一種適合高電流密度的GaN基LED外延結構及其生長方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及GaN基LED制備技術領域，具體為一種適合高電流密度的GaN基LED外延結構及其生長方法。
【背景技術】
[0002]半導體發光二極管(light-emiss1n d1des, LEDS)因其具有體積小、能耗低、壽命長、環保耐用等優點，藍光GaN基LED芯片在白光照明領域發展迅速，有逐漸取代傳統照明的趨勢。隨著LED制造領域的進步，GaN基LED芯片的電流密度逐漸增加，其發光效率已經有了顯著的提升，但是抑制GaN基LED芯片發光效率進一步提升的效率衰減(efficencydoop)問題也到了人們不得不面對的時候。
[0003]為了追求成本降低，人們不斷減小芯片尺寸，同時會提高電流密度，來提升發光亮度；但是受到GaN材料自身因素和LED外延結構的限制，在電流密度增加時，LED芯片的內量子效率提升幅度越來越小，當電流密度增加到一定程度后，LED芯片的內量子效率不增加反而會衰減，這就是眾所周知的LED效率衰減問題(efficency doop)。導致效率衰減的原因有很多，學術上主要有三種觀點為大家所認同:第一種認為電流密度提高易發生電流溢出，即漏電流，導致內量子效率衰減；第二種認為因俄歇復合導致內量子效率衰減；第三種認為是由于空穴載流子注入不足導致內量子效率衰減。

【發明內容】

[0004]本發明所解決的技術問題在于提供一種適合高電流密度的GaN基LED外延結構及其生長方法，通過生長高結晶質量的寬阱薄皇的量子阱外延結構，提高空穴載流子在量子阱層的擴散效率和濃度，并降低漏電流，抑制高電流密度下內量子效率的衰減，提高LED量子阱在高電流密度下的內量子發光效率，從而提高GaN基LED芯片的發光效率，以解決上述【背景技術】中的問題。
[0005]本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:一種適合高電流密度的GaN基LED外延結構及其生長方法，其LED外延結構，從下向上的順序依次包括:藍寶石襯底、低溫GaN成核層、高溫GaN緩沖層、高溫U-GaN層、高溫復合η型GaN層、多周期量子阱發光層、P型AlGaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型GaN接觸層，其生長方法包括以下具體步驟:
[0006]步驟一，將藍寶石襯底在氫氣氣氛里進行退火，清潔所述襯底表面，溫度控制在1050-1100°C之間，然后進行氮化處理5-8min，石墨盤轉速穩定在1000轉/分鐘；
[0007]步驟二，將溫度下降到500-550 °C之間，生長20_30nm厚的低溫GaN成核層，生長壓力控制在450_550Torr之間，V / III摩爾比在60-120之間，石墨盤轉速穩定在600轉/分鐘，TMGa作為Ga源；
[0008]步驟三，所述低溫GaN成核層生長結束后，停止通入TMGa，進行原位退火處理；
[0009]步驟四，所述高溫GaN緩沖層生長結束后，生長一層高溫U-GaN層；
[0010]步驟五，所述高溫U-GaN層生長結束后，先生長一層高溫復合η型GaN層；
[0011]步驟六，所述高溫復合η型GaN層生長結束后，生長多周期量子阱發光層，多周期量子阱發光層，由7-10個周期的InGaN/GaN阱皇結構組成，單個量子阱的周期在6-10nm之間，且InyGai_yN (y = 0.2-0.3)阱層和GaN皇層的厚度在1:1-1:1.5之間；量子阱和量子皇層的部分生長條件相同，如生長壓力均在320-370Torr之間，Ga源均由TEGa提供，石墨盤轉速均在550-650轉/分鐘之間?’另InGaN量子阱層，生長溫度在770-820°C之間，V / III摩爾比在2000-2500之間?’另GaN量子皇層，生長溫度在900-950°C之間，V /III摩爾比在3000-3500之間，此層采取非故意摻雜方式生長；
[0012]步驟七，所述多周期量子阱發光層結束后，生長P型AlGaN電子阻擋層；
[0013]步驟八，所述P型AlGaN電子阻擋層結束后，生長高溫P型GaN層；
[0014]步驟九，所述高溫P型GaN層生長結束后，生長厚度5_10nm之間的p型GaN接觸層，使用TEGa提供Ga源，利用Cp2Mg提供Mg源，Mg摻雜濃度在114-1O15cnT3之間，利用TMIn源提供In摻雜，In/Ga比控制在0.1-0.3之間，控制生長溫度在750_800°C之間，壓力在150-250Torr之間，V / III摩爾比在1000-1500之間；
