1300°C，使用氫氣作為載氣進(jìn)行襯底表面處理，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間為10-15分鐘；
[0018](2)將反應(yīng)腔壓力增加至300-800mbar，在襯底上生長(zhǎng)厚度為3μπι-4μπι的N型
GaN 層。
[0019](3)將溫度降至 700-800°C，通入 1200_1500sccm 的 TMIn 源和 25_40sccm 的 TMGa源，周期性生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)層，厚度為0.15 μ m-0.2 μ m，InGaN/GaN的周期數(shù)為 12-18，In 的摻雜濃度為 lE+19-3E+20atom/cm3;
[0020](4)在溫度 600-700°C，壓力 300_800mbar 的反應(yīng)室內(nèi)，通入 55000-65000sccm 的NH3、25-50sccm的TMGa源和2000-3000sccm的Cp2( 二茂鎂)Mg源，形成低溫高摻雜P型GaN層，厚度為60_90nm，其中Mg的慘雜濃度為lE+19_lE+20atom/cm3;
[0021](5)升高溫度至700-900 °C，壓力維持不變，通入30000-40000sccm的順3和20-30sccm TMGa源，時(shí)間持續(xù)50-100秒，形成不摻雜的GaN層，厚度為40_60nm ；
[0022](6)再升高溫度到 900-1050°C，通入 30000-60000sccm 的 NH3、30_50sccm 的 TMGa、1500-2000sccm的Cp2Mg和150_200sccm的TMAl，生長(zhǎng)高溫正常摻雜的AlGaN/GaN超晶格層；其中Mg的摻雜濃度為lE+18-lE+19atom/cm3，Al的摻雜濃度是lE+17_lE+18atom/cm3，AlGaN或GaN的單層厚度是4_6nm，單個(gè)周期中AlGaN和GaN層的厚度比是1:1_3:1，周期為5-10，總厚度為 50-70nm。
[0023]本發(fā)明將P型GaN層設(shè)計(jì)成由低溫高摻雜GaN層、不摻雜GaN層、高溫正常摻雜AlGaN/GaN超晶格層三部分形成的V形摻雜，不但可以改善空穴迀移率，提高空穴對(duì)發(fā)光層的注入，還可以降低驅(qū)動(dòng)電壓，提升器件抗靜電能力，延長(zhǎng)LED芯片以及器件的使用壽命， 提高發(fā)光效率。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明的GaN基外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明GaN基外延結(jié)構(gòu)與常規(guī)GaN基外延結(jié)構(gòu)的I_V曲線對(duì)比圖。
[0026]圖3是本發(fā)明GaN基外延結(jié)構(gòu)與常規(guī)GaN基外延結(jié)構(gòu)的亮度對(duì)比圖。
[0027]其中:1、襯底;2、N型GaN層；3、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū);4、P型GaN層;5、低溫高摻雜GaN層；6、不摻雜GaN層；7、高溫正常摻雜AlGaN/GaN超晶格層；8、本發(fā)明GaN基外延結(jié)構(gòu)1-V曲線；9、常規(guī)GaN基外延結(jié)構(gòu)1-V曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1所示，本發(fā)明的可降低外延片電壓的GaN基外延結(jié)構(gòu)，自下而上依次設(shè)置有襯底1、N型GaN層2、InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)3和P型GaN層4。襯底I為藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底或硅襯底，襯底I的厚度為200 μ m-1000 μ m。N型GaN層的厚度為3 μ m_4 μ m。InGaN/GaN多量子阱有源區(qū)的厚度為0.15 μ m-0.2 μπι。
[0029]P型GaN層4由低溫高摻雜GaN層5、不摻雜GaN層6和高溫正常摻雜AlGaN/