专利名称：外延结构及其生长方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓系材料制备领域，尤其涉及一种外延结构及其生长方法。
背景技术：
GaN (氮化镓)基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，形成自发极化；另外由于InGaN (氮化铟镓)和GaN材料之间的晶格适配，又会引起压电极化，进而形成压电极化场。极化场的存在，一方面使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移；另一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合几率。影响量子阱发光效率的另外一个原因N区注入的电子有很大的载流子迁移率和浓度，在大电流的驱动下会越过量子阱区和P区的空穴复合，引起非辐射复合，使得发光效率的降低，而空穴的有效质量较大，其迁移率和载流子浓度都较低，远离P区的空穴分布很少，整个阱区空穴分布很不均匀，造成辐射复合几率下降。对于电子浓度的优化，主要使用了电子扩展层，电子阻挡层以及电荷非对称共振隧穿结构等方法，在空穴的分布上使用了厚度较小的最后一层垒等方法。上述方法一定程度上提高了量子阱的辐射复合效率，但效果有限。·
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种外延结构及其生长方法，例如在多量子阱发光层与低温P型GaN之间插入非掺杂AlGaN层的外延结构及其生长方法，又例如在多量子阱发光层与低温P型GaN (采用Mg高掺杂)之间插入非掺杂AlGaN层的外延结构及其生长方法，以获得更高发光强度的GaN基LED发光二极管。根据本发明一个方面，提供一种外延结构，包括
衬底，其为适合GaN及其半导体外延材料生长的材料；
低温GaN缓冲层；
高温GaN缓冲层；
N型GaN层;
浅量子阱；
发光层多量子阱；
非掺杂AlGaN层；
低温P型GaN层；
高温P型AlGaN层；
高温P型GaN层；和P型GaN接触层。可选的，发光层多量子阱由3-15个周期的InyGahNOKyO/GaN多量子阱。可选的，浅量子阱由5-15个周期的Ιηχ6&1_χΝ(0.04〈Χ〈0.4)Α^ιΝ多量子阱组成。可选的，
对于浅量子阱层，其中阱的厚度在3nm-5nm之间；
对于发光层多量子阱，其中阱的厚度在2nm-5nm之间。可选的，
低温GaN缓冲层的厚度为15-35nm ；
高温GaN缓冲层的厚度为O. 8um-4um ；
N型GaN层的厚度为I. 0-5. Oum ；
非掺杂AlGaN层的厚度为5 nm -50nm ；
低温P型GaN层的厚度为IOnm-IOOnm ；
高温P型AlGaN层的厚度为IOnm-IOOnm ；
高温P型GaN层的厚度为O. I um -O. 9 um ;和 P型GaN接触层的厚度为5nm-30nm。根据本发明另一个方面，提供一种外延结构的生长方法，包括
提供衬底；
在衬底之上，生长低温GaN缓冲层；
对所述低温GaN缓冲层原位进行热退火处理，退火之后生长高温不掺杂GaN层； 在高温不掺杂GaN层之上，生长N型氮化镓层；
在N型氮化镓层之上，生长低温浅量子阱；
在低温浅量子阱之上，生长发光层多量子阱结构；
在发光层多量子讲结构之上，生长非掺杂AlGaN层；
在非掺杂AlGaN层之上，生长低温P型GaN层；
在低温P型GaN层之上，生长高温P型AlGaN层；
在高温P型AlGaN层之上，生长高温P型GaN层；和 在高温P型GaN层之上，生长P型接触层。可选的，
对于低温GaN成核缓冲层，所述低温范围为450°C _650°C之间；
对于高温不掺杂GaN层，所述高温范围为1000-1200°C之间；
对于低温浅量子阱，所述低温范围为720V _920°C之间；
对于低温P型GaN层，所述低温范围为500°C _800°C之间；
对于高温P型AlGaN层，所述高温范围为900°C -1100°C之间；
对于高温P型GaN层，所述高温范围为850-1090°C之间。可选的，
浅量子阱由5-15个周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成；
发光层多量子阱由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱。可选的，
垒层分三部分进行生长，且第一和第二部分的量子垒都采用MO源和生长温度渐进式增加的方式生长
