电子阻挡层结构的生长方法及含此结构的led外延结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电子阻挡层结构的生长方法，包括以下步骤：步骤A、生长总厚度为10?20nm的高Al电子阻挡层；步骤B、生长厚度为40?60nm的p型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为5E19?1E20atoms/cm3；步骤C、再升高温度至930?950℃，反应腔压力维持在100?500torr，持续生长厚度为50?200nm的p型AlGaN层。本发明还公开了一种包括上述电子阻挡层结构的LED外延结构。本发明采用独特的电阻阻挡层结构，不仅能保持传统电子阻挡层减少电子溢出量子阱的优势，还优化了Mg的浓度分布，提高了空穴浓度和注入效率，从而提升LED芯片的亮度，降低LED芯片电压，改善LED芯片的光电特性。
【专利说明】
电子阻挡层结构的生长方法及含此结构的LED外延结构
技术领域
[0001] 本发明设及LED技术领域，具体设及一种电子阻挡层结构的生长方法及含此结构 的LED外延结构。
【背景技术】
[0002] 传统的L邸外延结构的生长方法(其结构详见图1)包括如下步骤：
[0003] 第一步、在1000-1300°c，反应腔压力维持在50-500torr的氨气气氛下高溫处理蓝 宝石衬底1，处理时间为5-10分钟；
[0004] 第二步、降溫至550-650°C下，反应腔压力维持在100-50化orr，在蓝宝石衬底1上 生长厚度为10-40nm的低溫缓冲层2;
[0005] 第Ξ步、升高溫度到1000-1200°C下，反应腔压力维持在100-50化orr，持续生长厚 度为2-4皿的不渗杂GaN层3;
[0006] 第四步、溫度控制在1000-1200°C，反应腔压力维持在100-50化orr，持续生长厚度 为2-4皿的η型GaN层4，Si的渗杂浓度为祀18-2E19atoms/cm3;
[0007] 第五步、周期性生长10-15个单层的量子阱层5,每个周期的生长步骤为:反应腔压 力维持在200-400torr，溫度控制在700-750°C，生长厚度为2.5-3.5nm的InxGa(i-x)N阱层，其 中：X = 0.015-0.25，In的渗杂浓度为化20-5E20atoms/cm3;然后升高溫度至800-850°C，压 力不变，生长厚度为8-12nm的GaN垒层。
[000引第六步、再升高溫度到900-1000°C，反应腔压力维持在100-50化orr，持续生长厚 度为20-60nm的P型AlGaN层6,其中：A1的渗杂浓度为化20-3E20atoms/cm3，Mg的渗杂浓度为 5E18-lE19atoms/cm^ ；
[0009] 第屯步、再升高溫度到930-950°C，反应腔压力维持在100-5(K)torr，持续生长厚度 为100-300nm的渗儀的P型GaN层7，Mg的渗杂浓度为化19-lE20atoms/cm3;
[0010] 第八步、最后降溫至700-800°C，保溫20-30min，接着炉内冷却即可。
[0011] 此种方法通过生长能带更宽的P型AlGaN(即电子阻挡层)在量子阱层与P型GaN层 之间能克服化OOP效应(即大电流密度注入条件下，电子溢出量子阱导致发光效率下降的问 题），但此种方法也存在一定弊端，如材料结晶质量下降、晶格失配、Mg激活能高、Mg渗杂效 率低等，从而导致LED的光电性能受到影响。
[0012] 因此，行业内急需一种新的克服化OOP效应的生长方法W解决现有技术的不足。
【发明内容】
[0013] 本发明公开了一种电子阻挡层结构的生长方法，包括W下步骤：
[0014] 步骤A、在溫度为800-850°C、反应腔压力维持在100-5(K)torr的条件下持续生长总 厚度为10-20nm的高A1电子阻挡层，所述高A1电子阻挡层的材料为AlGaN单层或AlInGaN单 层或AlGaN与GaN、InGaN、AlInGaN的超晶格结构或AlInGaN与GaN、InGaN、AlGaN的超晶格结 构，其中，A1的渗杂浓度为化20-3E20atoms/cm3，In的渗杂浓度为祀17-lE20atoms/cm 3;
