一种增加GaN基反向电压的外延结构及其生长方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体LED制造技术领域，特别地，涉及一种增加GaN基反向电压的外 延结构及其生长方法。
【背景技术】
[0002]GaN基InGaN/GaN多量子阱发光二极管（尤其是大功率发光二极管）已广泛应用 于大屏幕彩色显示、交通信号、通用照明、景观照明等。大功率LED作为结型的二极管，其反 向电压偏低是普遍存在的现象。而提升反向电压，一般地主要有以下两种途径：（1)降低n 型掺杂的浓度，提升阻值；(2)降低量子阱的Si掺杂浓度。而以上两种途径均会导致LED 的驱动电压增加。特别是第二种途径，会大大影响载流子的浓度，从而影响量子阱的发光效 率。
[0003] 公布号为CN103824912A的专利文献中，公布了一种改善GaN基LED反向漏电的外 延生长方法，其结构包括：在高温u-GaN层4/5厚度处插入一层50-200nm非掺u-AlGaN外 延层，在高温n-GaN层1/3厚度处插入一层4-8个周期的n-AlGaN/GaN超晶格层，在低掺 杂n-GaN层后生长一层2-6nm低掺n-AlGaN层；抑制V型缺陷漏电的外延结构：在MQW最 后一个皇后生长一层10-50nm非掺AlGaN层，在低温p-GaN和高温p-GaN层中间插入一层 50-200nm低掺p-AlGaN层。此方法的显著缺点是：u-AlGaN外延层生长厚度较厚且是在u 型GaN之间，改善位错密度与晶格失配的效果不佳，容易在底部形成吸光层，温度较高压力 较大对A1组分的掺杂效率及晶体的结晶有极大的影响，后续需要生长结晶质量较好的低 掺或不掺的u-GaN层进行弥补覆盖。
【发明内容】
[0004] 本发明第一目的在于提供一种增加GaN基反向电压的外延结构，技术方案如下：
[0005] -种增加GaN基反向电压的外延结构，由下至上依次包括蓝宝石衬底、低温缓冲 层、第一非掺杂u型GaN层、第二非掺杂u型GaN层、u型AlGaN/GaN超晶格过渡层、第一高 掺杂Si的n型GaN层、n型AlGaN电子阻挡层、第二高掺杂Si的n型GaN层、低温n型GaN 层、浅量子阱层、量子阱层、有源层、GaN皇层、第一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、第二P型 AlGaN/InGaN电子阻挡层、p型GaN层以及p型接触层；
[0006] 所述u型AlGaN/GaN超晶格过渡层的厚度为30-100nm，其包含生长周期为4-20个 的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与GaN的厚度比为1:1-1:3 ;
[0007] 所述第一高掺杂Si的n型GaN层的厚度为2.5-3. 5um，其中Si的掺杂浓度为 1. 5-2. 5E+19。
[0008] 以上技术方案中优选的，所述第二高掺杂Si的n型GaN层的厚度为150-300nm，其 中Si的掺杂浓度为1. 0-2. 0E+19 ;所述浅量子阱层的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓 度为2-4E+18 ;所述量子阱层的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有 源层的厚度为100_150nm，其包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与 皇层的厚度比例为1:2-1:5。
[0009] 以上技术方案中优选的，所述低温缓冲层的厚度为20-35nm ;所述第二非掺杂u型 GaN层的厚度为2-3um ;所述n型AlGaN电子阻挡层的厚度为100-200nm ;所述低温n型GaN 层的厚度为80_180nm ;所述低温GaN皇层的厚度为30_80nm ;所述第一 P型AlGaN/InGaN电 子阻挡层的厚度为30-50nm ;所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的厚度为50-100nm ;所 述p型GaN层的厚度为80-150nm ;所述p型接触层的厚度为5-10nm〇 [0010] 应用本发明的外延结构，具有以下技术效果：（1)整体结构精简；（2)在长完第二 非掺杂u型GaN层时，极大地改变V / III比例插入周期性的高A1组分超晶格结构（u型 AlGaN/GaN超晶格过渡层），提升晶体质量，降低位错与缺陷（在进行异质外延生长时，防 止或减少失配位错的方法是：a、厚度不超过临界厚度，那么外延层时完整，不会产生失配位 错；b、通过组分突变来减少失配位错。