一種可提高亮度帶3D層的LED外延結構的製作方法
2023-05-13 16:45:11 1
本發明涉及發光二極體的外延技術領域，特別是可以提高亮度帶3D層的LED外延結構。
背景技術：
半導體LED具有體積小、耗電量低、使用壽命長、環保和兼顧耐用等優點，在照明、顯示屏和背光光源等領域有著廣泛的應用。大功率發光二極體已經被製作成固態照明光源推向市場，是未來取代傳統照明的一種新型光源。且相對於Si、GaAs、InP等傳統半導體材料來說，GaN材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高電子飽和和速度等特性，因而被譽為第三代半導體材料的代表。GaN HEMT的輸出功率密度要比GaAs FET高一個數量級以上，同時具有高的多的場強飽和電子飄逸速度，有望在100GHz以上的高頻和高於300oC的溫度下工作。GaN常採用金屬有機化學氣相外延法生長，然而由於GaN藍寶石襯底與GaN晶格失配和熱適配較大，因此在外延生長過程中，往往會引入大量的缺陷，如常見的穿透位錯、V型位錯等。故目前要獲得高亮度GaN基LED，在技術上還面臨諸多難題。
其中一個主要問題是InxGa1-xN/GaN多量子阱中晶格失配引起的應力場造成輻射複合效率降低。InxGa1-xN/GaN多量子阱MQWs中晶格失配引起的應力場使得MQWs中能帶發生傾斜，造成電子和空穴波函數在空間發生分離（量子限制斯塔克效應），從而降低輻射複合機率，導致亮度偏低。同時這些應力場會造成LED晶片很容易由於被靜電作用引起被擊穿，即ESD變差。
現有技術中，用來減少外延片中缺陷密度的方法很多，主要由在藍寶石襯底上形成微結構如納米空洞等，在u-GaN(不摻雜Si)和n-GaN(Si摻雜)層之間插入一定厚度的n-AlGaN Bulk來減少位錯密度。在u-GaN(不摻雜Si)和n-GaN(Si摻雜)層之間插入一定厚度的n-AlGaN Bulk結構能顯著的減少外延層中的位錯，然而在高亮度的LED器件中，常常需要較高的摻雜以提高載流子濃度，這就需要更進一步的在底層生長過程中尋找適當條件來更顯著的減少位錯密度。
技術實現要素：
針對上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種可提高亮度帶3D層的LED外延結構。它能有效的降低位錯密度，提高晶體質量，提升發光二級管亮度。
為了達到上述發明目的，本發明的技術方案以如下方式實現：
一種可提高亮度帶3D層的LED外延結構，它從下至上依次包括藍寶石襯底、AlN緩衝層、u-GaN層、n-AlGaN層、n-GaN層、多量子阱層、電子阻擋層、p-GaN層和金屬接觸層。其結構特點是，所述AlN緩衝層和u-GaN層之間置有高溫高壓n摻雜的3D層。3D層生長過程中通入SiH4進行n摻雜。
在上述提高亮度帶3D層的LED外延結構中，所述3D層生長過程中Si濃度為2E+17 atom/cm3 -5E+17 atom/cm3，生長時間為20 min，三甲基Ga流量為220 sccm。
在上述提高亮度帶3D層的LED外延結構中，所述3D層在N2、H2或者N2和H2混合環境中生長，生長壓力800 mbar，生長溫度在1100 ℃至1160 ℃之間。
本發明由於採用了上述結構，能夠在一定程度上減少由於晶格失配帶來的缺陷密度，增加了輻射複合效率，從而提升晶片亮度。同時本發明外延結構還能夠在一定程度上改善後續生長GaN的晶體質量，進而增強產品的抗靜電能力。
下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
具體實施方式
參看圖1，本發明可提高亮度帶3D層的LED外延結構從下至上依次包括藍寶石襯底1、AlN緩衝層2、高溫高壓n摻雜的3D層3、u-GaN層4、n-AlGaN層5、n-GaN層6、多量子阱層7、電子阻擋層8、p-GaN層9和金屬接觸層10。3D層3生長過程中通入SiH4進行n摻雜，3D層3生長過程中Si濃度為2E+17 atom/cm3 -5E+17 atom/cm3，生長時間為20 min，三甲基Ga流量為220 sccm。3D層3在N2、H2或者N2和H2混合環境中生長，生長壓力800 mbar，生長溫度在1100 ℃至1160 ℃之間。
實施例一：
本發明外延結構的製備方法是在金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應腔裡進行的：
首先將藍寶石襯底1在氫氣氣氛中進行退火1min，清潔襯底表面，溫度控制在1060℃之間，然後進行氮化處理；
將反應室溫度下降到500℃之間，生長一層20nm厚的低溫生長的AlN緩衝層2，此生長過程中，生長壓力為75 mbar；
低溫生長的AlN緩衝層2生長結束後，對其在原位進行退火處理，退火溫度在1000℃之間，時間4min之間；
退火後將溫度升至1100℃之間，壓力升至800mbar，適量通入SiH4進行n摻雜，Si濃度為2E+17atom/cm3 atom/cm3，生長時間為20 min，三甲基Ga流量220 sccm，形成3D層3生長過程；