第一部分生长厚度在10nm-15nm之间，第二部分生长厚度7nm_ll· 5nm之间，第三部分生长厚度8nm_12nm之间；
第一部分和第二部分的量子垒生长时通入MO源气体种类相同厚度的减薄方式是通过减少MO源和气体的通入量来实现，MO源的通入时间保持不变；
第三部分的量子垒与第一部分、第二部分通入的气体不同，厚度的减薄方式是通过减少MO源的通入时间来实现。可选的，低温P型GaN采用Mg高掺杂和In的低掺杂形式。可选的，生长低温P型GaN的生长时间在5分钟-20分钟之间。 与现有技术相比，本发明的优点在于
本发明提供的外延结构及其生长方法能够优化调整PN结的位置，阻挡电子进入P区，对电流起到很好的扩展作用，同时更重要的是本生长方法能够克服已有技术量子阱发光二极管中电子和空穴复合几率和发光强度低的缺陷，使电子和空穴在空间上能更好的复合，进而提高电子空穴辐射复合几率。
图I是本发明一个实施例中提供的外延结构示意图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。发明人经过研究发现，可以采用如下的外延生长方法或外延结构(I)在多量子阱发光层与低温P型GaN (采用Mg高掺杂)之间插入非掺杂AlGaN (氮化铝镓)层的外延工艺，在多量子阱发光层的最后一个垒生长结束后在同样温度下继续生长一层长晶条件(除了温度以外的长晶条件)和高温P层AlGaN条件相同的非掺杂AlGaN层；同时采用(2)低温P型GaN采用Mg高掺杂和In的低掺杂形式；以及采用(3)将生长低温P型GaN生长时间增加一倍。这样的外延生长方法(I)能够优化调整PN结的位置，阻挡电子进入P区，对电流起到很好的扩展作用，同时更重要的是本生长方法能够克服已有技术量子阱发光二极管中电子和空穴复合几率和发光强度低的缺陷，使电子和空穴在空间上能更好的复合，进而提高电子空穴辐射复合几率。采用技术(2)和(3)可以达到更好的效果。本发明的实施例利用Vecco K465系列MOCVD系统实施。根据本发明一个实施例，提供一种外延结构。如图I所不，该LED外延结构包括 衬底I，其为适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN单晶、单晶硅、碳
化娃单晶等；
低温GaN缓冲层2 ；高温GaN缓冲层3 ；
N型GaN层4 ;
浅量子讲5 ；
发光层多量子阱6，由InxGagN(O. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成；
非掺杂AlGaN层7 ；
低温P型GaN层8 ;
高温P型AlGaN层9 ；
高温P型GaN层10 ;和 P型GaN接触层11。·如图I所示，该外延结构的生长过程包括
衬底I:首先将衬底材料在氢气气氛里进行退火1-10分钟，清洁衬底表面，温度控制在1050-1080°C之间，然后进行氮化处理。氮化镓低温缓冲层2 :将温度下降到450°C _650°C之间，生长15_35nm厚的低温GaN成核缓冲层，此生长过程时，生长压力控制在4000-760 Torr之间，V/III摩尔比在500-3200 之间。未掺杂的高温氮化镓层3 :低温缓冲层2生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa(三甲基镓)，将衬底温度升高至950-1200°C之间，退火时间在5分钟至IOmin之间。退火之后，将温度调节至1000-1200°C之间，生长厚度为O. 8um-4um间的高温不掺杂GaN，此生长过程时，生长压力在100 Torr-600 Torr之间，V/III摩尔比在300-3300之间。Si掺杂的N型氮化镓层4 :未掺杂的高温氮化镓层3生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的N型层4，厚度在I. 0-5. Oum,生长温度在1000°C _1200°C之间，生长压力在50-550Torr之间，V / III摩尔比在300-3300之间。低温浅量子阱SW 5 :由5-15个周期的InxGagN(O. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成。其中阱的厚度在3nm-5nm之间，生长温度在720°C _920°C之间，压力在100Torr-600 Torr之间，V / III摩尔比在300-5000之间。发光层多量子阱结构MQW 6 :低温浅量子阱生长结束后，开始生长低温多量子阱发光层结构，低温发光多量子阱发光层由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱组成。