一種具有新型的p型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法
【專利摘要】本發明提供一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其LED外延結構，從下向上的順序依次包括：襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、N型GaN層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型InAlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，本發明中復合結構的P型InyAlxGa1-x-yN電子阻擋層，一是通過In組分的加入，調節InyAlxGa1-x-yN晶格常數，可以達到與P型GaN層以及多量子阱層之間的晶格匹配，減少位錯密度并提高晶體質量，獲得希望的能帶間隙值和能帶偏移率，從而有效降低電子泄漏，提高空穴的注入率；二是P型InAlGaN電子阻擋層的漸變結構設計，避免了對空穴縱向遷移的限制，從而提高空穴的注入效率，進而提高氮化鎵基發光二極管的發光效率。
【專利說明】—種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及III族氮化物材料制備【技術領域】，具體為一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法。
【背景技術】
[0002]發光二極管(LED,Light Emitting Diode)是一種半導體固體發光器件,其利用半導體PN結作為發光材料，可以直接將電轉換為光。以氮化鎵為代表的III族氮化物是直接帶隙的寬禁帶半導體材料，具有電子飄移飽和速度高，熱導率好、強化學鍵、耐高溫以及抗腐蝕等優良性能。其三元合金銦鎵氮(InGaN)帶隙從0.7eV氮化銦(InN)到3.4eV氮化鎵(GaN)連續可調，發光波長覆蓋了可見光和近紫外光的整個區域。以InGaN/GaN多量子阱為有源層的發光二極管具有高效、環保、節能、壽命長等顯著特點，被認為是最有潛力進入普通照明領域的一種新型固態冷光源。
[0003]半導體照明光源的質量和LED芯片的質量息息相關，進一步提聞LED的光效、可罪性、壽命是LED材料和芯片技術發展的目標。GaN的P型摻雜是早期困擾LED制作的重要瓶頸之一。這是因為非故意摻雜的GaN是N型，電子濃度在lX1016cm-3以上，P型GaN的實現比較困難。目前為止最成功的P型摻雜劑是Mg，但是依然面臨高濃度摻雜造成的晶格損傷、受主易被反應室中的H元素鈍化等問題。日亞公司發明的氧氣熱退火方法簡單有效，是廣泛使用的受主激活方法，也有廠商直接在MOCVD外延爐內用氮氣在位退火激活。此外，還有一些利用P型AlGaN/GaN超晶格、P型InGaN/GaN超晶格來提高空穴濃度的報道。盡管如此，P型GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和N型GaN的電子相比差別依然很大，這造成了LED載流子注入的不對稱。一般須在量子阱靠近P型GaN —側插入P型AlGaN的電子阻擋層，以達到阻擋電子泄漏的效果。
[0004]但是目前技術仍然存在以下問題:1) P型電子阻擋層對電子阻擋效果越明顯，空穴注入效率下降就越大，即電子阻擋效率越高，空穴注入效率越低；同時，由于Al組分的加入，現有AlGaN電子阻擋層與P型GaN層以及多量子阱層之間的晶格失配較大；2)目前P型AlGaN層與P型GaN層之間Al組分是突變結構，即切換到生長P型AlGaN時，直接通入定量的Al組分且保持不變。雖然P型AlGaN層與P型GaN層異質界面上由大的極化差會誘導產生二維空穴氣，促進空穴的橫向運動，但是二維空穴氣對載流子的縱向限制作用也增強，使得空穴聚集于異質界面處，從而導致遷移至量子阱區域的空穴數量減少。因此，P型AlGaN電子阻擋層結構的設計對氮化鎵基LED的內量子效率和發光效率有很重要的影響。
[0005]鑒于此，有必要提供一種新型的P型電子阻擋層結構及其生長方法克服上述缺點。

【發明內容】

[0006]本發明所解決的技術問題在于提供一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，即復合結構的P型InyAlxGamN (O ^ x < I, O ^ y < I)電子阻擋層的生長方法，一是通過In組分的加入，調節InyAlxGa1^N晶格常數，以達到電子阻擋層與P型GaN層以及多量子阱層之間的晶格匹配，獲得希望的能帶間隙值和能帶偏移率，從而有效降低電子泄漏，提高空穴的注入率；二是通過In、Al組分的漸變，減少P型InAlGaN層與P型GaN層異質界面上的極化差以及對空穴縱向遷移的影響，從而提高氮化鎵基發光二極管的發光效率，以解決上述【背景技術】中的問題。
[0007]本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其LED外延結構，從下向上的順序依次包括:襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、N型GaN層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型InAlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，其LED外延結構的生長方法，包括以下具體步驟:步驟一，將襯底在1000-120(TC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理5-20min，然后進行氮化處理；
步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長厚度為20-30nm的低溫GaN緩沖層，生長壓力控制在 300-760Torr 之間，V / III比為 50-1000 ；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層生長結束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調節至1000-1200°C之間，外延生長厚度為0.5-2μπι的GaN非摻雜層，生長壓力在 100-500Torr 之間， V / III比為 100-3000 ；
步驟四，所述GaN非摻雜層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層，厚度為1.2-4.2 μ m， 生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III比為100-3000 ；
