包含漸變厚度勢磊的 led 結構外延生長方法及其結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，生長發光層MQW的步驟為：在溫度為730-750℃、100mbar到800mbar壓力的反應室內，采用H2和/或N2作為載氣，生長摻雜In的厚度為2.5-3nm的InxGa（1-x）N層，x=0.20-0.21；將反應室溫度調節為800-840℃，通入R時長的三甲基鎵，生長出厚度為D的第一個GaN層；重復生長InGaN層，通入0.75-0.95倍R時長的三甲基鎵，生成厚度為0.75-0.95倍D的第二個GaN層；依次類推，GaN層厚度逐層減小。本發明改變了發光層的勢磊GaN厚度，使其依次減少，從而改善電子和空穴的分布，提高LED光效。
【專利說明】包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法及其結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及LED外延設計領域，特別地，涉及一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法及其結構。
【背景技術】
[0002]目前國內MOCVD生長LED外延層其中涉及到發光層的生長，大抵都是勢阱InGaN、勢磊GaN為一個周期重復生長，一般周期數控制在11-15個左右。
[0003]發光層的厚度一般控制在150nm-250nm,相對于N、P型GaN而言發光層的阻值相對比較高；發光層中不摻雜Si或者低濃度摻雜Si的勢磊GaN更是加大了發光層的阻值。
[0004]阻值較高的好處:發光層接近N層的結構勢磊GaN阻值高能阻擋多數的電子，電子濃度數值在1E+20-2E+20個/cm3 (N型GaN中電子的遷移率高達200_250v/cm2，Si摻雜劑電離90%以上，電子的濃度高速度快，電子容易穿透發光層泄露至P層產生非復合輻射消耗空穴)，讓電子在發光層中減速，讓電子均勻分散在發光層中，減弱電子的外溢泄露，提高勢阱InGaN層的電子濃度。
[0005]壞處是:因為空穴的行為和電子的行為是相反的，P型摻雜劑Mg的電離率非常低，通常只有1%_2%，整個P層的空穴濃度相對電子而言濃度非常低，濃度數值在3E+18-5E+18個/cm3，P層阻值大約8-10歐姆(N層阻值大約3-4歐姆)，空穴的有效質量比電子有效質量大很多，所以空穴的遷移率非常低，發光層的阻值比P層的阻值高，空穴很難穿透發光層，很多論文指出，靠近發光層第一個勢阱InGaN空穴濃度最高，第二、三、四個勢阱InGaN空穴濃度遞減，第五、六個勢阱InGaN基本不存在空穴。

【發明內容】

[0006]本發明目的在于提供一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法及其結構，以解決電子和空穴分布不均，影響LED光效的技術問題。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種(權利要求確定后由代理人補充)。
[0008]
[0009]本發明具有以下有益效果:本發明通過改變三甲基鎵的通入時長，從而改變了發光層MQW的若干個InxGa(1_x)N/GaN組合單元中的勢磊GaN厚度，使勢磊GaN厚度依次減少，勢磊GaN阻值減小，削弱了多電子和空穴傳播時的阻擋作用，P層傳播的空穴因為阻擋減弱能夠傳播更遠，一方面增加了原來陷空穴的濃度，另一方面增加了含有空穴的勢阱的個數，由于空穴的遷移率較低(10-15cm2/(V*s))，含有空穴的勢阱個數約為4-5個，通過勢磊GaN厚度依次減少，勢阱個數增加為6-7個；對電子而言每個勢阱都填充電子，這個是由電子遷移率高(100-150cm2/ (V*s))決定的，勢磊GaN厚度依次減少只能單方面提高勢阱電子的濃度；通過勢磊GaN厚度依次減少改善電子和空穴的分布，提高LED光效，改善發光層的阻值，降低LED的驅動電壓。
[0010]除了上面所描述的目的、特征和優點之外，本發明還有其它的目的、特征和優點。 下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0012]圖1是現有的LED外延結構示意圖；
[0013]圖2是本發明優選實施例的發光層勢磊漸變的LED外延結構示意圖；
[0014]圖3是現有的發光層和電子阻擋層的能帶結構示意圖；
[0015]圖4是本發明優選實施例的勢磊漸變發光層的能帶結構示意圖；
[0016]圖5是本發明優選實施例一和對比實施例一的芯片亮度對比示意圖；
[0017]圖6是本發明優選實施例一和對比實施例一的芯片電壓對比示意圖；
[0018]其中，1、襯底，2、低溫緩沖GaN層，3、不摻雜GaN層，4、摻Si的GaN層，5、發光層InxGa (1_x)N/GaN,6, GaN 層，7、P 型 AlGaN 層，8、P 型 GaN 層，9、InxGa U N 層，10、第一個GaN層，11、第二個GaN層，12、第N個GaN層。
【具體實施方式】
[0019]以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以根據權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
[0020]參見圖2，本發明提供了包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，依次包括處理襯底、生長低溫緩沖GaN層、生長不摻雜GaN層、生長摻Si的GaN層、生長發光層MQW、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層步驟，其特征在于，所述生長發光層MQW的步驟為:
