一种提高发光效率的GaN基LED外延结构及生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高发光效率的GaN基LED外延结构及生长方法，属于光电子芯片结构技术领域。
【背景技术】
[0002]半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在高亮度蓝色发光二极管中有着广泛的应用和巨大的市场前景。照明领域对LED提出越来越高的要求，如何提高GaN基LED的发光效率、亮度和降低生产成本是LED行业关注的焦点。提供可靠的结构来提高光功率，从而大幅度提高LED产品的档次是当前研发的主要目标。
[0003]提高光电转换效率主要依靠提高内量子效率和外量子效率，目前内量子效率的提高已经接近理论的极限状态，而提升LED组建的光取出效率成为重要的课题。要求设计新的芯片结构来改善出光效率，进而提升发光效率(或外量子效率)，目前国内外采用的主要工艺途径有:倒装技术、生长DBR反射层结构以及表面粗化技术、侧壁腐蚀技术和衬底图形化技术。P型区是制造GaN LED器件必不可少的重要环节，PGaN结构及其外延生长方法是提高GaN基LED光取出效率的关键。
[0004]由于Mg的钝化效应(passivat1n),用MOCVD技术生长P型GaN时,受主Mg原子在生长过程中被H (氢原子)严重钝化，从而导致未经处理的GaN = Mg电阻率高达1Q -m,必须在生长后对Mg进行激活(Activat1n),才能得到应用于器件的P型GaN。提高Mg原子在氮化镓中的激活效率的一般方法是:高温生长ρ-GaN，然后在氮气气氛下退火。为了获得性能良好的P型GaN材料，1989年，H.Amano利用低能电子束辐射(IEEBI)处理掺Mg的GaN，得到了低阻的P型GaN,取得了 P型领域的重大突破；1991年,S.Nakamura等发明了快速热退火法(Rapid Thermal Annealing),成功获得了 P型的GaN。但是得到的P型的GaN空穴浓度仍然较低，典型值为2X1017cm_3，比掺杂浓度低2-3个数量级。因此，如何提高P层的空穴浓度成为P型GaN生长的关键。
[0005]为了改善P型结构提高空穴浓度，中国专利文献CN103050592A公开一种具有P型超晶格的LED外延结构及其制备方法，所提供的P型结构是在P型AlGaN电子阻挡层与第二 P型GaN层之间设置由P型InGaN势阱层及P型AlGaN势垒层周期性交叠构成的P型超晶格。此方法目前在生长上存在很大困难，InGaN和AlGaN之间的晶格失配使其较难达到P型GaN所需要的厚度和周期个数，使用此方法生长很容易导致外延层晶体质量恶化。
[0006]CN103346224A公开的“一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法”，所涉及GaN基LED的PGaN结构为:P型AluInnGaitnN层、第二非故意掺杂U-GaN层、P型GaN层、接触层，其中，所述第二非故意掺杂U-GaN层为在生长温度大于或等于1100摄氏度并且小于或等于1250摄氏度范围内生长出来的非故意掺杂U-GaN层。本发明的GaN基LED的PGaN结构，可以有效阻挡电子并提升空穴浓度，发光效率高，但是，晶体质量很难保证。
[0007]中国专利文献CN101521258A利用表面粗化技术改变GaN与空气接触面的几何图形，从另一方面提升了电子器件发光效率。CN101521258A公开的《一种提高发光二极管外量子效率的方法》，提供了一种粗化方法，是通过提高表面P型GaN的Mg掺杂浓度，从而达到表面粗化的目的。使用重掺Mg的方法进行粗化会使反应室存在Mg原子的记忆效应，减短MOCVD设备的维护周期，不利于生产的稳定性。专利文献CN1338783A公开的“半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法”，该方法在半导体面发光器件的η区或P区设计超晶格结构来制造多层二维电子气或者二维空穴气，从而提高LED结构的发光效率，可有效提高LED中的载流子浓度。但其存在的不足是采用的AlGaN/GaN超晶格具有晶格失配，导致其Al组分不能很好的得到，减弱了对载流子的限制作用，同时也恶化了晶体质量。
【发明内容】