[0015] 步骤B、降溫度至750-800°C，反应腔压力控制在100-5(K)torr，生长厚度为40-60皿 的P型GaN层，其中Mg的渗杂浓度为祀19-化20atoms/cm3;
[0016] 步骤C、再升高溫度至930-950°C，反应腔压力维持在100-50化orr，持续生长厚度 为50-200nm的P型AlGaN层，所述P型AlGaN层的材料为AlGaN单层或AlGaN/GaN超晶格结构， 其中：A1的渗杂浓度化20-3E20atoms/cm3，Mg的渗杂浓度为祀17-lE20atoms/cm 3。
[0017] W上技术方案中优选的，所述步骤A之前还包括：
[0018] 步骤S1、在溫度为1000-1300°CW及反应腔压力维持在50-500torr的氨气气氛下， 高溫处理蓝宝石衬底5-10分钟；
[0019] 步骤S2、降溫至550-650°C，反应腔压力维持在100-5(K)torr，在蓝宝石衬底上生长 厚度为10-40nm的低溫缓冲层；
[0020] 步骤S3、升高溫度至1000-1200°c，反应腔压力维持在100-5(K)torr，持续生长厚度 为2-4皿的不渗杂GaN层；
[0021] 步骤S4、溫度控制在1000-1200°C，反应腔压力维持在100-5(K)torr，持续生长厚度 为2-4皿的η型GaN层，其中Si的渗杂浓度为祀18-2E19atoms/cm3;
[0022] 步骤S5、周期性生长10-15个单层的量子阱层，其中每个单层的生长步骤为:反应 腔压力维持在200-400torr，溫度控制在700-750°C，生长厚度为2.5-3.5nm的InxGa( l-x)N 阱层，其中：x = 0.015-0.25，In的渗杂浓度为lE20-5E20atoms/cm3;然后升高溫度至800- 850°C，压力不变，生长厚度为8-12nm的GaN垒层。
[0023] W上技术方案中优选的，所述步骤C之后还包括：
[0024] 步骤D1、再升高溫度到930-950°C，反应腔压力维持在100-5(K)torr，持续生长厚度 为100-300nm的渗儀的P型GaN层，其中Mg的渗杂浓度为化19-lE20atoms/cm3。
[00巧]步骤D2、最后降溫至700-80(TC，保溫20-30min，接着炉内冷却。
[0026] 本发明还公开了一种L邸外延结构，所述外延结构包括电子阻挡层结构，所述电子 阻挡层结构由下至上依次包括高A1电子阻挡层、P型GaN层和P型AlGaN层；
[0027] 所述高A1电子阻挡层的厚度为10-20nm，且其材料为AlGaN单层或AlInGaN单层或 AlGaN与GaN、InGaN、A1 InGaN的超晶格结构或A1 InGaN与GaN、InGaN、AlGaN的超晶格结构； [002引所述P型GaN层的厚度为40-60nm;
[0029] 所述P型AlGaN层的厚度为40-60nm，其材料为AlGaN单层或AlGaN/GaN超晶格结构。
[0030] W上技术方案中优选的，所述电子阻挡层结构之下由下至上依次包括蓝宝石衬 底、低溫缓冲层、不渗杂GaN层、η型GaN层和量子阱层；
[0031] 所述低溫缓冲层的厚度为10-40nm;
[0032] 所述不渗杂GaN层的厚度为2-4皿；
[0033] 所述N型GaN层的厚度为2-4皿；
[0034] 所述量子阱层包括10-15个单层，每个单层由下至上依次包括厚度为2.5-3.5nm的 InxGa(i-x)N阱层和厚度为8-12nm的GaN垒层。
[0035] W上技术方案中优选的，所述电子阻挡层结构之上还包括渗儀的P型GaN层，所述P 型GaN层的厚度为100-300nm。
[0036] 应用本发明的技术方案，具有W下效果：
