阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延生长方法及其结构

摘要

本发明提供了一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延生长方法，在所述生长多量子阱InxGa（1-x）N层和生长P型GaN层之间，通入NH3、TMGa、TMAl，生长厚度为8-25nm的电子阻挡层；该层包括2-6组双层结构，每一双层结构的UAlGaN层相比上一双层结构的UAlGaN层中的Al组分含量减少15%-50%。本发明采用了Al组分逐层降低的UAlGaN/UGaN结构作为电子阻挡层，改变了传统P-spacer能带的单一能阶高度分布，减弱了其对空穴注入时的阻挡作用，提高MQW的发光效率。

说明书

技术领域

本发明涉及LED外延设计技术领域，特别地，涉及一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延 生长方法及其结构。

背景技术

以GaN为基础的发光二极管（LED）已经广泛应用于交通信号灯、户外全彩显示屏、城 市景观照明、汽车内外灯、隧道灯领域。大尺寸大功率芯片规格如30mil*30mil、45mil*45mil、 50mil*50mil等多用于照明。大尺寸芯片的关键的技术不再以高流明数定义大尺寸芯片的发光 性能，而以流明/瓦（即光效）作为衡量大功率发光器件的一个重要指标。

目前提高大尺寸光效的多数创新在于对量子阱层和P型层的改进，例如降低量子阱的能 带扭曲程度，提高电子和空穴的复合概率；调整P层Mg掺杂浓度或者生长压力、长速等提高 Mg的激活效率。但P层自身的Mg电离率非常低，因此P层对于大功率光效的提高空间不大。

现有外延结构是在量子阱MQW层之后即生长P型层，还存在以下不足：

（1）P型层生长的温度采用和量子阱的垒层相同的高温，对量子阱的伤害比较大，进而 影响到器件的光电性能；

（2）生长气氛、压力和转速等与MQW层完全相同，MQW的生长压力较大，造成此层 发生预反应，晶格质量变差，阻挡电子和缺陷能力下降；

（3）由于掺杂的Al组分较低，所以不能有效的阻挡电子泄漏到P层，特别是大电流下 工作的大功率芯片，电子外溢情况严重，引起Droop效率比较明显。

因此，现有外延结构的光效和阻挡电子泄漏的性能还有待提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延生长方法及其结构，以解决电 子泄漏、缺陷向上延伸、光效不足等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延生长方法，依次 包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长多量 子阱InxGa_（1-x）N层、生长第一P型GaN层、生长P型AlGaN层、生长第二P型GaN层步骤，

在所述生长多量子阱InxGa_（1-x）N层和生长第一P型GaN层步骤之间，包括生长电子阻 挡层的步骤：

在温度为800-880℃、100-300torr压力的反应室内，采用H₂和/或N₂作为载气，持续通 入5-40sccm的NH₃和15-50sccm的TMGa，每隔10-30s通入一次10-40sccm的TMAl，每次 通入的TMAl含量渐减，生长电子阻挡层，电子阻挡层的厚度为8-25nm；

所述电子阻挡层包括2-6组双层结构，每个双层结构包括UAlGaN层和UGaN层；每一 双层结构的UAlGaN层相比上一双层结构的UAlGaN层中的Al组分含量减少15%-50%。

优选的，每一所述UAlGaN层的Al组分与每一UAlGaN层的摩尔比在0.1-0.3之间。

优选的，所述相邻UAlGaN层的Al组分含量波动的幅度与每一UAlGaN层的摩尔比为 0.01-0.05。

优选的，所述生长低温缓冲GaN层步骤为：

在温度为530-560℃、300-500torr压力的反应室内，在衬底上生长厚度为20-45nm的低 温缓冲GaN层；

所述生长不掺杂GaN层步骤为：

降低温度到1000-1100℃，反应室压力控制在300-600torr，持续生长2-3.5um厚度的不 掺杂UGaN层；

所述生长掺Si的GaN层步骤为：

保持温度不变，反应室压力控制在200-300torr生长2-3um厚度的n型掺Si的GaN层， Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm³。

优选的，所述生长多量子阱InxGa_（1-x）N层步骤为：

反应室压力控制在200-300torr，降温至750-770℃生长掺杂In的2.5-3.5nm厚度的In_xGa _（1-x）N层，其中x=0.20-0.22，再降低温度至860-890℃生长10-12nm厚度的GaN层；In_xGa _（1-x）N/GaN周期数为11-13，厚度在130-160nm。

优选的，所述生长第一P型GaN层、生长P型AlGaN层、生长第二P型GaN层的步骤 为：

降温至730-770℃，反应室压力在200-300torr生长厚度为40-70nm低温掺Mg的P型 GaN，Mg的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm³；