[0008]针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种能束缚空穴、阻挡电子，从而提升亮度并且晶格失配小的P型超晶格结构，以解决现有技术中P型AlGaN层对电子阻挡不够、空穴横向扩展不均匀造成的发光效率低以及P型区超晶格晶格失配大造成外延片断裂的不足。
[0009]本发明的技术任务是提供一种提高发光效率的GaN基LED的外延结构及其生长方法，主要是提出了一种“Π)/ΡΑ1χΙηγ6&1_χ_γΝ/Η0”Ρ型超晶格结构及其制备方法，其中，LD为低惨杂 PAluIr^GamN 层，HD 为闻惨杂 PAlzInwGamN 层。
[0010]术语说明:
[0011]1、LED:发光二极管的简称。
[0012]2、LD:Low-Doped (低掺)p_GaN 的简称,本发明中含义为 ΡΑΙυΙηρΒ^Ν ；
[0013]3、HD:High-Doped(高掺)p_GaN 的简称,本发明中含义为 PAlzInwGamNc
[0014]在LED结构中所谓的掺杂就是指掺Si或掺Mg，本发明中低掺、高掺是指掺Mg的浓度的相对高低。典型地如低掺P-GaN层中Mg浓度约为1018/Cm_3、高掺ρ-GaN层中Mg浓度约为 11Vcm'
[0015]本发明的技术方案如下:
[0016]一种具有P型超晶格结构的LED外延结构，包括衬底、衬底上由下至上依次有成核层、缓冲层、η型GaN层、多量子阱发光层、P型结构，所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一，所述缓冲层是非掺杂的氮化镓层；所述P型结构组成依次为:插入层和P型GaN层，或者P型GaN层、插入层和P型GaN层；
[0017]所述插入层为UVPAlxInYGa1IYNMD的P型超晶格结构，LD为低掺杂PAluInNGa卜MN 层，HD 为高掺杂 PAlzInwGa1IffN 层；0 < U < 0.3,0 < N < 0.5 ；0 < Z < 0.4,O < W < 0.5 ；0.05 ^ X ^ 0.5,0.1 ^ Y < 0.6, X+Y ^ 0.8 !LDZPAlxInyGaN^xVHD 的 P 型超晶格周期为3-20。
[0018]根据本发明，优选的，LD层厚度为5-20nm，其中Mg浓度为0.5X 1018/CnT3-4X 118/cm3;HD 层厚度为 10-35nm,其中 Mg 浓度为 1.5 X 1019/cm 3_5 X 1019/cm 3 ;AlxInYGa卜X_YN 层厚度为 10_60nm。
[0019]根据本发明，优选的，0.05 < U < 0.3,0.05 ^ N < 0.5 ；0.02 ^ Z < 0.4,0.02 ^ W
<0.5 ；0.1 ^ X ^ 0.5,0.15 ^ Y < 0.6，X+Y ( 0.8。
[0020]根据本发明，进一步优选的，所述插入层P型超晶格结构中的PAlxIr^GaNm为:PAlaiIna3Gall6N, PAl0.15In0.3Ga0.45N，PAl0.3In。.3Ga。.4N。
[0021]根据本发明，进一步优选的，UVPAlxInYGaNgVHD的P型超晶格的循环周期为5-10。
[0022]在LED结构中P型区的掺杂浓度主要取决于Mg的浓度，Mg浓度高，则空穴浓度高；Mg浓度过高，则造成Mg与H更多地发生钝化。本发明的LED外延结构采用低掺与高掺的组合，不仅可以提供较多的空穴，也可以起到电子阻挡层的作用。
[0023]根据本发明，一种具有P型超晶格结构LED外延结构的制备方法，包括以下步骤:
[0024](I)将蓝宝石或碳化硅衬底放入金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1300°C，处理5-15分钟。
[0025](2)在处理过的蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层。
[0026](3)在上述成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层、η型GaN层以及多量子阱发光层。
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