[0021]A、在溫度為730-750°C、100mbar到800mbar壓力的反應室內，采用H2和/或N2作為載氣，生長摻雜In的厚度為2.5-3nm的InxGa (1_X)N層，x=0.20-0.21 ；
[0022]將反應室溫度調節為800_840°C，通入R時長的三甲基鎵，生長出厚度為D的第一個GaN層；
[0023]B、將反應室溫度調節為730-750°C，生長摻雜In的厚度為2.5_3nm的InxGa (1_X)N層，x=0.20-0.21 ；In 的摻雜濃度為 lE+20-2E+20atom/cm3 ；
[0024]將反應室溫度調節為800-840°C，通入三甲基鎵；三甲基鎵的通入時長為步驟A通入時長R的0.75-0.95倍，生長出厚度為0.75-0.95D的第二個GaN層；
[0025]三甲基鎵可優選為金屬有機源三甲基鎵。
[0026]C、將反應室溫度調節為730-750°C，生長摻雜In的厚度為2.5_3nm的InxGa (1_X)N層,x=0.20-0.21 ；
[0027]將反應室溫度調節為800-840°C，通入三甲基鎵；三甲基鎵的通入時長為上一個步驟通入時長R的0.75-0.95倍，生長出厚度為(0.75-0.95) n*D的第N個GaN層；
[0028]D、重復 C 步驟，直至生成 12-16 個 InxGa (1_x)N/GaN 層。
[0029]本發明通過改變三甲基鎵的通入時長，從而改變了生長發光層MQW的若干個InxGa (l-χ) N/GaN組合單元中的勢磊GaN厚度，使勢磊GaN厚度依次減少，從而改善電子和空穴的分布，提高LED光效。
[0030]以下分別說明采用以現有傳統方法制備樣品I的對比實施例一，和采用本發明生長方法制備樣品2的實施例一，再將兩種方法得到樣品I和樣品2進行性能檢測比較。
[0031]對比實施例一、
[0032]1、在1000-1100°C的氫氣氣氛下高溫處理藍寶石襯底8_10分鐘；
[0033]2、降溫至540_590°C下，在藍寶石襯底上生長厚度為30_40nm的低溫緩沖層GaN ；
[0034]3、升高溫度到1100-1200°C下，持續生長2.5-3.5 μ m的不摻雜GaN ；
[0035]4、生長3-4 μ m持續摻雜Si的N型GaN，Si的摻雜濃度為5E+19-1E+20個/cm3 ；
[0036]5、周期性生長有發光層MQW:低溫730-750°C生長摻雜In的2.5_3nm InxGa (1_X)N(x ?=0.20-0.21)層，高溫800-8401:生長11-1211111 GaN層；InxGa(1_x)N/GaN周期數為 13-15個；
[0037]6、再升高溫度到900-950°C持續生長20_30nm的P型AlGaN層，Al的摻雜濃度為1E+20-3E+20 個 /cm3，Mg 的摻雜濃度為 1E+19-2E+19 個 /cm3 ；
[0038]7、再升高溫度到930-1000°C持續生長200_300nm的摻鎂的P型GaN層，Mg的摻雜濃度為 3E+19-4E+19 個 /cm3 ；
[0039]8、最后降溫至650_680°C，保溫20_30min，接著爐內冷卻；得到樣品I。
[0040]樣品I的結構可參見圖1所示，其能帶圖見圖3所示。其中，上方曲線為GaN導帶能級，中間虛線為GaN費米能級；下方曲線為GaN價帶能級，A、B點分別表示發光層中的InGaN層和GaN層。
[0041]實施例一、
[0042]本發明運用Aixtron MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。采用高純H2或高純N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(SiH4),三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，P型摻雜劑為二茂鎂(CP2Mg),襯底為(0001)面藍寶石，反應壓力在IOOmbar到800mbar之間。具體生長方式如下(外延結構請參考圖2,第5步的能帶請參考圖4):
[0043]1、在1000-1100°C的氫氣氣氛下高溫處理藍寶石襯底8_10分鐘；
[0044]2、降溫至540_590°C下，在藍寶石襯底上生長厚度為30_40nm的低溫緩沖層GaN ；
[0045]3、升高溫度到1100-1200°C下，持續生長2.5-3.5 μ m的不摻雜GaN ；
[0046]4、生長3-4 μ m持續摻雜Si的N型GaN，Si的摻雜濃度為5E+19-1E+20個/cm3 ；
[0047]5、周期性分組生長有發光層MQW:
[0048](I)第一雙層組合單元:低溫730-750°C生長摻雜In的2.5-3nm InxGa (1_x) N(x=0.20-0.21)層，In 的摻雜濃度為 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高溫 800_840°C時，采用 333s通入20sccm的TMGa，生長15_16nm厚度的GaN層，InxGa (1_x)N/GaN周期數為3-4個；
[0049](2)第二雙層組合單元:低溫730-750°C生長摻雜In的2.5-3nm InxGa (1_X)N(x=0.20-0.21)層，In 的摻雜濃度為 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高溫 800_840°C時，采用 290s通入20sccm的TMGa，生長14_15nm厚度的GaN層，InxGa (1_x)N/GaN周期數為3-4個；