其中阱的生长方式是类梯形形式，In的组份保持不变，在10%-50%之间，阱的厚度在2nm-5nm之间，生长温度在720°C _820°C之间，生长压力在200 Torr-500 Torr之间，V /III摩尔比在400-5300之间。垒层分三部分进行生长，且6-a和6_b的量子垒都采用MO源和生长温度渐进式增加的方式生长6_a生长厚度在10]11]1-15111]1之间,64生长厚度7nm_ll· 5nm之间，6-c生长厚度8nm-12nm之间；其中6_a和6_b的量子垒生长时通入MO源气体种类相同厚度的减薄方式是通过减少MO源和气体的通入量来实现，MO源的通入时间保持不变；6-c的量子鱼与6-a、6-b通入的气体不同，厚度的减薄方式是通过减少MO源的通入时间来实现；所有量子垒的生长温度在820-920°C之间，压力在200Torr-500 Torr之间，V / III摩尔比在400-5300之间。非掺杂AlGaN层7 :多量子讲发光层生长结束后，生长一层厚度5 nm -50nm之间的非掺杂AlGaN电子阻挡层，其生长温度在820°C-920°C之间，生长压力在50 Torr-400 Torr之间，生长时间在3-8min之间；该层的V / III摩尔比在1000-20000之间，Al的组分控制在15%-40%之间，该层禁带宽度大于最后一个垒层的禁带宽度，AlGaN电子阻挡层的禁带宽度可控制在4ev与5ev之间。低温P型层8 :非掺杂AlGaN层生长结束后，生长厚度IOnm-IOOnm之间的P型GaN层，生长温度在500°C _800°C之间，生长时间在5分钟-20分钟之间，压力在100 Torr-500Torr之间，V / III摩尔比在300-5300之间。在生长P型层的过程中，N2作为载气，掺杂介质二茂镁和三甲基In，且二茂镁的掺杂比例提高40%，In的摩尔组分含量为5%_30%。高温P型AlGaN电子阻挡层层9:低温P型层生长结束后，将温度升至9000C -1100°C之间，生长压力在50 Torr-400 Torr之间，生长时间在5分钟-15分钟之间，生长厚度IOnm-IOOnm之间的P型AlGaN电子阻挡层，V /III摩尔比在1000-20000之间，Al的组分控制在15%-40%之间，该层禁带宽度大于最后一个垒的禁带宽度，可控制在4ev与5. 5ev之间。
高温P型层10 :P型AlGaN电子阻挡层生长结束后，生长一层厚度O. I um -O. 9 um之间的P型氮化镓层，其生长温度在850-1090 V之间，生长压力在100Torr-450 Torr之间，生长时间在5-20min之间，V / III摩尔比在300-5000之间。P型接触层11 :P型氮化镓层生长结束后，生长一层厚度5nm_30nm之间的P型接触层，其生长温度在850°C-1050°C之间，压力在100Torr-500 Torr之间，生长时间在I-IOmin之间，V / III摩尔比在1000-20000之间。外延生长结束后，将反应室的温度降至650°C -800°C之间，采用纯氮气氛围中退火处理5 min -15min,然后降至室温,结束外延生长。然后对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别作为η、P型掺杂剂。本实施例能够优化调整PN结的位置，阻挡电子进入P区，对电流起到很好的扩展作用，同时更重要的是本生长方法能够克服已有技术量子阱发光二极管中电子和空穴复合几率和发光强度低的缺陷，使电子和空穴在空间上能更好的复合，进而提高电子空穴辐射复合几率。对生长设备和工艺条件无特殊要求，不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。本发明另一个实施例提供一种在多量子阱发光层与低温P型GaN (采用Mg高掺杂)之间插入非掺杂AlGaN层的外延工艺。此外延结构的生长方法与现有GaN基LED发光二极管的外延生长方法的主要差异在于，多量子讲发光层的最后一个鱼生长结束后在同样温度下继续生长一层长晶条件和高温P层AlGaN条件相同的非掺杂AlGaN层，并且低温P型GaN采用Mg高掺杂和In的低掺杂形式，同时生长低温P型GaN生长时间增加一倍。这样的外延生长方法能够优化调整PN结的位置，使多量子阱发光层更好的俘获载子并使其复合提高发光效率，增加内量子阱效应，进而获得更高发光强度的GaN基LED发光二极管。应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