[0037] 1、本发明采用独特的电阻阻挡层结构，不仅能保持传统电子阻挡层减少电子溢出 量子阱的优势，还优化了 P型Mg浓度分布，提高了空穴浓度和注入效率，从而提升L邸忍片的 亮度、降低Lm)忍片电压，改善Lm)忍片的光电特性，具体是:本发明的外延结构在量子阱后 直接生长不渗杂Mg的邸L高A1层(高A1电子阻挡层），A1的浓度是传统的邸L的2倍，更有效地 阻挡电子从量子阱向P层溢出；紧接着生长P型GaN层，Mg的浓度为传统拙L的5倍，在正向电 流驱动下更多的空穴会遂穿到量子阱区域和被邸L阻挡回来的电子发生复合，从而提高LED 忍片的亮度;P型GaN层后面再生长厚度100皿的P型AlGaN层(空穴扩散层），A1的渗杂浓度和 Mg的渗杂浓度选择合理，利用AlGaN的高能带和低渗Mg的高阻抗提高空穴的横向流动，从而 提高空穴注入量子阱的均匀性。
[0038] 2、本发明方法工艺流程精简，参数控制方便，适合工业化生产。
[0039] 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】
[0040] 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：
[0041 ]图1是现有技术L邸外延结构的示意图；
[0042] 图2是本发明优选实施例1的L邸外延结构的示意图；
[0043] 图3是现有技术中L邸外延层SIMS(二次离子质谱)图；
[0044] 图4是本发明优选实施例1的LED外延层SIMS(二次离子质谱)图；
[0045] 其中，1、蓝宝石衬底，2、低溫缓冲层，3、不渗杂GaN层，4、n型GaN层，5、量子阱层，6、 P型AlGaN层，6 '、电子阻挡层结构，6.1、高A1电子阻挡层，6.2、p型GaN层，6.3、p型AlGaN层， 7、渗儀的P型GaN层。
【具体实施方式】
[0046] W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W根据权利要求限 定和覆盖的多种不同方式实施。
[0047] 实施例1:
[004引采用型号为veeco K465i的M0CVD(金属有机化学气相沉积法)生长具有上述结构 的Lm)外延片。采用高纯此或高纯化或高纯此和高纯化的混合气体作为载气，高纯N出作为N 源，金属有机源Ξ甲基嫁(TMGa)、S乙基嫁作为嫁(TEGa)源，Ξ甲基铜(TMIn)作为铜源，N型 渗杂剂为硅烷(SiH4)，P型渗杂剂为二茂儀(CPsMg)，衬底为蓝宝石图形化基板，反应压力为 50-500torr0
[0049] -种L邸外延结构，详见图2，包括如下结构：由下至上依次包括蓝宝石衬底1、低溫 缓冲层2、不渗杂GaN层3、n型GaN层4、量子阱层5、电子阻挡层结构6'和渗儀的P型GaN层7,所 述电子阻挡层结构6 '由下至上依次包括高A1电子阻挡层6.1、p型GaN层6.2和P型AlGaN层 6.3;
[0化0] 所述高A1电子阻挡层6.1的的厚度为10-20皿，且其材料为AlGaN单层或A1 InGaN单 层或AlGaN与GaN、InGaN、AlInGaN的超晶格结构或AlInGaN与GaN、InGaN、AlGaN的超晶格结 构；
[0化1] 所述p型GaN层6.2的厚度为40-60醒；
[0052] 所述P型AlGaN层6.3的厚度为40-60nm，其材料为AlGaN单层或AlGaN/GaN超晶格结 构。
[0053] 上述L邸外延结构的生长方法具体包括W下步骤：
[0054] 1、在溫度为1000°C W及反应腔压力维持在50化orr的氨气气氛下，高溫处理蓝宝 石衬底1，处理时间为6分钟；
[0化日]2、降溫至550°C，反应腔压力维持在50化orr，在蓝宝石衬底1上生长厚度为20皿的 低溫缓冲层2;
[0化6] 3、升高溫度至1100°C，反应腔压力维持在20化orr，持续生长厚度为3WI1的不渗杂 Ga鳩 3;
[0化7] 4、溫度控制在1100°C，反应腔压力维持在20化orr，持续生长厚度为4WI1的η型GaN 层4,其中Si的渗杂浓度为化19atoms/cm3;