降低温度到920-970℃，反应室压力控制在100-200torr，持续生长30-50nm厚度的掺铝、 掺镁的P型Al_yGaN电子阻挡层，其中，y=0.15-0.25；Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm³， Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm³；

将反应室压力控制在200-500torr，再同温持续生长80-120nm厚度的掺Mg的第二P型 GaN层，Mg的掺杂浓度为6E+19-1.5E+20个/cm³。

本发明还提供一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延结构，在多量子阱InxGa_（1-x）N层和第 一P型GaN层之间包括电子阻挡层：

UAlGaN/UGaN电子阻挡层包括2-6组双层结构，每个双层结构包括UAlGaN层和UGaN 层；每一双层结构的UAlGaN层相比上一双层结构UAlGaN层中的Al组分含量减少 15%-50%；

UAlGaN/UGaN层的厚度为8-25nm。

优选的，在UAlGaN/UGaN层之下，从下至上依次包括：

衬底；

低温缓冲GaN层：厚度为20-45nm；

不掺杂GaN层：厚度为2-3.5um；

掺Si的GaN层：Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm³，厚度控制在2-3μm；

多量子阱InxGa_（1-x）N层：发光层为掺杂In的In_xGa_（1-x）N层，In_xGa_（1-x）N/GaN层的周期 数为11-13，厚度为130-160nm；In_xGa_（1-x）N的厚度为2.5-3.5nm，x=0.20-0.22，In的掺杂浓 度为2E+20-3E+20个/cm³；GaN层的厚度为10-12nm。

优选的，在UAlGaN/UGaN层之上，从下至上依次包括：

第一P型GaN层：厚度为40-70nm，Al的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm³；

P型Al_yGaN电子阻挡层：厚度为30-50nm，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm³，Mg 的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm³；

第二P型GaN层：厚度为100-150nm，Mg的掺杂浓度为6E+19-1.5E+20个/cm³。

本发明具有以下有益效果：本发明采用了Al组分渐变的UAlGaN/UGaN电子阻挡层，取 代传统的量子阱中后的单一P型层，有效的阻挡电子从量子阱泄漏到P层，又能保证空穴有 效的进入量子阱与电子复合。提高了内部量子效率，进而提高了亮度。具体如下：

（1）采用了Al组分逐层降低的UAlGaN/UGaN结构作为电子阻挡层，改变了传统P-spacer 能带的单一能阶高度分布，减弱了其对空穴注入时的阻挡作用；同时电子阻挡层的Al组分渐 变生长，能更好的阻挡电子泄露，可有效改善大电流下电子的外溢情况，防止了电子进入P 层产生非发光复合，提高MQW的发光效率；

（2）量子阱垒层的生长温度为860-890℃，本发明电子阻挡层的生长温度为800-880℃。 电子阻挡层在低于量子阱垒层的温度下生长，减少了高温对量子阱的伤害，使得量子阱层结 构破坏减少，复合效率相对减少；

（3）生长气氛、压力等与MQW层完全不同，避免了预反应的发生，提高了晶体质量， 阻挡电子和缺陷的能力大大提高；

（4）电子阻挡层的UAlGaN/UGaN层之前生长的是INGaN/GaN超晶格结构，和 UAlGaN/UGaN结构完全不同，缺陷不可能沿着原来的通道延伸。另外这也是由于 UAlGaN/UGaN循环结构本身所具有的特性，可以过滤掉量子阱区域形成的缺陷或位错。即阻 断缺陷或位错一直向上生长，因此改善后续外延层的晶格质量和LED的光电性能。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面 将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及 其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有的LED外延结构示意图；

图2是本发明优选实施例的LED外延结构示意图；

图3是传统P-Spacer层的能带结构示意图；

图4是本发明优选实施例的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图；

图5是本发明优选实施例和对比实施例的芯片亮度对比示意图；

图6是本发明优选实施例和对比实施例的芯片电压对比示意图；

图7是本发明优选实施例和对比实施例的Φe的分布曲线对比示意图；

图8是本发明优选实施例和对比实施例的光效的分布曲线对比示意图；

其中，1、低温缓冲GaN层；2、不掺杂GaN层，3、掺杂Si的GaN层；4、多量子阱InxGa _（1-x）N层；5、第一P型GaN层；6、P型AlGaN层，7、第二P型GaN层，8、电子阻挡层， 9、UAlGaN层，10、UGaN层；11、传统P-Spacer层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆 盖的多种不同方式实施。