步驟五，所述N型GaN層生長結束后，生長多量子阱層，所述多量子阱層包括3-15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGahN (0<χ<1)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成。所述InxGa^N勢阱層的生長溫度在720-820°C之間，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000，厚度在2-5nm之間；所述GaN勢壘層的生長溫度在820_920°C之間，壓力在100-500Torr 之間，V /III比為 300-5000，厚度在 8_15nm 之間；
步驟六，所述多量子阱層生長結束后，生長厚度為IO-1OOnm的低溫P型GaN層，生長溫度在620-820°C之間，生長時間為5-35min，壓力在100-500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟七，所述低溫P型GaN層生長結束后，生長厚度為10-200nm的P型InAlGaN電子阻擋層，生長溫度在900-1100°C之間，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，V / III比為10-1000，所述P型InAlGaN電子阻擋層采用分組生長模式，共m組(2≤m < 10);且每一組生長由三步構成:Ca)先生長In和Al的摩爾組分含量逐漸升高，Ga的摩爾組分含量逐漸降低的P型InyAlxGa^N層ma ; (b) P型InyAIxGa1^N層ma生長結束后，保持In、Al和Ga的摩爾組分含量不變，生長P型InyAlxGa^N層mb ; (c) P型InyAlxGa^yN層mb生長結束后，生長In和Al的摩爾組分含量逐漸降低，Ga的摩爾組分含量逐漸升高的P型InyAlxGa1^yN層me。所述P型InyAlxGah_yN層ma、mb和me中In和Al摩爾組分含量比，即y/x保持不變，且Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間；
步驟八，所述P型InAlGaN層生長結束后，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層，生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟九，所述高溫P型GaN層生長結束后，生長厚度在5-20nm之間的P型接觸層，生長溫度在850-1050°C之間，生長時間為Ι-lOmin，壓力在100_500Torr之間，V /III比為1000-20000 ；
步驟十，外延生長結束后，將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得LED外延結構，隨后，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0008]所述P型InyAlxGa1TyN層ma、mb和me中In和Al摩爾組分含量比，即y/x保持不變。
[0009]所述P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
[0010]所述電子阻擋層為四元氮化物InAlGaN。
[0011]與已公開技術相比，本發明存在以下優點:本發明中復合結構的P型InyAlxGanyN電子阻擋層，一是通過In組分的加入，調節InyAlxGa1^N晶格常數，可以達到與P型GaN層以及多量子阱層之間的晶格匹配，減少位錯密度并提高晶體質量，獲得希望的能帶間隙值和能帶偏移率，從而有效降低電子泄漏，提高空穴的注入率；二是P型InAlGaN電子阻擋層的漸變結構設計，避免了對空穴縱向遷移的限制，從而提高空穴的注入效率，進而提高氮化鎵基發光二極管的發光效率。`【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的LED外延結構示意圖。
[0013]圖2為本發明的P型InAlGaN電子阻擋層7分組示意圖。
[0014]圖3為本發明的P型InAlGaN電子阻擋層每一組生長示意圖。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發明的技術手段、創作特征、工作流程、使用方法達成目的與功效易于明白了解，下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0016]如圖1所示，一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其LED外延結構，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩沖層2、GaN非摻雜層3、N型GaN層4、多量子阱層5、低溫P型GaN層6、P型InAlGaN電子阻擋層7、高溫P型GaN層8、P型接觸層9。
[0017]實施例1
一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其LED外延結構的生長方法，包括以下具體步驟:步驟一，將襯底I在1200°c氮氣氣氛里進行高溫清潔處理20min，然后進行氮化處理，襯底I是適合GaN基半導體外延材料生長的材料，如藍寶石、GaN和碳化硅(SiC)單晶等；步驟二，將溫度下降到650°C，生長厚度為230nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760Torr 之間，V / III比為 1000 ；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至1200°C，對所述低溫GaN緩沖層2進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調節至1000-1200°C之間，外延生長厚度為0.5-2 μ m的GaN非摻雜層3，生長壓力在100-500Torr 之間，V / III比為 100-3000 ；
步驟四，所述GaN非摻雜層3生長結束后，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層4，厚度為4.2 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III比為3000 ；步驟五，所述N型GaN層4生長結束后，生長多量子阱層5，所述多量子阱層5包括3_15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGahN (0<χ<1)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成。所述InxGa^N勢阱層的生長溫度在720_820°C之間，壓力在100_500Torr之間，