[0050](3)第三雙層組合單元:低溫730-750 °C生長摻雜In的2.5_3nmInxGa (1_X)N(x=0.20-0.21)層，In 的摻雜濃度為 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高溫 800_840°C時，采用 230s通入20sccm的TMGa，生長10-llnm厚度的GaN層，InxGa (1_x)N/GaN周期數為3-4個；
[0051](4)第四雙層組合單元:低溫730-750°C生長摻雜In的2.5_3nmInxGa (1_x)N (x?=0.20-0.21)層，In 的摻雜濃度為 lE+20-2E+20atom/cm3 ;高溫 800_840°C時，采用 177s 通入 20sccm 的 TMGa，生長 8-lOnm 厚度的 GaN 層，InxGa (1_x)N/GaN 周期數為 3-4 個；
[0052]或者，第5步驟的發光層可以1-4個InGaN/GaN層為一個單元生長，每一個單元內的GaN層厚度一致；但整個發光層GaN厚度從16nm漸變為8nm。
[0053]優選為每個單元為1-2個InGaN/GaN層。
[0054]6、再升高溫度到900-950°C持續生長20_30nm的P型AlGaN層，Al的摻雜濃度為1E+20-3E+20 個 /cm3，Mg 的摻雜濃度為 1E+19-2E+19 個 /cm3 ；
[0055]7、再升高溫度到930-1000°C持續生長200_300nm的摻鎂的P型GaN層，Mg的摻雜濃度為 3E+19-4E+19 個 /cm3 ；
[0056]8、最后降溫至650-680°C，保溫20_30min，接著爐內冷卻；得到樣品2。
[0057]樣品2的結構可參見圖2所示，其能帶圖見圖4所示。其中，上方曲線為GaN導帶能級，中間虛線為GaN費米能級；下方曲線為GaN價帶能級，A、B點分別表示發光層中的InGaN
[0058]層和
【權利要求】
1.一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，依次包括處理襯底、生長低溫緩沖GaN層、生長不摻雜GaN層、生長摻Si的GaN層、生長發光層MQW、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層步驟，其特征在于，所述生長發光層MQW的步驟為: A、在溫度為730-750°C、IOOmbar到800mbar壓力的反應室內，采用H2和/或N2作為載氣，生長摻雜 In 的厚度為 2.5-3nm 的 InxGa (1_X)N 層，x=0.20-0.21 ； 將反應室溫度調節為800-840°C，通入總時長為R的三甲基鎵，生長出厚度為D的第一個GaN層； B、將反應室溫度調節為730-750°C，生長摻雜In的厚度為2.5_3nm的InxGa (1_X)N層，x=0.20-0.21，In 的摻雜濃度為 lE+20-2E+20atom/cm3 ； 將反應室溫度調節為800-840°C，通入三甲基鎵；通入總時長為(0.75-0.95) XR倍的三甲基鎵，生長出厚度為(0.75-0.95) XD的第二個GaN層； C、將反應室溫度調節為730-750°C，生長摻雜In的厚度為2.5_3nm的InxGa (1_X)N層，x=0.20-0.21 ； 將反應室溫度調節為800-840°C，通入三甲基鎵；通入總時長為(0.75-0.95)nXR倍的三甲基鎵，三甲基鎵的通入時長為上一個步驟通入時長R的0.75-0.95倍，生長出厚度為(0.75-0.95) nXD 的第 N 個 GaN 層； D、重復C步驟，直至生成12-16個InxGa(1_x)N/GaN層。
2.根據權利要求1所述的一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，其特征在于，每一個步驟重復1-4次后，進行下一步驟。
3.根據權利要求1或2所述的一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，其特征在于，所述步驟A的R為20-27sccm。
4.根據權利要求1或2所述的一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，其特征在于，所述步驟A的D為15-16nm。
5.根據權利要求4所述的一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，其特征在于，所述步驟C中的第N個GaN層厚度不小于8nm。
6.根據權利要求1或2所述的一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延生長方法，其特征在于，所述三甲基鎵為金屬有機源三甲基鎵。
7.一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延結構，依次包括襯底、低溫緩沖GaN層、不摻雜GaN層、摻Si的GaN層、發光層MQW、P型AlGaN層和P型GaN層，其特征在于，所述生長發光層MQW包含若干個雙層組合單元，每個組合單元包含一個InxGa(1_x)N層和一個GaN層，x=0.20-0.21，組合單元的個數為12-16，每層InxGa (1_X)N層的厚度為2.5_3nm ； 每層GaN層的厚度為上一梯次的雙層組合單元中GaN層厚度的0.75-0.95倍。
8.根據權利要求7所述的一種包含漸變厚度勢磊的LED結構外延結構，其特征在于，每一梯次的雙層組合單元數為1-4。
【文檔編號】H01L33/00GK103474537SQ201310441658
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】趙云, 林傳強 申請人:湘能華磊光電股份有限公司