一種具有新型的p型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法
【專利摘要】一種具有新型的P型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，其為LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括襯底、低溫GaN緩沖層、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(jìn)行高溫清潔處理進(jìn)行氮化處理；所述GaN非摻雜層生長結(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)定的N型GaN層；所述N型GaN層生長結(jié)束后，生長多量子阱層；所述多量子阱層生長結(jié)束后，生長阻擋層低溫P型GaN層；生長P型接觸層；外延生長結(jié)束后，降至室溫即得LED外延結(jié)構(gòu)，隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
【專利說明】—種具有新型的P型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及III族氮化物材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種具有新型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED, LightEmittingD1de)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件,其利用半導(dǎo)體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以直接將電轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料，具有電子飄移飽和速度高，熱導(dǎo)率好、強(qiáng)化學(xué)鍵、耐高溫以及抗腐蝕等優(yōu)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(xù)可調(diào)，發(fā)光波長覆蓋了可見光和近紫外光的整個(gè)區(qū)域。以InGaN/GaN多量子阱為有源層的發(fā)光二極管具有高效、環(huán)保、節(jié)能、壽命長等顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種新型固態(tài)冷光源。
[0003]半導(dǎo)體照明光源的質(zhì)量和LED芯片的質(zhì)量息息相關(guān)，進(jìn)一步提聞LED的光效、可罪性、壽命是LED材料和芯片技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。由于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(duì)稱。一般須在量子阱靠近P型GaN 一側(cè)插入一電子阻擋層，以達(dá)到阻擋電子泄漏的效果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種具有新型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，即N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層通過形成一個(gè)在LED工作時(shí)反向偏置的PN結(jié)作為電子阻擋層以解決上述【背景技術(shù)】中的問題。
[0005]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種具有新型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，其為LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩沖層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(jié)構(gòu)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氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理5_20min，然后進(jìn)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緩沖層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緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對(duì)所述低溫GaN緩沖層2進(jìn)行原位熱退火處理，退火時(shí)間在5-30min,退火之后，將溫度調(diào)節(jié)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(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)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(jié)束后，生長多量子阱層5，所述多量子阱層5包括3-15個(gè)依次交疊的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)由InXGal-XN(0〈X〈l)勢(shì)阱層和GaN勢(shì)壘層依次生長而成。所述InxGal-xN勢(shì)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(shì)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(jié)束后，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(jié)束后，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(shí)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(jié)束后，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(shí)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(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮?dú)鈿夥者M(jìn)行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得LED外延結(jié)構(gòu)，隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0016]所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法以高純氫氣(H2)或氮?dú)?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，用硅烷(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(shù)相比，本發(fā)明存在以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明中N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層可以達(dá)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(gè)在LED工作時(shí)反向偏置的PN結(jié)作為電子阻擋層從而有效降低電子泄漏，進(jìn)而提高氮化鎵基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的LED外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖中:1、襯底，2、低溫GaN緩沖層，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(shí)施方式】
[0020]一種具有新型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，其LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底1、低溫GaN緩沖層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(jié)構(gòu)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氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理5_20min，然后進(jìn)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緩沖層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緩沖層2生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵(TMGa)，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對(duì)所述低溫GaN緩沖層2進(jìn)行原位熱退火處理，退火時(shí)間在5-30min,退火之后，將溫度調(diào)節(jié)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(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)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(jié)束后，生長多量子阱層5，所述多量子阱層5包括3-15個(gè)依次交疊的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)由InXGal-XN(0〈X〈l)勢(shì)阱層和GaN勢(shì)壘層依次生長而成。所述InxGal-xN勢(shì)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(shì)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(jié)束后，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(jié)束后，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(shí)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(jié)束后，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(shí)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(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮?dú)鈿夥者M(jìn)行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得LED外延結(jié)構(gòu)，隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
[0031]所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層6結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法以高純氫氣(H2)或氮?dú)?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，用硅烷(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(fā)明的基本原理、主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明的要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種具有新型的P型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，其為LED外延結(jié)構(gòu)，從下向上的順序依次包括:襯底(I)、低溫GaN緩沖層(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);其特征在于:該LED外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括以下具體步驟， 步驟一，將襯底(I)在1000-120(TC氫氣氣氛里進(jìn)行高溫清潔處理5-20min，然后進(jìn)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緩沖層(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緩沖層(2)生長結(jié)束后，停止通入三甲基鎵，襯底溫度升高至900-1200°C之間，對(duì)所述低溫GaN緩沖層(2)進(jìn)行原位熱退火處理，退火時(shí)間在5_30min，退火之后，將溫度調(diào)節(jié)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(jié)束后，生長一層摻雜濃度穩(wěn)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(jié)束后，生長多量子阱層(5)，所述多量子阱層(5)包括3-15個(gè)依次交疊的量子阱結(jié)構(gòu)，所述量子阱結(jié)構(gòu)由InxGal-xN勢(shì)阱層和GaN勢(shì)壘層依次生長而成；所述InxGal-xN勢(shì)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(shì)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(jié)束后，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(jié)束后，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(shí)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(jié)束后，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(shí)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(jié)束后，將反應(yīng)室的溫度降至650-800°C之間，采用純氮?dú)鈿夥者M(jìn)行退火處理2-15min，然后降至室溫，即得LED外延結(jié)構(gòu)，隨后，經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕加工工藝制成單顆小尺寸芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一一種具有新型的P型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，其特征在于:所述N型或者非故意摻雜GaN電子阻擋層(6)結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法以高純氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，以三甲基鎵、三乙基鎵和氨氣分別作為Ga和N源，用硅烷作為N型摻雜劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有新型的P型電子阻擋層結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管及生長方法，其特征在于: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(hào)】H01L33/14GK104300061SQ201410536321
【公開日】2015年1月21日 申請(qǐng)日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】王智勇, 張楊, 楊翠柏, 楊光輝 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)