一种具有新型的P型电子阻挡层结构的发光二极管及生长方法

摘要

一种具有新型的P型电子阻挡层结构的发光二极管及生长方法，其为LED外延结构，从下向上的顺序依次包括衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、多量子阱层、N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层；将衬底进行高温清洁处理进行氮化处理；所述GaN非掺杂层生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型GaN层；所述N型GaN层生长结束后，生长多量子阱层；所述多量子阱层生长结束后，生长阻挡层低温P型GaN层；生长P型接触层；外延生长结束后，降至室温即得LED外延结构，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀加工工艺制成单颗小尺寸芯片。

说明书

技术领域

本发明涉及Ⅲ族氮化物材料制备技术领域，具体为一种具有新 型电子阻挡层结构的发光二极管及生长方法。

背景技术

发光二极管(LED，LightEmittingDiode)是一种半导体固体发 光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。 以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具 有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀 等优良性能。其三元合金铟镓氮(InGaN)带隙从0.7eV氮化铟(InN) 到3.4eV氮化镓(GaN)连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外 光的整个区域。以InGaN/GaN多量子阱为有源层的发光二极管具有 高效、环保、节能、寿命长等显著特点，被认为是最有潜力进入普 通照明领域的一种新型固态冷光源。

半导体照明光源的质量和LED芯片的质量息息相关，进一步提 高LED的光效、可靠性、寿命是LED材料和芯片技术发展的目标。 由于P型GaN的空穴浓度以及空穴迁移率和N型GaN的电子相比 差别很大，造成了LED载流子注入的不对称。一般须在量子阱靠近 P型GaN一侧插入一电子阻挡层，以达到阻挡电子泄漏的效果。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种具有新型电子阻挡层结 构的发光二极管及生长方法，即N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡 层通过形成一个在LED工作时反向偏置的PN结作为电子阻挡层以 解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种具有 新型电子阻挡层结构的发光二极管及生长方法，其为LED外延结构， 从下向上的顺序依次包括：衬底1、低温GaN缓冲层2、GaN非掺 杂层3、N型GaN层4、多量子阱层5、N型或者非故意掺杂GaN 电子阻挡层6、高温P型GaN层7、P型接触层8；

其LED外延结构的生长方法，包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底1在1000-1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理 5-20min，然后进行氮化处理；

步骤二，将温度下降到500-650℃之间，生长厚度为20-30nm的 低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为 50-1000；

步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入三甲基 镓(TMGa)，衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓 冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5-30min，退火之后，将温 度调节至1000-1200℃之间，外延生长厚度为0.5-2μm的GaN非掺杂 层3，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-3000；

步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长一层掺杂浓度 稳定的N型GaN层4，厚度为1.2-4.2μm，生长温度在1000-1200℃ 之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-3000；

步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长多量子阱层5， 所述多量子阱层5包括3-15个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱 结构由InxGa1-xN(0<x<1)势阱层和GaN势垒层依次生长而成。所述 InxGa1-xN势阱层的生长温度在720-820℃之间，压力在100-500Torr 之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000，厚度在2-5nm之间；所述GaN势垒层的 生长温度在820-920℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为 300-5000，厚度在8-15nm之间；

步骤六，所述多量子阱层5生长结束后，生长厚度为20-70nm 的N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层6低温P型GaN层，生长 温度在700-1100℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为 100-3000；

步骤七，所述N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层6生长结束 后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层7，生长温度在 850-950℃之间，生长时间为5-30min，压力在100-500Torr之间， Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤八，所述高温P型GaN7层生长结束后，生长厚度在5-20nm 之间的P型接触层8，生长温度在850-1050℃之间，生长时间为 1-10min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000-20000；

步骤九，外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃之间， 采用纯氮气气氛进行退火处理2-15min，然后降至室温，即得LED 外延结构，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀加工工艺制成单颗 小尺寸芯片。

