一種n型GaN結構的GaN基LED外延結構及生長方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種η型GaN結構的GaN基LED外延結構及生長方法，屬于LED外延設計的技術領域。
【背景技術】
[0002]二十世紀九十年代初，以氮化物為代表的第三代寬帶隙半導體材料獲得了歷史性突破，科研人員在氮化鎵材料上成功地制備出藍綠光和紫外光LED，使得LED照明成為可能。1971年，第一只氮化鎵LED管芯面世，1994年，氮化鎵HEMT出現(xiàn)了高電子迀移率的藍光GaN基二極管，氮化鎵半導體材料發(fā)展十分迅速。
[0003]半導體發(fā)光二極管具有體積小、堅固耐用、發(fā)光波段可控性強、光效高、低熱損耗、光衰小、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在全色顯示、背光源、信號燈、光電計算機互聯(lián)、短距離通信等領域有著廣泛的應用，逐漸成為目前電子電力學領域研究的熱點。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子迀移率、高熱導率、高穩(wěn)定性等一系列優(yōu)點，因此在短波長發(fā)光器件、光探測器件以及大功率器件方面有著廣泛的應用和巨大的市場前景。
[0004]通常，LED包含N型襯底、形成于該襯底上的N型外延區(qū)以及形成于N型外延區(qū)上的量子阱區(qū)、P型外延區(qū)。由于GaN在高溫生長時氮的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN體單晶材料，目前大部分GaN外延器件還只能在其他襯底上(如藍寶石襯底)進行異質外延生長。
[0005]提高光電轉換效率主要依靠提高內量子效率和外量子效率，目前內量子效率的提高已經接近理論的極限狀態(tài)，而提升LED組建的光取出效率成為重要的課題。要求設計新的芯片結構來改善出光效率，進而提升發(fā)光效率(或外量子效率)，目前國內外采用的主要工藝途徑有:倒裝技術、生長DBR反射層結構以及表面粗化技術、側壁腐蝕技術和襯底圖形化技術。η型區(qū)是制造GaN LED器件必不可少的重要環(huán)節(jié)，nGaN結構及其外延生長方法是提高GaN基LED光取出效率和降低串聯(lián)電阻的關鍵。
[0006]中國專利文獻CN102418146A公開的《一種有效提高GaN基LED發(fā)光效率的外延生長方法》，該方法是在傳統(tǒng)的GaN基LED結構:襯底上的緩沖層、uGaN層、nGaN、η型電流擴展層、η型空間層、量子阱有源區(qū)、P型電子阻擋層、P型GaN、接觸層的基礎上，在η型電流擴散層和η型空間層之間加入一步表面處理的程序，將從襯底和GaN界面延伸至電流擴散層的缺陷以及應力進行破壞和釋放，之后再通過生長條件的控制將材料的表面恢復平整，然后再生長量子阱有源區(qū)。與傳統(tǒng)的生長技術相比，這樣生長的量子阱受缺陷和應力的影響較小，能有效的提高樣品的發(fā)光強度。但是該方法僅適用于藍綠光波段的GaN基LED的外延生長。
[0007]CN201749864U公開的《一種具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED》，其結構自下至上依次包括SiC或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQW層和P型GaN層，N型GaN層中設有一層厚度為20nm-100nm的AlGaN插入層。該LED是通過改變襯底材料和LED的生長結構，在SiC、Si襯底上直接在生長N型GaN層時插入一層AlGaN，從根本上增強發(fā)光二極管芯片的抗擊穿電壓，由于nGaN層本身較厚，插入AlGaN層時只需要引入TMAl，生長非常容易實現(xiàn)，反向抗靜電能力由普通結構的500V-1000V提高到了 2000V-4000V，反向擊穿電壓由原來的15V提高到30V，亮度由 50_80mcd 提高到了 80-1 OOmcd。
[0008]但是上述技術中，P型AlGaN層對電子阻擋不夠、空穴橫向擴展不均勻，造成發(fā)光效率低，且P型區(qū)超晶格晶格失配大，易造成外延片斷裂。

【發(fā)明內容】

[0009]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種η型GaN結構的GaN基LED外延結構。
[0010]本發(fā)明還提供一種上述LED外延結構的生長方法。
[0011]本發(fā)明提供一種高發(fā)光效率、高靜電擊穿電壓的GaN基LED的nGaN結構，該結構能夠形成較高的能階束縛空穴、阻擋電子回流，從而確保更多的電子進入MQW與空穴復合，增加MQW發(fā)光機會。
[0012]本發(fā)明的技術方案如下:
[0013]—種η型GaN結構的GaN基LED外延結構，包括自下而上依次設置的襯底層、緩沖層、η型結構、多量子講發(fā)光層和P型結構；
[0014]所述η型結構包括由下至上依次設置的低摻雜Si濃度漸變的η型GaN層、Si摻雜的η型AlGaN層、u型GaN層、高摻雜Si的η型GaN層。
[0015]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述低摻雜Si濃度漸變的η型GaN層的Si摻雜濃度為5Ε18-2E19/cm3 ；所述η型AlGaN的Si摻雜濃度為5E17-5E19/cm3 ；所述高摻雜Si的η型GaN層的Si摻雜濃度為I.5E19-5E20/cm3o