[005引5、周期性生长12个单层的量子阱层5(InxGa(i-x)N/GaN有源层MQW)，其中每个单层 的生长步骤为：反应腔压力维持在300torr，溫度控制在750°C，生长厚度为3.0nm的 InxGa(i-x)N阱层，其中：x = 0.015，In的渗杂浓度为3E20atoms/cm3;然后升高溫度至820°C， 压力不变，生长厚度为lOnm的GaN垒层；
[0059] 6、在溫度为820°C、反应腔压力维持在3(K)torr的条件下持续生长总厚度为20皿的 高A1电子阻挡层6.1，所述高A1电子阻挡层6.1的材料为AlyGa(i-y)N单层，其中，y = 0.15，A1 的渗杂浓度为沈20atoms/cm3;
[0060] 7、降溫度至780°C，反应腔压力控制在20化orr，生长厚度为60nm的P型GaN层6.2， 其中Mg的渗杂浓度为化20atoms/cm3;
[0061 ] 8、再升高溫度至950°C，反应腔压力维持在l(m〇rr，持续生长厚度为lOOnm的P型 AlGaN层6.3(空穴扩散层），所述P型AlGaN层6.3的材料为AlyGa(i-y)单层，其中：y = 0.12，A1 的渗杂浓度为化20atoms/cm3，Mg的渗杂浓度为沈19atoms/cm3:
[0062] 9、溫度保持在950°C，反应腔压力维持在2(K)torr，持续生长厚度为200皿的渗儀的 P型GaN层7，其中Mg的渗杂浓度为祀19atoms/cm3。
[0063] 10、最后降溫至750°C，保溫30min，接着炉内冷却，制得具有上述外延层结构的LED 外延片一。
[0064] 图3和图4是传统外延结构(详见【背景技术】)和本发明实施例1外延结构的SIMS(二 次离子谱)图，从两个图可W看出：
[0065] 1、传统的外延结构为了解决电子溢出量子阱，在量子阱和P型GaN之间引入P型 AlGaN层（电子阻挡层，E化），从SIMS图可W看出邸L层的Mg浓度仅为沈19atoms/cm3,远远小 于P型GaN层的lE20atoms/cm3,降低注入量子阱的空穴数目，导致量子阱区域的电子空穴对 失衡，因而邸L层对L邸忍片亮度提升效果被严重削弱。
[0066] 2、本发明的外延结构在量子阱后直接生长不渗杂Mg的拙L高A1层(高A1电子阻挡 层6.1)，A1的浓度高达沈20atoms/cm3，是传统的邸L的2倍，更有效地阻挡电子从量子阱向P 层溢出；紧接着生长P型GaN层6.2，Mg的浓度为化20atoms/cm3，是传统邸L的5倍，在正向电 流驱动下更多的空穴会遂穿到量子阱区域和被邸L阻挡回来的电子发生复合，从而提高LED 忍片的亮度;低溫P型GaN高Mg层(P型GaN层6.2)后面再生长厚度lOOnm的P型AlGaN层6.3(空 穴扩散层），A1的浓度为化20atoms/cm3，Mg的渗杂浓度为沈19atoms/cm3,利用AlGaN的高能 带和低渗^te的高阻抗提高空穴的横向流动，从而提高空穴注入量子阱的均匀性。
[0067] 实施例2:
[006引与实施例1的区别在于：
[0069] 第六步、再升高溫度到820°C，反应腔压力维持在30化orr，持续生长厚度为20皿的 高A1电子阻挡层化化高A1层），其材料为:4对AlyGa(i-y)N/GaN超晶格材料，其中：y = 0.15，Al 的渗杂浓度为沈20atoms/cm3。
[0070] 其他步骤不变，制得具有上述L抓外延层结构的L抓外延片二，其SIMS(二次离子 谱)图同实施例1。
[0071] 实施例3:
[0072] 与实施例1的区别在于：
[0073] 第六步、再升高溫度到820°C，反应腔压力维持在30化orr，持续生长厚度为20皿的 高A1电子阻挡层化化高A1层），其材料为:4对AlyGa(i-y)N/InxGa(i-x)N超晶格材料，其中：y = 0.15，x = 0.1，A1的渗杂浓度为沈20atoms/cm3，In的渗杂浓度为祀18atoms/cm3。