本发明公开了一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延生长方法，依次包括处理衬底、生长 低温缓冲GaN层1、生长不掺杂GaN层2、生长掺Si的GaN层3、生长多量子阱InxGa_（1-x）N层4、生长第一P型GaN层、生长P型AlGaN层、生长第二P型GaN层步骤。

在所述生长多量子阱InxGa（1-x）N层和生长第一P型GaN层步骤之间，包括生长电子 阻挡层的步骤：

在温度为800-880℃、100-300torr压力的反应室内，采用H₂和/或N₂作为载气，持续通 入5-40sccm的NH₃和15-50sccm的TMGa，每隔10-30s通入一次10-40sccm的TMAl，生 长电子阻挡层，电子阻挡层的厚度为8-25nm；

参见图2，所述电子阻挡层包括2-6组双层结构，每个双层结构包括UAlGaN层和UGaN 层；每一双层结构的UAlGaN层相比上一双层结构的UAlGaN层中的Al组分含量减少 15%-50%。

每一UAlGaN层的厚度可以随着Al组分的变化成同比例变化，或者厚度不变化。

本发明采用了Al组分逐层降低的UAlGaN/UGaN结构作为电子阻挡层，改变了传统 P-spacer能带的单一能阶高度分布，减弱了其对空穴注入时的阻挡作用；同时电子阻挡层的 Al组分渐变生长，能更好的阻挡电子泄露，可有效改善大电流下电子的外溢情况，防止了电 子进入P层产生非发光复合，提高MQW的发光效率。

以下分别说明采用以现有传统方法制备样品1的对比实施例一，和采用本发明生长方法 制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品1和样品2进行性能检测比较。

对比实施例一、

1、在1000-1100℃的的氢气气氛下,反应室压力控制在200-500torr，高温处理蓝宝石衬底 5-6min；再降温至530-560℃，反应室压力控制在300-500torr在蓝宝石衬底上生长厚度为 20-45nm的低温缓冲层GaN(Nucleation)；

2、降低温度到1000-1100℃，反应室压力控制在300-600torr持续生长2-3.5um的不掺杂 UGaN；

3、保持温度不变，反应室压力控制在100-300torr生长2-3um的n型掺Si的GaN层；

4、周期性生长有源层MQW，反应室压力控制在100-300torr，降温至750-770℃生长掺 杂In的2.5-3.5nm InxGa_（1-x）N（x～=0.20-0.22）层，再降低温度至860-890℃生长10-12nm GaN 层。InxGa_（1-x）N/GaN周期数为11-13，厚度在130-160nm；

5、在和MQW同等条件下生长厚度约6-12nm的P-spacer层；

6、再降温至730-770℃，反应室压力在200-300torr生长厚度为40-70nm厚度的低温掺 Mg的第一P型GaN层；

7、再降低温度到920-970℃，反应室压力控制在100-200torr，持续生长30-50nm掺铝、 掺镁的P型AlyGaN（y=0.15-0.25）电子阻挡层；

8、将反应室压力控制在200-500torr，再同温持续生长80-120nm厚度的高温掺Mg的第 二P型GaN层；

9、最后再降低温度到650-750℃，在氮气气氛下，持续时间20-30min，活化PGaN后， 得到样品1。

样品1的结构可参见图1所示，其能带图见图3所示。该能带图是传统结构的电子阻挡 层，只含一个Al组分，因此只有一个能带高度。

实施例一、

本发明运用Veeco K465i MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H₂或高纯 N₂或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，三甲基镓（TMGa）及三 乙基镓（TEGa）作为镓源，三甲基铟（TMIn）作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三 甲基铝（TMAl）作为铝源，二茂镁（CP2Mg）作为P型掺杂剂，衬底为（0001）面蓝宝石， 反应室压力在100torr到600torr之间。具体生长方式如下（外延结构见图2，第5步电子阻 挡层能带请参考图4）：

1、在1000-1100℃的的氢气气氛下,反应室压力控制在200-500torr，高温处理蓝宝石衬底 5-6min；再降温至530-560℃，反应室压力控制在300-500torr在蓝宝石衬底上生长厚度为 20-45nm的低温缓冲层GaN(Nucleation)；

2、降低温度到1000-1100℃，反应室压力控制在300-600torr持续生长2-3.5um的不掺杂 UGaN；

3、保持温度不变，反应室压力控制在200-300torr生长2-3um的n型掺Si的GaN层；

4、周期性生长有源层MQW，反应室压力控制在200-300torr，降温至750-770℃生长掺 杂In的2.5-3.5nm InxGa_（1-x）N（x=0.20-0.22）层，再降低温度至860-890℃生长10-12nm GaN 层。InxGa_（1-x）N/GaN周期数为11-13，厚度在130-160nm;

