一種具有新型的p型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法
2023-06-07 22:06:31 2
一種具有新型的p型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法
【專利摘要】一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法，其為LED外延結構，從下向上的順序依次包括襯底、低溫GaN緩衝層、GaN非摻雜層、N型GaN層、多量子阱層、N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層；將襯底進行高溫清潔處理進行氮化處理；所述GaN非摻雜層生長結束後，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層；所述N型GaN層生長結束後，生長多量子阱層；所述多量子阱層生長結束後，生長阻擋層低溫P型GaN層；生長P型接觸層；外延生長結束後，降至室溫即得LED外延結構，隨後，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝製成單顆小尺寸晶片。
【專利說明】—種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及III族氮化物材料製備【技術領域】，具體為一種具有新型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法。
【背景技術】
[0002]發光二極體(LED, LightEmittingD1de)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體具有高效、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晶片的質量息息相關，進一步提聞LED的光效、可罪性、壽命是LED材料和晶片技術發展的目標。由於P型GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和N型GaN的電子相比差別很大，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 一側插入一電子阻擋層，以達到阻擋電子洩漏的效果。
【發明內容】
[0004]本發明所解決的技術問題在於提供一種具有新型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法，即N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層通過形成一個在LED工作時反向偏置的PN結作為電子阻擋層以解決上述【背景技術】中的問題。
[0005]本發明所解決的技術問題採用以下技術方案來實現:一種具有新型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法，其為LED外延結構，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩衝層2、GaN非摻雜層3、N型GaN層4、多量子阱層5、N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6、高溫P型GaN層7、P型接觸層8 ；
[0006]其LED外延結構的生長方法，包括以下具體步驟:
[0007]步驟一，將襯底I在1000-120(TC氫氣氣氛裡進行高溫清潔處理5_20min，然後進行氮化處理；
[0008]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緩衝層2，生長壓力控制在300-760Torr之間，V / III比為50-1000 ；
[0009]步驟三，所述低溫GaN緩衝層2生長結束後，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緩衝層2進行原位熱退火處理，退火時間在5-30min,退火之後，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 ；
[0010]步驟四，所述GaN非摻雜層3生長結束後，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層4，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 ；
[0011 ] 步驟五，所述N型GaN層4生長結束後，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InXGal-XN(0〈X〈l)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成。所述InxGal-xN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；
[0012]步驟六，所述多量子阱層5生長結束後，生長厚度為20_70nm的N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6低溫P型GaN層，生長溫度在700-1100°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III 比為 100-3000 ；
[0013]步驟七，所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6生長結束後，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層7，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 ；
[0014]步驟八，所述高溫P型GaN7層生長結束後，生長厚度在5_20nm之間的P型接觸層8，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 ；
[0015]步驟九，外延生長結束後，將反應室的溫度降至650-800°C之間，採用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然後降至室溫，即得LED外延結構，隨後，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝製成單顆小尺寸晶片。
[0016]所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6結構的發光二極體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)和氨氣(NH3)分別作為Ga和N源，用矽烷(SiH4)作為N型摻雜劑。所述所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6為N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層。
[0017]與已公開技術相比，本發明存在以下優點:本發明中N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層可以達到與P型GaN層以及多量子阱層之間的晶格匹配，N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層通過形成一個在LED工作時反向偏置的PN結作為電子阻擋層從而有效降低電子洩漏，進而提高氮化鎵基發光二極體的發光效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的LED外延結構示意圖。
[0019]圖中:1、襯底，2、低溫GaN緩衝層，3、GaN非摻雜層，4、N型GaN層，5、多量子阱層，
6、N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層，7、高溫P型GaN層，8、P型接觸層。
【具體實施方式】
[0020]一種具有新型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法，其LED外延結構，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩衝層2、GaN非摻雜層3、N型GaN層4、多量子阱層5、N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6、高溫P型GaN層7、P型接觸層8 ；
[0021]其LED外延結構的生長方法，包括以下具體步驟:
[0022]步驟一，將襯底I在1000-1200°C氫氣氣氛裡進行高溫清潔處理5_20min，然後進行氮化處理；
[0023]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緩衝層2，生長壓力控制在300-760Torr之間，V / III比為50-1000 ；
[0024]步驟三，所述低溫GaN緩衝層2生長結束後，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緩衝層2進行原位熱退火處理，退火時間在5-30min,退火之後，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 ；
[0025]步驟四，所述GaN非摻雜層3生長結束後，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層4，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 ；
[0026]步驟五，所述N型GaN層4生長結束後，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InXGal-XN(0〈X〈l)勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成。所述InxGal-xN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；
[0027]步驟六，所述多量子阱層5生長結束後，生長厚度為20_70nm的N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6低溫P型GaN層，生長溫度在700-1100°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III 比為 100-3000 ；
[0028]步驟七，所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6生長結束後，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層7，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 ；
[0029]步驟八，所述高溫P型GaN7層生長結束後，生長厚度在5_20nm之間的P型接觸層8，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 ；
[0030]步驟九，外延生長結束後，將反應室的溫度降至650-800°C之間，採用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然後降至室溫，即得LED外延結構，隨後，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝製成單顆小尺寸晶片。
[0031]所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6結構的發光二極體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)和氨氣(NH3)分別作為Ga和N源，用矽烷(SiH4)作為N型摻雜劑。所述所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6為N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層。
[0032]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及本發明的優點。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範圍的前提下，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範圍內。本發明的要求保護範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體及生長方法，其為LED外延結構，從下向上的順序依次包括:襯底(I)、低溫GaN緩衝層(2)、GaN非摻雜層(3)、N型GaN層(4)、多量子阱層(5)、N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層(6)、高溫P型GaN層(7)、P型接觸層(8);其特徵在於:該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1000-120(TC氫氣氣氛裡進行高溫清潔處理5-20min，然後進行氮化處理； 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緩衝層(2)，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緩衝層(2)生長結束後，停止通入三甲基鎵，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對所述低溫GaN緩衝層(2)進行原位熱退火處理，退火時間在5_30min，退火之後，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)生長結束後，生長一層摻雜濃度穩定的N型GaN層(4)，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(4)生長結束後，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InxGal-xN勢阱層和GaN勢壘層依次生長而成；所述InxGal-xN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(5)生長結束後，生長厚度為20-70nm的N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層(6)低溫P型GaN層，生長溫度在700-1100°C之間，壓力在100_600Torr之間，V /III 比為 100-3000 ； 步驟七，所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層(6)生長結束後，生長厚度為100-800nm的高溫P型GaN層(7)，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 ； 步驟八，所述高溫P型GaN(7)層生長結束後，生長厚度在5-20nm之間的P型接觸層(8)，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 ； 步驟九，外延生長結束後，將反應室的溫度降至650-800°C之間，採用純氮氣氣氛進行退火處理2-15min，然後降至室溫，即得LED外延結構，隨後，經過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝製成單顆小尺寸晶片。
2.根據權利要求1所述的一一種具有新型的P型電子阻擋層結構的發光二極體及生長方法，其特徵在於:所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層(6)結構的發光二極體及生長方法以高純氫氣或氮氣作為載氣，以三甲基鎵、三乙基鎵和氨氣分別作為Ga和N源，用矽烷作為N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體及生長方法，其特徵在於:所述所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層(6)為N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層。
【文檔編號】H01L33/14GK104300061SQ201410536321
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】王智勇, 張楊, 楊翠柏, 楊光輝 申請人:北京工業大學