GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，涉及一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED，Light Emitting D1de)是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)電致發(fā)光原理制成。LED由于具有壽命長(zhǎng)、耗能低、體積小、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好及發(fā)光波長(zhǎng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其隨著其照明性能指標(biāo)日益大幅提高，LED在照明領(lǐng)域常用作發(fā)光裝置。其中，以氮化鎵(GaN)為代表的II1-V族化合物半導(dǎo)體，尤其是GaN(氮化鎵)基LED由于具有帶隙寬、發(fā)光效率高、電子飽和漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器等光電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，弓丨起了人們的廣泛關(guān)注。
[0003]LED芯片電壓是衡量LED品質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，相同大小的LED芯片在相同電流條件下LED芯片電壓較高時(shí)說(shuō)明芯片的等效電阻值較高，電能在轉(zhuǎn)化為光能的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生更多的熱能，對(duì)于LED芯片尤其在大電流長(zhǎng)時(shí)間的驅(qū)動(dòng)下大量熱量的產(chǎn)生對(duì)LED芯片的老化品質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此有效降低LED芯片電壓對(duì)提升LED品質(zhì)有重要的影響。而在芯片制程條件一定的情況下通過(guò)外延工藝調(diào)整降低LED芯片電壓就是唯一的方法。
[0004]傳統(tǒng)外延改善電壓的方法多對(duì)外延材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如η型摻雜、P型摻雜及內(nèi)部電流擴(kuò)展等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些方法所涉及的參數(shù)較多，調(diào)整也較為復(fù)雜和耗時(shí)較久，且不同機(jī)臺(tái)間的調(diào)整方向沒(méi)有很強(qiáng)的復(fù)制性，容易造成LED芯片其他性能受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中使用傳統(tǒng)外延降低LED芯片電壓的方法存在的涉及參數(shù)較多，調(diào)整比較復(fù)雜耗時(shí)，且不同機(jī)臺(tái)間的調(diào)整方向沒(méi)有很強(qiáng)的復(fù)制性，容易造成LED芯片其他性能受到影響的問(wèn)題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)包括:依次層疊的成核層、未摻雜GaN層、高溫N型GaN層、低溫N型GaN層、多量子阱結(jié)構(gòu)、AlGaN層、低溫P型Al InGaN層、P型電子阻擋層及P型GaN層。
[0007]優(yōu)選地，所述成核層的厚度為15nm?50nm ;所述未摻雜GaN層及所述高溫N型GaN層的總厚度為1.5 μ m?4.5 μ m ;所述N型GaN層內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為lel8cm 3?3el9cm
[0008]優(yōu)選地，所述低溫N型GaN層的厚度為90nm?360nm ;所述低溫N型GaN層內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為1.5el7cm_3?1.5el8cm_3。
[0009]優(yōu)選地，所述多量子阱結(jié)構(gòu)由InGaN勢(shì)阱與GaN勢(shì)皇交替組成，一個(gè)所述InGaN勢(shì)阱與一個(gè)所述GaN勢(shì)皇構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述GaN勢(shì)皇位于所述InGaN勢(shì)阱之上，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括5?18個(gè)所述周期對(duì)；所述多量子阱結(jié)構(gòu)中In組分的摩爾含量為15%?20%，所述InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為2.0nm?4.0nm，所述GaN勢(shì)皇的厚度范圍為 3.0nm ?15nm。
[0010]優(yōu)選地，所述AlGaN層中Al組分的摩爾含量為2%?20%，所述AlGaN層的厚度范圍為20nm?35nm。
[0011]優(yōu)選地，所述P型電子阻擋層為P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)；所述P型電子阻擋層的總厚度范圍為30nm?80nm，所述P型電子阻擋層中的摻雜兀素為Mg，Mg慘雜濃度范圍為5el8cm 3?3.5el9cm 3。
[0012]優(yōu)選地，所述P型GaN層的厚度為30nm?150nm ;所述P型GaN層中的摻雜元素為Mg，Mg摻雜濃度范圍為5el8cm_3?le20cm
[0013]本發(fā)明還提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
[0014]提供生長(zhǎng)襯底，在所述生長(zhǎng)襯底上由下至上依次生長(zhǎng)成核層、未摻雜GaN層及高溫N型GaN層；
[0015]在所述高溫N型GaN層上生長(zhǎng)低溫N型GaN層；
[0016]在所述低溫N型GaN層上生長(zhǎng)多量子阱結(jié)構(gòu)；
[0017]在所述多量子阱結(jié)構(gòu)上依次生長(zhǎng)AlGaN層、低溫P型AlInGaN層及P型電子阻擋層；
[0018]在所述P型電子阻擋層上生長(zhǎng)P型GaN層。
[0019]優(yōu)選地，優(yōu)選地，所述生長(zhǎng)襯底為藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底、GaN生長(zhǎng)襯底、硅生長(zhǎng)襯底或碳化硅生長(zhǎng)襯底。
[0020]優(yōu)選地，所述成核層的生長(zhǎng)溫度為450 °C?650 °C，生長(zhǎng)厚度為15nm?50nm;所述未摻雜GaN層及所述高溫N型GaN層的生長(zhǎng)溫度為1000 °C?1200 °C ;總生長(zhǎng)厚度為1.5μηι?4.5μηι ;所述高溫N型GaN層內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為lel8cnT3?3el9cm3。
[0021]優(yōu)選地，所述低溫N型GaN層的生長(zhǎng)溫度為700 °C?900 °C ;所述低溫N型GaN層的厚度為90nm?360nm;所述低溫N型GaN層內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為
1.5el7cm 3?1.5el8cm