5、将反应室压力降至100torr，反应温度在800-880℃，持续通入5-40sccm的NH₃和 15-50sccm的TMGa，每隔10-30s通入一次10-40sccm的TMAl，每次通入的TMAl含量渐减， 持续生长新电子阻挡层，厚度8-25nm且Al组分渐减。

在TMAl通入时，生长出来的为UAlGaN层，在TMAl不通入时，生长出来的为UGaN 层。因此，随着TMAl时断时续的2-6次通入，则生长出了2-6个UAlGaN/UGaN循环结构。

每一所述UAlGaN层的Al组分与每一UAlGaN层的摩尔比在0.1-0.3之间。相邻UAlGaN 层的Al组分含量波动的幅度与每一UAlGaN层的摩尔比可以为0.01-0.05摩尔比。

例如，第一次生长UAlGaN层时，通入40sccm的TMAl，Al组分约为0.2摩尔比；第二 次生长UAlGaN层时，通入33sccm的TMAl，Al组分约为0.18摩尔比；第三次生长UAlGaN 层时，通入27sccm的TMAl，Al组分约为0.15摩尔比；第四次生长UAlGaN层时，通入23sccm 的TMAl，Al组分约为0.1摩尔比。

6、再降温至730-770℃，反应室压力在200-300torr生长厚度为40-70nm厚度的低温掺 Mg的第一P型GaN层，Mg的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm3；

7、再降低温度到920-970℃，反应室压力控制在100-200torr，持续生长30-50nm掺铝、 掺镁的P型AlyGaN（y=0.15-0.25）电子阻挡层；

8、将反应室压力控制在200-500torr，再同温持续生长80-120nm厚度的掺Mg的第二P 型GaN层，Mg的掺杂浓度为6E+19-1.5E+20个/cm³；

9、最后再降低温度到650-750℃，在氮气气氛下，持续时间20-30min，活化PGaN后， 得到样品2。

样品2的结构可参见图2所示，其能带图见图4所示。该能带图为电子阻挡层 UAlGaN/UGaN循环结构的能带变化，显示出2-6个Al组分的减少所引起的能带逐层向上减 少。

将样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层180nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电 极150nm和保护层SiO250nm以及将样品研磨切割成712μm*712μm（28mi*28mil）的 芯粒。

样品1和样品2在相同的测试电流350mA条件下，亮度分布图见图5，VF分布图见图6。 样品2较样品1亮度（Lop）提升约5%，VF也有所降低。

再将样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白 光LED。采用积分球分别在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能，得到的 参数见图7、图8。图7说明样品2随着电流减少很大时（如大于800mA），其光功率仍然是 减少的，而传统结构在电流大于800mA时，光功率开始呈下降趋势。本发明的结构优于传统 结构。

图8说明：随着电流逐渐加大，本发明结构（样品2）的光效衰减幅度要远小于传统结构。

本发明还提供了一种阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延结构，在多量子阱InxGa_（1-x）N层4 和第一P型GaN层5之间包括电子阻挡层8：

UAlGaN/UGaN电子阻挡层8包括2-6组双层结构，每个双层结构包括UAlGaN层9和 UGaN层10；每一双层结构的UAlGaN层9相比上一双层结构UAlGaN层9中的Al组分含 量减少15%-50%；

UAlGaN/UGaN层的厚度为8-25nm。

优选地，在UAlGaN/UGaN电子阻挡层8之下，从下至上依次包括：

衬底；

低温缓冲GaN层1：厚度为20-45nm nm；

不掺杂GaN层2：厚度为2-3.5um；

掺Si的GaN层3：Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm³，厚度控制在2-3μm；

多量子阱InxGa_（1-x）N层4：发光层为掺杂In的In_xGa_（1-x）N层，In_xGa_（1-x）N/GaN层的周 期数为11-13，厚度为130-160nm；In_xGa_（1-x）N的厚度为2.5-3.5nm，x=0.20-0.22，In的掺杂 浓度为2E+20-3E+20个/cm³；GaN层的厚度为10-12nm。

优选地，在UAlGaN/UGaN电子阻挡层8之上，从下至上依次包括：

第一P型GaN层5：厚度为40-70nm，Mg的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm³；

P型AlyGaN电子阻挡层6：厚度为30-50nm，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3， Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3；

第二P型GaN层7：厚度为100-150nm，Mg的掺杂浓度为6E+19-1.5E+20个/cm3

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员 来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等 同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。