V/III比為5000，厚度在2-5nm之間；所述GaN勢壘層的生長溫度在820_920°C之間，壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-5000，厚度在 8_15nm 之間；
步驟六，所述多量子阱層5生長結束后，生長厚度為IOOnm的低溫P型GaN層6，生長溫度在620-820°C之間，生長時間為35min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；步驟七，所述低溫P型GaN層6生長結束后，生長厚度為10-200nm的P型InAlGaN電子阻擋層7，生長溫度在900-1100°C之間，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，
V/III比為10-1000，所述P型InAlGaN電子阻擋層采用分組生長模式，共m組(2≤m<10);且每一組生長由三步構成:Ca)先生長In和Al的摩爾組分含量逐漸升高，Ga的摩爾組分含量逐漸降低的P型InyAlxGa^N層ma ; (b)P型InyAlxGai_x_yN層ma生長結束后，保持In、Al和Ga的摩爾組分含量不變，生長P型InyAlxGa^N層mb ; (c) P型InyAlxGa^yN層mb生長結束后，生長In和Al的摩爾組分含量逐漸降低，Ga的摩爾組分含量逐漸升高的P型InyAlxGa1^yN層me。所述P型InyAlxGah_yN層ma、mb和me中In和Al摩爾組分含量比，即y/x保持不變，且Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間；
步驟八，所述P型InAlGaN層7生長結束后，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層8，生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟九，所述高溫P型GaN層8生長結束后，生長厚度在5-20nm之間的P型接觸層9，生長溫度在850-1050°C之間，生長時間為Ι-lOmin，壓力在100_500Torr之間，V /III比為1000-20000 ；
步驟十，外延生長結束后，將反應室的溫度降至800°C，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得如圖1所示的LED外延結構，隨后，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0018]本實施例以高純氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
[0019]實施例2一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其LED外延結構的生長方法，包括以下具體步驟:
步驟一，將襯底I在1(KKTC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理20min，然后進行氮化處理，襯底I是適合GaN基半導體外延材料生長的材料，如藍寶石、GaN和碳化硅(SiC)單晶等；步驟二，將溫度下降到600°C，生長厚度為200nm的低溫GaN緩沖層2，生長壓力控制在300-760Torr 之間，V / III比為 1000 ；
步驟三，所述低溫GaN緩沖層2生長結束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至1000°C，對所述低溫GaN緩沖層2進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調節至1000-1200°C之間，外延生長厚度為0.5-2 μ m的GaN非摻雜層3，生長壓力在100-500Torr 之間，V / III比為 100-3000 ；
步驟四，所述GaN非摻雜層3生長結束后，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層4，厚度為4.2 μ m，生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III比為3000 ；步驟五，所述N型GaN層4生長結束后，生長多量子阱層5，所述多量子阱層5包括3_15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGahN (0<χ<1)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成。所述InxGa^N勢阱層的生長溫度在720_820°C之間，壓力在100_500Torr之間，V/III比為5000，厚度在2-5nm之間；所述GaN勢壘層的生長溫度在820_920°C之間，壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 300-5000，厚度在 8_15nm 之間；
步驟六，所述多量子阱層5生長結束后，生長厚度為IOOnm的低溫P型GaN層6，生長溫度在620-820°C之間，生長時間為35min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；步驟七，所述低溫P型GaN層6生長結束后，生長厚度為10-200nm的P型InAlGaN電子阻擋層7，生長溫度在900-1100°C之間，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，
V/III比為10-1000，所述P型InAlGaN電子阻擋層采用分組生長模式，共m組(2≤m<10);且每一組生長由三步構成:Ca)先生長In和Al的摩爾組分含量逐漸升高，Ga的摩爾組分含量逐漸降低的P型InyAlxGa^N層ma ; (b)P型InyAlxGai_x_yN層ma生長結束后，保持In、Al和Ga的摩爾組分含量不變，生長P型InyAlxGa^N層mb ; (c) P型InyAlxGa^yN層mb生長結束后，生長In和Al的摩爾組分含量逐漸降低，Ga的摩爾組分含量逐漸升高的P型InyAlxGa1^yN層me。所述P型InyAlxGah_yN層ma、mb和me中In和Al摩爾組分含量比，即y/x保持不變，且Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間；