[0074] 其他步骤不变，制得具有上述L抓外延层结构的L抓外延片Ξ，其SIMS (二次离子 谱)图同实施例1。
[0075] 实施例4:
[0076] 与实施例1的区别在于：
[0077] 第八步、再升高溫度到950°C，反应腔压力维持在lOOtorr，持续生长lOOnm的P型 AlGaN(空穴扩散层），其材料为：10对AlyGa(i-y)N/GaN超晶格材料，其中：每对超晶格的厚度 为5/511111，7 = 0.12,41的渗杂浓度为化20日如1113/畑13，]\%的渗杂浓度为沈19日如1113/畑13。
[007引其他步骤不变，制得具有上述L抓外延层结构的L抓外延片四，其SIMS(二次离子 谱)图同实施例1。
[0079] 将现有的外延片（详见【背景技术】，标记为样品A)和实施例1、2、3、4制得外延片(分 别标记为样品B、C、D、E)在相同忍片工艺条件下制作成忍片，忍片的尺寸为254μπι*685.8皿 (1011111*2711111)，11'0层厚度约1100埃，〇/?*/^11电极厚度约1200埃，5102保护层的厚度约 400埃的忍片a和b、c、d、e(样品4、8、(：、0、6分别对应忍片曰、13、(3、(1、6)，使用同一台忍片点测 机测试上述忍片光电参数，详见表1:
[0080] 表1忍片a、b、c、d和e的光电参数统计表
[0081]
[0082] 由表1可知：
[0083] 1、在150mA电流驱动下，传统外延结构（忍片a)和本发明外延结构制作的L抓忍片 (忍片b、C、d和e)的主波长(Wd)均分布在450-450nm之间。表明本发明对P层的改动不会对量 子阱结构造成破坏，适合大批量生长。
[0084] 2、在150mA的电流驱动下，传统外延结构制作的LED忍片（忍片a)的亮度为 112.6mW，而本发明的LED忍片（忍片b、c、d和e)的亮度分布在125-127mW之间，提升12%左 右。亮度的提升得益于本发明的邸L高A1层(高A1电子阻挡层6.1)具有更高的能带能更有效 的阻挡电子从量子阱溢出，与低溫高Mg层(P型GaN层6.2)的空穴注入量子阱后形成更多的 有效复合电子空穴对。
[0085] 3、在人体模式2000V条件测试传统外延结构制作的Lm)忍片(忍片a)的抗静电能力 化SD)为90.1 %，本发明的LED忍片(忍片b、C、d和e)的ESD分布在96-99 %，提升6-8% dESD的 提升得益于本发明使用了空穴扩散层(P型AlGaN层6.3)，该结构能有效的利用416曰加勺高能 带和高阻抗来对注入量子阱的空穴进行横向扩散，避免出现局部电流拥堵而形成漏电通 道。
[0086] W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W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。
【主权项】
1. 一种电子阻挡层结构的生长方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤A、在温度为800-850°C、反应腔压力维持在100-500torr的条件下持续生长总厚度 为10-20nm的高A1电子阻挡层（6.1)，所述高A1电子阻挡层（6.1)的材料为AlGaN单层或 AlInGaN 单层或 AlGaN 与 GaN、InGaN、AlInGaN 的超晶格结构或 AlInGaN 与 GaN、InGaN、AlGaN 的 超晶格结构，其中：A1的掺杂浓度为lE20-3E20at〇mS/cm 3，In的掺杂浓度为5E17-lE20atoms/cm3; 步骤B、降温度至750-800°C，反应腔压力控制在100-500torr，生长厚度为40-60nm的p 型GaN层(6.2)，其中：Mg的掺杂浓度为5E19-lE20atoms/cm3; 步骤C、再升高温度至930-950°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长厚度为50-200nm的p型AlGaN层(6.3)，所述p型AlGaN层(6.3)的材料为AlGaN单层或AlGaN/GaN超晶格 结构，其中：A1的掺杂浓度为lE20-3E20atoms/cm3，Mg的掺杂浓度为5E17-lE20atoms/cm 3。