组分突变法可以降低外延层的位错密度，具体是：在 外延生长时，不是一次生长出厚的外延层（如u型和n型GaN)，而是在两者之间生长几个不 同厚度的薄外延层，利用两层间的交界面，使部分位错拐弯，降低外延层的位错密度），阻止 缺陷与位错的形成，有效地抑制缺陷或位错的增加与扩大，减少漏电通道；（3) u型AlGaN/ GaN超晶格过渡层的厚度的选择能达到最佳程度地降低位错。（4)通过删除原第三掺杂Si 层次，增加第一高掺杂Si的n型GaN层的厚度作补偿，达到因插入周期性AlGaN/lGaN过渡 层带来的LED芯片驱动电压升高的问题，在增加反向电压的同时降低驱动电压（与现有技 术相比较，反向电压提升5-15伏）；(5)其他各层厚度的选择，既能保证LED芯片的性能又 使得生产方便。
[0011] 本发明的第二目的在于提供一种增加GaN基反向电压的外延结构的生长方法，包 括以下步骤：
[0012] 步骤一：将蓝宝石衬底进行预处理；
[0013] 步骤二：在蓝宝石衬底上依次向上生长低温缓冲层、第一非掺杂u型GaN层以及第 二非掺杂u型GaN层；
[0014] 步骤三：将压力调至80mbar-150mbar、温度调至850°C_950°C，生长u型AlGaN/ GaN超晶格过渡层，其包含生长周期为4-20个的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN与 GaN的厚度比为1:1-1:3 ;
[0015] 步骤四：将压力调至150-250mbar、温度调至1000°C -1050°C，在所述u型AlGaN/ GaN超晶格过渡层上生长厚度为2. 5-3. 5um的第一高掺杂Si的n型GaN层，其中Si的掺杂 浓度为 1. 5-2. 5E+19 ;
[0016] 步骤五：在所述第一高掺杂Si的n型GaN层上依次向上生长n型AlGaN电子阻挡 层、第二高掺杂Si的GaN层、低温n型GaN层、浅量子阱层、量子阱层、有源层、GaN皇层、第 一P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层、p型GaN层以及p型 接触层。
[0017] 以上技术方案中优选的，所述蓝宝石衬底的预处理具体为：将蓝宝石衬底在温度 为1050°C -1150°C、压力为100mbar-300mbar的条件下通入氢气进行表面清洁，其中通入 氨气20s-50s ;生长所述低温缓冲层的温度为500°C _550°C、压力为500mbar-700mbar，并 将其在温度为1050°C -1100°C条件下进行退火处理；生长所述第一非掺杂u型GaN层时的 温度为950 °C -1050 °C ;生长所述第二非掺杂u型GaN层的温度为1050 °C -1100 °C、压力为 300mbar-400mbar ;生长所述低温n型GaN层的温度为750°C _850°C ;生长所述GaN皇层的 温度为750°C _800°C ;生长所述第一 P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的温度为800°C _900°C ; 生长所述第二P型AlGaN/InGaN电子阻挡层的温度为850°C _950°C ;生长所述P型GaN层 的温度为950°C -1000°C ;生长所述P型接触层的温度为900°C _950°C。
[0018] 以上技术方案中优选的，所述低温缓冲层的厚度为20-35nm;所述第二非掺杂u 型GaN层的厚度为2-3um ;所述n型AlGaN电子阻挡层的厚度为100-200nm ;所述第二高掺 杂Si的n型GaN层的厚度为150-300nm，其中Si的掺杂浓度为1. 0-2. 0E+19 ;所述低温n 型GaN层的厚度为80-180nm ;所述浅量子阱层的厚度为100-300nm，其中Si的掺杂浓度为 2-4E+18 ;所述量子阱层的厚度为30-60nm，其包括生长周期为3-8个的单层；所述有源层的 厚度为100_150nm，包括生长周期为7-11个的有源单层，所述有源单层中阱层与皇层的厚 度比为1:2-1:5 ;所述GaN皇层的厚度为30-80nm ;所述第一 P型AlGaN