3D層3生長過程結束後，將溫度調至1140℃之間，生長厚度為2.2um之間的高溫不摻雜的u-GaN層4，生長壓力600 mbar，時間50 min；
再將溫度降低到1000℃，壓力降至100mbar，生長10min的n-AlGaN層5；
之後生長n-GaN層6，溫度為1140℃，生長時間為30min，生長總厚度為3um，Si的濃度為8E+18atom/cm3；
生長7個周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱層7；
生長完InxGa1-xN/GaN多量子阱層7之後，將溫度調到800℃之間生長p-AlzGa1-zN電子阻擋層8，厚度為10nm，Mg的濃度為1E+20atom/cm3 ；
電子阻擋層8生長結束後，生長一層厚度為30nm，Mg的濃度為1E+19atom/cm3的p-GaN層9；
p-GaN層9生長結束後，生長一薄層p-InGaN金屬接觸層10，其生長溫度在780 ℃之間，生長壓力400 mbar；
生長結束後，將反應室溫度降到150 ℃以下，結束整個外延生長過程。
實施例二：
本發明外延結構的製備方法是在金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應腔裡進行的：
首先將藍寶石襯底1在氫氣氣氛中進行退火15 min，清潔襯底表面，溫度控制在1080 ℃，然後進行氮化處理；
將反應室溫度下降到650 ℃，生長一層30 nm厚的低溫生長的AlN緩衝層2，此生長過程中，生長壓力為75 mbar；
低溫生長的AlN緩衝層2生長結束後，對其在原位進行的退火處理，退火溫度在1100 ℃，時間5 min；
退火後將溫度升至1110 ℃，壓力升至800 mbar，適量通入SiH4進行n摻雜，Si濃度為3.5E+17 atom/cm3，生長時間為20 min，T三甲基流量220 sccm，形成3D層3生長過程；
3D層3生長過程結束後，將溫度調至1165 ℃，生長厚度為2.5 um的高溫不摻雜的u-GaN層4，生長壓力600 mbar，時間50 min；
再將溫度降低到1010 ℃，壓力降至100 mbar，生長10 min的n-AlGaN層5；
之後生長n-GaN層6，溫度為1160 ℃，生長時間為35 min，生長總厚度為3.5 um，Si的濃度為1E+19 atom/cm3；
生長8個周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱層7；
生長完InxGa1-xN/GaN多量子阱層7之後，將溫度調到900 ℃，生長p-AlzGa1-zN電子阻擋層8，厚度為100 nm，Mg的濃度為1.5E+20 atom/cm3 ；
電子阻擋層8生長結束後，將溫度升至950℃，生長一層厚度為60 nm，Mg的濃度為5E+19 atom/cm3的p-GaN層9；
p-GaN層9生長結束後，生長一薄層p-InGaN金屬接觸層10，其生長溫度在750 ℃，生長壓力400 mbar；
生長結束後，將反應室溫度降到150℃以下，結束整個外延生長過程。
實施例三：
本發明外延結構的製備方法是在金屬有機物化學氣相澱積MOCVD反應腔裡進行的：
首先將藍寶石襯底1在氫氣氣氛中進行退火15 min，清潔襯底表面，溫度控制在1100℃之間，然後進行氮化處理；
將反應室溫度下降到700℃之間，生長一層40nm厚的低溫生長的AlN緩衝層2，此生長過程中，生長壓力為75 mbar；
低溫生長的AlN緩衝層2生長結束後，對其在原位進行的退火處理，退火溫度在1200℃之間，時間10 min之間；
退火後將溫度升至1160℃之間，壓力升至800mbar，適量通入SiH4進行n摻雜，Si濃度為5E+17atom/cm3，生長時間為20 min，三甲基Ga流量220 sccm，形成3D層3生長過程；
3D層3生長過程結束後，將溫度調至1170 ℃之間，生長厚度為2.5um之間的高溫不摻雜的u-GaN層4，生長壓力600 mbar，時間50 min；
再將溫度降低到1030℃，壓力降至100mbar，生長10min的n-AlGaN層5；
之後生長n-GaN層6，溫度為1170℃，生長時間為45 min，生長總厚度為4.5 um，Si的濃度為19 atom/cm3；
生長10個周期的InxGa1-xN/GaN多量子阱層7；
生長完多量子阱層7之後，將溫度調到950 ℃之間生長p-AlzGa1-zN電子阻擋層8，厚度為100nm，Mg的濃度為3E+20 atom/cm3 ；
電子阻擋層8生長結束後，生長一層厚度為100 nm，Mg的濃度為1E+20 atom/cm3的p-GaN層9；
p-GaN層9生長結束後，生長一薄層p-InGaN金屬接觸層10，其生長溫度在800 ℃之間，生長壓力400 mbar；
生長結束後，將反應室溫度降到150 ℃以下，結束整個外延生長過程。
以上所述，僅為本發明的具體實施例，並不限於本發明的其它實施方式，凡屬本發明的技術路線原則之內，所做的任何顯而易見的修改、替換或改進，均應屬於本發明的保護範圍之內。