所述N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层6结构的发光二极管 及生长方法以高纯氢气(H₂)或氮气(N₂)作为载气，以三甲基镓 (TMGa)、三乙基镓(TEGa)和氨气(NH₃)分别作为Ga和N源，用 硅烷(SiH₄)作为N型掺杂剂。所述所述N型或者非故意掺杂GaN 电子阻挡层6为N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层。

与已公开技术相比，本发明存在以下优点：本发明中N型或者 非故意掺杂GaN电子阻挡层可以达到与P型GaN层以及多量子阱层 之间的晶格匹配，N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层通过形成一 个在LED工作时反向偏置的PN结作为电子阻挡层从而有效降低电 子泄漏，进而提高氮化镓基发光二极管的发光效率。

附图说明

图1为本发明的LED外延结构示意图。

图中：1、衬底，2、低温GaN缓冲层，3、GaN非掺杂层，4、 N型GaN层，5、多量子阱层，6、N型或者非故意掺杂GaN电子阻 挡层，7、高温P型GaN层，8、P型接触层。

具体实施方式

一种具有新型电子阻挡层结构的发光二极管及生长方法，其 LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底1、低温GaN缓冲 层2、GaN非掺杂层3、N型GaN层4、多量子阱层5、N型或者非 故意掺杂GaN电子阻挡层6、高温P型GaN层7、P型接触层8；

其LED外延结构的生长方法，包括以下具体步骤：

步骤一，将衬底1在1000-1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理 5-20min，然后进行氮化处理；

步骤二，将温度下降到500-650℃之间，生长厚度为20-30nm的 低温GaN缓冲层2，生长压力控制在300-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为 50-1000；

步骤三，所述低温GaN缓冲层2生长结束后，停止通入三甲基 镓(TMGa)，衬底温度升高至900-1200℃之间，对所述低温GaN缓 冲层2进行原位热退火处理，退火时间在5-30min，退火之后，将温 度调节至1000-1200℃之间，外延生长厚度为0.5-2μm的GaN非掺杂 层3，生长压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-3000；

步骤四，所述GaN非掺杂层3生长结束后，生长一层掺杂浓度 稳定的N型GaN层4，厚度为1.2-4.2μm，生长温度在1000-1200℃ 之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为100-3000；

步骤五，所述N型GaN层4生长结束后，生长多量子阱层5， 所述多量子阱层5包括3-15个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱 结构由InxGa1-xN(0<x<1)势阱层和GaN势垒层依次生长而成。所述 InxGa1-xN势阱层的生长温度在720-820℃之间，压力在100-500Torr 之间，Ⅴ/Ⅲ比为300-5000，厚度在2-5nm之间；所述GaN势垒层的 生长温度在820-920℃之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为 300-5000，厚度在8-15nm之间；

步骤六，所述多量子阱层5生长结束后，生长厚度为20-70nm 的N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层6低温P型GaN层，生长 温度在700-1100℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为 100-3000；

步骤七，所述N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层6生长结束 后，生长厚度为100-800nm的高温P型GaN层7，生长温度在 850-950℃之间，生长时间为5-30min，压力在100-500Torr之间， Ⅴ/Ⅲ比为300-5000；

步骤八，所述高温P型GaN7层生长结束后，生长厚度在5-20nm 之间的P型接触层8，生长温度在850-1050℃之间，生长时间为 1-10min，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ比为1000-20000；

步骤九，外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃之间， 采用纯氮气气氛进行退火处理2-15min，然后降至室温，即得LED 外延结构，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀加工工艺制成单颗 小尺寸芯片。

所述N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层6结构的发光二极管 及生长方法以高纯氢气(H₂)或氮气(N₂)作为载气，以三甲基镓 (TMGa)、三乙基镓(TEGa)和氨气(NH₃)分别作为Ga和N源，用 硅烷(SiH₄)作为N型掺杂剂。所述所述N型或者非故意掺杂GaN 电子阻挡层6为N型或者非故意掺杂GaN电子阻挡层。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的 优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制， 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本 发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明的要求保护范围 由所附的权利要求书及其等效物界定。