[0016]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述低摻雜Si濃度漸變的η型GaN層的厚度為2_3μπι;所述η型AlGaN層厚度為20-60nm;所述u型GaN層厚度為20-40nm;所述高摻雜Si的η型GaN層的厚度為5_20nmo
[0017]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述襯底層為藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底、氮化鎵襯底之一O
[0018]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述緩沖層包括成核層和非摻雜的氮化鎵層;所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一。
[0019]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述P型結構為摻Mg的GaN，Mg摻雜濃度為2E19-2E20/cm3。
[0020]本發(fā)明所述的η型GaN結構的GaN基LED外延結構，其中，n型結構提供的電子在量子井內與空穴復合激發(fā)出光，為LED的主要結構之一，η型GaN層會影響整個LED的亮度、IR、VF、ESD等電性，在整體結構里是非常重要的一環(huán)，η型區(qū)的摻雜濃度主要取決于Si的摻雜濃度，Si摻雜濃度高，則電子濃度高，從而提高電子迀移率，降低發(fā)光電壓。同時，η型區(qū)生長的好壞決定著整個LED結構的穩(wěn)定性，特別反向電壓、抗靜電能力和漏電等參數。但Si摻雜濃度過高則或影響漏電，所以本發(fā)明的LED外延結構采用低摻與高摻的組合且低摻部分采用變摻生長，不僅可以提供較多的電子，也為之后多量子阱層的生長提供穩(wěn)定的基礎。
[0021 ] 一種上述LED外延結構的生長方法，包括以下步驟:
[0022](I)對襯底層進行氮化處理；
[0023](2)在氮化處理后的襯底層上生長緩沖層，即依次生長成核層和非摻雜的氮化鎵層；
[0024](3)在緩沖層上生長η型結構包括:
[0025]a.低摻雜Si濃度漸變的η型GaN層生長溫度為650_1300°C，生長壓力為300-800mbar，Si 摻雜濃度為 5E18_2E19/cm3，厚度為 2_3μπι ；
[0026]b.n型AlGaN層的生長溫度為700-1150°C，生長壓力為150-500mbar，厚度為20-60nm，Si 摻雜濃度為 5E18-5E19/cm3 ；
[0027]c.u型GaN層的生長溫度為650-1300°C，生長壓力為300-800mbar，厚度為20-40nm;
[0028]d.高摻雜Si的η型GaN層，生長溫度為650_1300°C，生長壓力為300_800mbar，Si濃度為1.5E19-5E20cm3，厚度為 10_35nm ；
[0029](4)在上述η型結構上生長多量子阱發(fā)光層；
[0030](5)在上述多量子阱發(fā)光層上生長P型GaN結構。
[0031]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(I)對襯底層進行氮化處理:將襯底層放入金屬有機物化學氣相沉積MOCVD設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-1350 °C，壓力200-300mbar，處理5-10分鐘;升壓至600_700mbar，溫度為650-700 °C，通入氨氣，氮化處理2-3分鐘。
[0032]根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)生長非摻雜GaN層的生長溫度為1100°C，生長壓力600mbar，生長厚度為2_3μπι，生長速率2_2.δμπι/h。
[0033]根據本發(fā)明優(yōu)選的，在所述步驟(4)中生長多量子阱發(fā)光層，由5-20個周期的InGaN勢阱層和GaN勢皇層交互疊加構成;單個周期的所述InGaN勢阱層的厚度為2_3.5nm，單個周期的所述GaN勢皇層的厚度為3-14nm0
[0034]根據本發(fā)明優(yōu)選的，在所述步驟(5)中，生長P型GaN結構的方法:生長溫度為800-1lOOcC，Mg摻雜濃度為2E19-2E20/cm3。本發(fā)明各個生長層均為金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)外延生長層。
[0035]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0036]本發(fā)明采用的η型GaN結構，低摻η型GaN層與襯底層結構匹配性較好，高摻η型GaN層提供大量的電子;低摻η型GaN層和高摻η型GaN層的結合，在大量提供電子的情況下，減少結構的位錯密度，η型AlGaN層提高能階，增加阻抗，讓電流有效擴散，因Al材料特性，有一定程度減少長晶位錯及裂縫，讓之后GaN更完整。同時，阻擋電子外溢，提高材料的抗靜電能力。借鑒多年的晶體生長經驗，利用高摻η型GaN層和低摻η型GaN層，配合中間的nAlGaN層。該方法可以提高電子濃度，從而提高電子迀移率，降低發(fā)光電壓；同時，η型區(qū)生長的好壞決定著整個LED結構的穩(wěn)定性，特別反向電壓、抗靜電能力和漏電等參數。本發(fā)明的LED外延結構采用低摻與高摻的組合且低摻部分采用變摻生長，不僅可以提供較多的電子，也優(yōu)化了外延層晶體質量，為之后多量子阱層的生長