[0022]優(yōu)選地，所述多量子阱結(jié)構(gòu)由InGaN勢(shì)阱與GaN勢(shì)皇交替組成，一個(gè)所述InGaN勢(shì)阱與一個(gè)所述GaN勢(shì)皇構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述GaN勢(shì)皇位于所述InGaN勢(shì)阱之上，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括5?18個(gè)所述周期對(duì)；所述多量子阱結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)溫度為700°C?900°C ;所述多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)In的組分含量為15%?20% ;所述第一 InGaN勢(shì)阱的厚度為2.0nm?4.0nm，所述第一 GaN勢(shì)皇的厚度為3.0nm?15.0nm0
[0023]優(yōu)選地，所述AlGaN層的生長(zhǎng)溫度為850°C?900°C;所述AlGaN層中Al組分的摩爾含量為2%?20%，所述AlGaN層的厚度范圍為20nm?35nm。
[0024]優(yōu)選地，所述低溫P型AlInGaN層的生長(zhǎng)溫度為700°C?800°C ;所述P型電子阻擋層的生長(zhǎng)溫度為900°C?950°C;所述P型電子阻擋層為P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)；所述P型電子阻擋層的總厚度范圍為30nm?80nm，所述P型電子阻擋層中Mg慘雜濃度范圍為5el8cm 3?3.5el9cm 3。
[0025]優(yōu)選地，所述P型GaN層的生長(zhǎng)溫度為950°C?1000°C，生長(zhǎng)厚度為30nm?150nm ；所述P型GaN層中的摻雜元素為Mg，Mg摻雜濃度范圍為5el8cm_3?le20cm_3。
[0026]如上所述，本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法，具有以下有益效果:采用所述低溫N型GaN層4取代傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)中的超晶格結(jié)構(gòu)，由于所述低溫N型GaN層的生長(zhǎng)溫度較低，會(huì)使得所述低溫N型GaN層內(nèi)的C元素的含量較高，又所述低溫N型GaN層不含In元素，這不僅可以有效地降低外延電壓，還可以有效地改善LED器件的漏電和反向電壓，進(jìn)而提尚LED芯片的品質(zhì)。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中提供的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中提供的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)中多量子阱結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3顯示為本發(fā)明實(shí)施例二中提供的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法的流程圖。
[0030]圖4至圖10顯示為本發(fā)明實(shí)施例二中提供的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法各步驟中的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0032]I生長(zhǎng)襯底
[0033]2成核層
[0034]31未摻雜GaN層
[0035]32高溫N型GaN層
[0036]4低溫N型GaN層
[0037]5多量子講結(jié)構(gòu)
[0038]51InGaN 勢(shì)阱
[0039]52GaN 勢(shì)皇
[0040]6AlGaN 層
[0041]7低溫 P 型 AlInGaN 層
[0042]8P型電子阻擋層
[0043]9P 型 GaN 層
【具體實(shí)施方式】
[0044]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書(shū)中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0045]請(qǐng)參閱圖1至圖10。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，雖圖示中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0046]實(shí)施例一
[0047]請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明還提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的成核層2、未摻雜GaN層31、高溫N型GaN層32、低溫N型GaN層4、多量子阱結(jié)構(gòu)5、AlGaN層6、低溫P型AlInGaN層7、P型電子阻擋層8及P型GaN層9。
[0048]具體的，所述外延結(jié)構(gòu)形成于一生長(zhǎng)襯底I上，且所述成核層2位于所述生長(zhǎng)襯底I的表面上。所述生長(zhǎng)襯底I的材料可以為適合GaN及其半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)的材料，所述生長(zhǎng)襯底I可以為藍(lán)寶石生長(zhǎng)襯底、GaN生長(zhǎng)襯底、硅生長(zhǎng)襯底或碳化硅生長(zhǎng)襯底。
[0049]具體的，所述成核層2的厚度為15nm?50nm ;所述未摻雜GaN層31及所述高溫N型GaN層32的總厚度為1.5 μ m?4.5 μ m ;所述高溫N型GaN層32內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的慘雜濃度為lel8cm3?3el9cm 3。
[0050]具體的，所述低溫N型GaN層4的生長(zhǎng)溫度為700 °C?900 °C，所述低溫N型GaN層4的厚度為90nm?360nm ;所述低溫N型GaN層4內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為1.5el7cm_3?1.5el8cm _3。采用低溫生長(zhǎng)的所述低溫N型GaN層4取代傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)中的超晶格結(jié)構(gòu)，由于所述低溫N型GaN層4的生長(zhǎng)溫度較低，會(huì)使得所述低溫N型GaN層內(nèi)的C元素的含量較高，又所述低溫N型GaN層不含In元素，這不僅可以有效地降低外延電壓，還可以有效地改善LED器件的漏電和反向電壓，進(jìn)而提高LED芯片的品質(zhì)。
[0051]具體的，如圖2所示，所述多量子阱結(jié)構(gòu)5的結(jié)構(gòu)由InGaN勢(shì)阱51與GaN勢(shì)皇52交替組成，一個(gè)所述InGaN勢(shì)阱51與一個(gè)所述GaN勢(shì)皇52構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述GaN勢(shì)皇52位于所述InGaN勢(shì)阱51之上；優(yōu)選地，本實(shí)施例中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)5包括5?18個(gè)所述周期對(duì)。
[0052]具體的，所第二 InGaN勢(shì)阱51的厚度為2.0nm?4.0nm，所述GaN勢(shì)皇52的厚度為3nm?15nm ;所述多量子講結(jié)構(gòu)5內(nèi)In組分的摩爾含量為15%?20%。
[0053]具體的，所述AlGaN層6中Al的組分含量為2%?20% ;所述AlGaN層6的厚度為 20nm ?35nm。
[0054]具體的，所述低溫P型AlInGaN層7的生長(zhǎng)溫度為700°C?800°