步驟八，所述P型InAlGaN層7生長結束后，生長厚度為800nm的高溫P型GaN層8，生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ；
步驟九，所述高溫P型GaN層8生長結束后，生長厚度在5-20nm之間的P型接觸層9，生長溫度在850-1050°C之間，生長時間lOmin，壓力在100_500Torr之間，V /III比為1000-20000 ；
步驟十，外延生長結束后，將反應室的溫度降至700°C，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得如圖1所示的LED外延結構，隨后，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0020]本實施例以高純氫氣(H2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
[0021]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明的要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其LED外延結構，從下向上的順序依次包括:襯底、低溫GaN緩沖層、GaN非摻雜層、N型GaN層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型InAlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，其特征在于:其LED外延結構的生長方法，包括以下具體步驟: 步驟一，將襯底在1000-120(TC氫氣氣氛里進行高溫清潔處理5-20min，然后進行氮化處理； 步驟二，將溫度下降到500-650°C之間，生長厚度為20-30nm的低溫GaN緩沖層，生長壓力控制在 300-760Torr 之間，V / III比為 50-1000 ； 步驟三，所述低溫GaN緩沖層生長結束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩沖層進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之后，將溫度調節至1000-1200°C之間，外延生長厚度為0.5-2 μ m的GaN非摻雜層，生長壓力在 100-500Torr 之間，V / III比為 100-3000 ； 步驟四，所述GaN非摻雜層生長結束后，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層，厚度為1.2-4.2 μ m,生長溫度在1000-1200°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III比為100-3000 ； 步驟五，所述N型GaN層生長結束后，生長多量子阱層，所述多量子阱層包括3-15個依次交疊的量子阱結構，所述量子阱結構由InxGahN (0<χ<1)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成，所述InxGa^N勢阱層的生長溫度在720-820 °C之間，壓力在100_500Torr之間，V / III比為300-5000，厚度在2-5nm之間；所述GaN勢壘層的生長溫度在820_920°C之間，壓力在100-500Torr 之間，V /III比為 300-5000，厚度在 8_15nm 之間； 步驟六，所述多量子阱層生長結束后，生長厚度為IO-1OOnm的低溫P型GaN層，生長溫度在620-820°C之間，生長時間為5-35min，壓力在100-500Torr之間，V /III比為300-5000 ； 步驟七，所述低溫P型GaN層生長結束后，生長厚度為10-200nm的P型InAlGaN電子阻擋層，生長溫度在900-1100°C之間，生長時間為5-15min，壓力在50_500Torr之間，V / III比為10-1000，所述P型InAlGaN電子阻擋層采用分組生長模式，共m組(2m < 10);且每一組生長由三步構成:Ca)先生長In和Al的摩爾組分含量逐漸升高，Ga的摩爾組分含量逐漸降低的P型InyAlxGa^N層ma ; (b) P型InyAIxGa1^N層ma生長結束后，保持In、Al和Ga的摩爾組分含量不變，生長P型InyAlxGa^N層mb ; (c) P型InyAlxGa^yN層mb生長結束后，生長In和Al的摩爾組分含量逐漸降低，Ga的摩爾組分含量逐漸升高的P型InyAlxGa1^yN層me,所述P型InyAlxGa1IyN層ma、mb和me中In和Al摩爾組分含量比，即y/x保持不變，且Al的摩爾組分含量控制在5%-30%之間； 步驟八，所述P型InAlGaN層生長結束后，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層，生長溫度在850-950°C之間，生長時間為5-30min，壓力在100_500Torr之間，V /III比為300-5000 ； 步驟九，所述高溫P型GaN層生長結束后，生長厚度在5-20nm之間的P型接觸層，生長溫度在850-1050°C之間，生長時間為Ι-lOmin，壓力在100_500Torr之間，V /III比為1000-20000 ； 步驟十，外延生長結束后，將反應室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得LED外延結構，隨后，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
2.根據權利要求1所述的一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其特征在于:所述P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法以高純氫氣(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
3.根據權利要求1所述的一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極管及生長方法，其特征在于: 所述電子阻擋層為四元氮化物InAlGaN。
【文檔編號】H01L33/00GK103730557SQ201410001858
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月3日 優先權日:2014年1月3日
【發明者】李剛, 郭麗彬 申請人:合肥彩虹藍光科技有限公司