2. 根据权利要求1所述的电子阻挡层结构的生长方法，其特征在于，所述步骤A之前还 包括： 步骤S1、在温度为1000-1300°C以及反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下，高温 处理蓝宝石衬底（1 )5-10分钟； 步骤S2、降温至550-650°C，反应腔压力维持在100-500torr，在蓝宝石衬底（1)上生长 厚度为10_40nm的低温缓冲层(2); 步骤S3、升高温度至1000-1200°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长厚度为2-4μηι的不掺杂GaN层(3); 步骤S4、温度控制在1000-1200°C，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长厚度为2-4μπι的η型GaN层(4)，其中：Si的掺杂浓度为5E18-2E19atoms/cm 3; 步骤S5、周期性生长10-15个单层的量子阱层(5)，每个单层的生长步骤为:反应腔压力 维持在200-400torr，温度控制在700-750°C，生长厚度为2.5-3.5nm的InxGa(1- X)N阱层，其 中：X = 0 · 015-0 · 25，In的掺杂浓度为lE20-5E20atoms/cm3;然后升高温度至800-850°C，压 力不变，生长厚度为8-12nm的GaN皇层。3. 根据权利要求1所述的电子阻挡层结构的生长方法，其特征在于，所述步骤C之后还 包括： 步骤D1、温度保持在930-950°C，反应腔压力维持在100_500torr，持续生长厚度为100-300nm的掺镁的p型GaN层（7)，其中Mg的掺杂浓度为lE19-lE20atoms/cm 3; 步骤D2、最后降温至700-800°C，保温20-30min，接着炉内冷却。4. 一种LED外延结构，其特征在于，所述外延结构包括电子阻挡层结构(6'），所述电子 阻挡层结构（6'）由下至上依次包括高A1电子阻挡层(6.1)、p型GaN层(6.2)和p型AlGaN层 (6.3)； 所述高A1电子阻挡层(6.1)的厚度为10-20nm，且其材料为AlGaN单层或AlInGaN单层或 AlGaN与GaN、InGaN、A1 InGaN的超晶格结构或A1 InGaN与GaN、InGaN、AlGaN的超晶格结构； 所述P型GaN层(6.2)的厚度为40-60nm; 所述P型AlGaN层(6.3)的厚度为40-60nm，其材料为AlGaN单层或AlGaN/GaN超晶格结 构。5. 根据权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层结构（6'）之下由 下至上依次包括蓝宝石衬底（1)、低温缓冲层(2)、不掺杂GaN层(3)、n型GaN层(4)和量子阱 层(5); 所述低温缓冲层(2)的厚度为10-40nm; 所述不掺杂GaN层(3)的厚度为2-4μπι; 所述η型GaN层(4)的厚度为2-4μηι; 所述量子阱层(5)包括10-15个单层，每个单层由下至上依次包括厚度为2.5-3.5nm的 InxGa(i-X)N讲层和厚度为8_12nm的GaN皇层。6.根据权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层结构（6'）之上还 包括掺镁的P型GaN层(7)，所述p型GaN层(7)的厚度为100-300nm〇
【文档编号】H01L33/00GK105870266SQ201610271839
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】农明涛
【申请人】湘能华磊光电股份有限公司