权利要求
1.一种外延结构，包括衬底，其为适合GaN及其半导体外延材料生长的材料；低温GaN缓冲层；高温GaN缓冲层；N型GaN层;浅量子阱；发光层多量子阱；非掺杂AlGaN层；低温P型GaN层；高温P型AlGaN层；高温P型GaN层；和P型GaN接触层。
2.根据权利要求I所述的外延结构，其中，发光层多量子阱由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱；浅量子阱由5-15个周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成。
3.根据权利要求I所述的外延结构，其中，对于浅量子阱层，其中阱的厚度在3nm-5nm之间；对于发光层多量子阱，其中阱的厚度在2nm-5nm之间。
4.根据权利要求I所述的外延结构，其中，低温GaN缓冲层的厚度为15-35nm ；高温GaN缓冲层的厚度为O. 8um-4um ；N型GaN层的厚度为I. 0-5. Oum ；非掺杂AlGaN层的厚度为5 nm -50nm ；低温P型GaN层的厚度为IOnm-IOOnm ；高温P型AlGaN层的厚度为IOnm-IOOnm ；高温P型GaN层的厚度为O. I um -O. 9 um ;和P型GaN接触层的厚度为5nm-30nm。
5.一种外延结构的生长方法，包括提供衬底；在衬底之上，生长低温GaN缓冲层；对所述低温GaN缓冲层原位进行热退火处理，退火之后生长高温不掺杂GaN层；在高温不掺杂GaN层之上，生长N型氮化镓层；在N型氮化镓层之上，生长低温浅量子阱；在低温浅量子阱之上，生长发光层多量子阱结构；在发光层多量子讲结构之上，生长非掺杂AlGaN层；在非掺杂AlGaN层之上，生长低温P型GaN层；在低温P型GaN层之上，生长高温P型AlGaN层；在高温P型AlGaN层之上，生长高温P型GaN层；和在高温P型GaN层之上，生长P型接触层。
6.根据权利要求5所述的外延结构的生长方法，其中， 对于低温GaN成核缓冲层，所述低温范围为450°C _650°C之间； 对于高温不掺杂GaN层，所述高温范围为1000-1200°C之间； 对于低温浅量子阱，所述低温范围为720V _920°C之间； 对于低温P型GaN层，所述低温范围为500°C _800°C之间； 对于高温P型AlGaN层，所述高温范围为900°C -1100°C之间； 对于高温P型GaN层，所述高温范围为850-1090°C之间。
7.根据权利要求5所述的外延结构的生长方法，其中， 浅量子阱由5-15个周期的InxGai_xN(0. 04<x<0. 4)/GaN多量子阱组成； 发光层多量子阱由3-15个周期的InyGahNOKyUVGaN多量子阱。
8.根据权利要求5所述的外延结构的生长方法，其中， 垒层分三部分进行生长，且第一和第二部分的量子垒都采用MO源和生长温度渐进式增加的方式生长 第一部分生长厚度在10nm-15nm之间，第二部分生长厚度7nm_ll· 5nm之间，第三部分生长厚度8nm_12nm之间； 第一部分和第二部分的量子垒生长时通入MO源气体种类相同厚度的减薄方式是通过减少MO源和气体的通入量来实现，MO源的通入时间保持不变； 第三部分的量子垒与第一部分、第二部分通入的气体不同，厚度的减薄方式是通过减少MO源的通入时间来实现。
9.根据权利要求5所述的外延结构的生长方法，其中，低温P型GaN采用Mg高掺杂和In的低掺杂形式。
10.根据权利要求5所述的外延结构的生长方法，其中，生长低温P型GaN的生长时间在5分钟-20分钟之间。
全文摘要
本发明提供一种外延结构，包括衬底；低温GaN缓冲层；高温GaN缓冲层；N型GaN层；浅量子阱；发光层多量子阱；非掺杂AlGaN层；低温P型GaN层；高温P型AlGaN层；高温P型GaN层；和P型GaN接触层。还提供一种外延结构的生长方法，包括提供衬底；生长低温GaN缓冲层；对所述低温GaN缓冲层原位进行热退火处理，退火之后生长高温不掺杂GaN层；生长N型氮化镓层；生长低温浅量子阱；生长发光层多量子阱结构；生长非掺杂AlGaN层；生长低温P型GaN层；生长高温P型AlGaN层；在高温P型AlGaN层之上，生长高温P型GaN层；和在高温P型GaN层之上，生长P型接触层。获得更高发光强度的GaN基LED发光二极管。
文档编号H01L33/06GK102931303SQ20121040330
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者李永, 王耀国 申请人:合肥彩虹蓝光科技有限公司