[0015]以上外延層生長結束后，將反應室壓力降到lOOTorr，溫度降至750°C，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結束生長。
[0016]所述步驟三中退火溫度升高至1030-1050°C之間，退火時間在5_8min之間；退火之后，將溫度調節至960-1030°C之間，外延生長厚度為500-800nm間的高溫GaN緩沖層3，生長壓力在450-550Torr之間，V / III摩爾比在200-300之間，石墨盤轉速穩定在1200轉/分鐘，TMGa作為Ga源。
[0017]所述步驟四中高溫U-GaN層生長厚度在2-2.5um之間，生長過程溫度控制在1060-1100°C之間，生長壓力在180-230Torr之間，V /III摩爾比在100-200之間，石墨盤轉速穩定在1200轉/分鐘，利用TMGa作為Ga源。
[0018]所述步驟五中高溫復合η型GaN層包括從下向上包括n-GaNl/n-AlGaN/n_GaN2三層，其中n-GaNl和n_GaN2層生長條件相同，生長溫度在1060-1090 °C之間，壓力在180-230Torr之間，V / III摩爾比在100-200之間，厚度分別為1-1.5um和2_3um，Si摻雜濃度在1018-1019cnT3之間，石墨盤轉速穩定在1200轉/分鐘；其中n-AlGaN生長過程，溫度控制在980-1030°C之間，生長壓力在80-130Torr之間，V / III摩爾比在10-40之間，厚度在150-200nm之間，η-Α1χ6&1_χΝ層中X在0.2-0.3之間，進行Si摻雜，Si摻雜濃度在1016-1017cnT3之間，石墨盤轉速穩定在1000轉/分鐘，利用TMGa提供Ga源。
[0019]所述步驟七中P型AlGaN電子阻擋層生長溫度控制在900-950°C之間，生長壓力在80-130Torr之間，V / III摩爾比在80-130之間，厚度在20_30nm之間，P-AlzGa1=N層中z在0.2-0.3之間，利用Cp2Mg提供Mg源，Mg摻雜濃度在1015-1016cm_3之間，石墨盤轉速穩定在1000轉/分鐘，利用TMGa提供Ga源。
[0020]所述步驟八中高溫P型GaN層生長溫度控制在950-1000 °C之間，壓力在450-550Torr之間，V /III摩爾比在200-300之間，p_GaN層生長厚度控制在40_60nm之間，利用Cp2Mg提供Mg源，Mg摻雜濃度在1017-1018cm_3之間，石墨盤轉速穩定在600轉/分鐘，利用TMGa提供Ga源。
[0021]所生長外延片經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等后續半導體制作流程后，加工成8mil*15mil尺寸的LED芯片。
[0022]本發明方法以高純氫氣或氮氣作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(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，η型摻雜劑為硅烷(SiH4)，P型摻雜劑為二茂鎂(Cp2Mg)。
[0023]與已公開技術相比，本發明存在以下優點:本發明的可以有效提高芯片在高電流密度下的發光效率。在同一 MOCVD機臺，采用相同規格藍寶石襯底，使用常規窄阱寬皇外延結構(周期厚度13-15nm，阱皇為厚度比為1:3-1:4)和本發明寬阱窄皇外延結構(周期厚度6-10nm，阱皇為厚度比為1:1-1:1.5)工藝分別生長外延片。生長完成后分別挑選波長相近的兩片，采用相同的芯片制造工藝，同批進行流水，制作成8milX 15mil尺寸芯片。芯片制作完成后，在測試電流從10-150mA條件下，進行發光亮度測試，測試結果如附圖2所示，其中在正常工作電流60mA條件下，本發明結構的芯片亮度較常規結構的芯片亮度提高20%以上。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的結構示意圖。
[0025]圖2為本發明與常規窄阱寬磊結構外延片發光亮度對比圖。
[0026]圖中:1-藍寶石襯底、2-低溫Ga成核層、3-高溫GaN緩沖層、4-高溫U-GaN層、5-高溫復合η型GaN層、6-多周期量子阱發光層、7_ρ型AlGaN電子阻擋層、8-高溫ρ型GaN層、9-ρ型GaN接觸層
【具體實施方式】
[0027]為了使本發