一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法
阅读说明：本技术 一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法 (PGaN improved LED epitaxial structure and preparation method thereof ) 是由 李国强 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法,该外延结构按照从下往上的顺序包括依次相连的衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层；其中,所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层,所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层。其制备方法是于H-(2)环境中,在所述衬底上依次生长缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层。本发明能够有效解决LED外延结构中P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳,并减少有源层位错延伸上来的Pits,进而提升了LED产品的品质。(The invention provides a PGaN improved LED epitaxial structure and a preparation method thereof, wherein the epitaxial structure comprises a substrate, a buffer layer, an intrinsic GaN layer, an N-type GaN layer, a light emitting quantum well layer and a P-type GaN layer which are sequentially connected from bottom to top; the light emitting quantum well layer comprises a GaN barrier layer and an InGaN well layer which are circularly arranged in a multi-stage mode, and the P-type GaN layer comprises a GaN intrinsic layer or a low-doped metal layer and a high-doped metal layer which are circularly arranged in a multi-stage mode. The preparation method is as follows H 2 In the environment, a buffer layer, an intrinsic GaN layer, an N-type GaN layer, a light emitting quantum well layer and a P-type GaN layer are sequentially grown on the substrate. The invention can effectively solve the problem of poor crystal quality of a P-type layer in the LED epitaxial structure due to high Mg doping, and reduce the Pits on the staggered extension of the active layer, thereby improving the quality of LED products.)
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，具体涉及一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法。
背景技术
随着LED技术不断发展，其高光效、光衰小、节能、环保等优点，受到了越来越广泛的应用，也对LED提出来越来越高的要求，特别是亮度和可靠性；LED传统的外延生长方法中P型层生长难度最大，P型层需解决Mg掺杂效率和空穴浓度的提升，还需覆盖有源层延伸上来的Pits，且传统的高低Mg掺叠加生长方式生长的P型层的晶体质量不理想，同时未能很好的弯曲、泯灭有源层延伸的位错，从而降低了P型层的空穴注入效率，降低LED发光效率。
有鉴于此，如今迫切需要开发一种新的PGaN改善型LED外延技术，以便克服现有LED外延技术存在的上述缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该技术能有效解决P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，及减少有源层位错延伸上来的Pits，进而提升LED产品的品质。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种PGaN改善型LED外延结构，按照从下往上的顺序包括依次相连的衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层。
可选地，所述衬底为适合Ⅲ－Ⅴ族半导体材料生长的材料，如蓝宝石、蓝宝石AlN薄膜、GaN、硅、碳化硅等。
进一步地，所述缓冲层的厚度为300～1000nm，材料为GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN中的一种或者其中几种以超晶格或交替堆叠方式组合。
进一步地，所述本征GaN层的厚度为1.0～2.0um，材料为GaN、AlGaN、InAlGaN、InGaN中的一种或者其中几种以超晶格或交替堆叠方式组合。
进一步地，所述N型GaN层为硅掺GaN，厚度为1～4um，其中Si掺杂浓度为1E18～3E19。
进一步地，所述发光量子阱层中，GaN势垒层的厚度为3.0～10.0nm，InGaN阱层的厚度为3.0～6.0nm，其中In在所述发光量子阱层中的质量百分含量是8％～20％。
优选地，所述GaN势垒层和所述InGaN阱层在所述发光量子阱层中的循环周期为3～10。
进一步地，所述P型GaN层的总厚度为50～200nm，多级循环的GaN本征层或低掺金属层和高掺金属层的厚度均逐级递减，并且在同一级GaN本征层或低掺金属层厚度大于高掺金属层的厚度。
优选地，所述GaN本征层或低掺金属层的厚度为5-20nm，所述高掺金属层的厚度为3～15nm。
优选地，所述GaN本征层或低掺金属层和所述高掺金属层的循环周期为3～10。
优选地，所述低掺金属层和所述高掺金属层的P型掺杂源为Mg或者Zn，其在所述低掺金属层浓度为5E17～1E18，其在所述高掺金属层浓度为5E18～1E20。
可选地，所述发光量子阱层和所述P型GaN层之间还设有P型电子阻挡层。
进一步的，所述P型电子阻挡层的厚度为30～80nm，其中Mg掺杂浓度为5E18～3.5E19，材料为pAlGaN、pAlInGaN、pInGaN其中一种的单层晶格或其中几种的组合晶格或者其中几种的超晶格。
第二个方面，本发明提供上述PGaN改善型LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层；
然后在所述缓冲层上生长本征GaN层；
继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层；
继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层；
继续在所述生长多周期发光层上生长P型GaN层。
进一步地，所述缓冲层的生长条件为：温度800～1050℃，压力100-200Torr。
进一步地，所述本征GaN层和所述N型GaN层的生长条件为：温度1000～1200℃，压力100-200Torr。
进一步地，所述发光量子阱层的生长条件为：温度700～900℃，压力200-400Torr。
进一步地，所述P型GaN层的生长条件为：温度850～950℃，压力300～600Torr。
进一步地，所述制备方法还包括：在所述发光量子阱层上生长P型GaN层之前先生长一层P型电子阻挡层，所述阻挡层的生长条件为：温度850-950℃，压力100-200Torr。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种全新的PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该技术能够有效解决LED外延结构中P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，并解决有源层位错延伸上来的Pits，进而提升了LED产品的品质。
附图说明
图1为本发明的PGaN改善型LED外延结构的结构形成过程图，其中，1-衬底，2-缓冲层，3-本征GaN层，4-N型GaN层，5-发光量子阱层，6-P型电子阻挡层，7-P型GaN层。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该外延结构按照从下往上的顺序包括依次相连的硅衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的低掺金属层和高掺金属层。
在本实施例中，所述缓冲层的厚度为600nm，材料为GaN。
在本实施例中，所述本征GaN层的厚度为1.5um，材料为GaN。
在本实施例中，所述N型GaN层采用Si掺GaN，厚度为2um，其中Si掺杂浓度为1e19。
在本实施例中，所述发光量子阱层中，GaN势垒层的厚度为5nm，InGaN阱层的厚度为3nm，其中In在所述发光量子阱层中的质量百分含量是12％。所述GaN势垒层和所述InGaN阱层的循环周期为7。
在本实施例中，所述P型电子阻挡层的厚度为50nm，其中Mg掺杂浓度为1E19，材料为pAlGaN。
在本实施例中，P型GaN层中多级循环的低掺PGaN层(即低掺金属层)和高掺PgaN(即高掺金属层)的厚度均逐级递减2nm，并且在同一级低掺层和高掺PGaN层中前者厚度大于后者。所述第一级低掺PGaN层的厚度为15nm，所述第一级高掺PGaN层的厚度为10nm，循环周期为3。
在本实施例中，所述低掺和高掺的P型GaN掺杂源为Mg，在低掺层浓度为7E17，在高掺层浓度为1E19。
上述PGaN改善型LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层，生长温度为900℃，压力为200Torr；
(2)然后在所述缓冲层上生长本征GaN层，生长温度为1100℃，压力为200Torr；
(3)继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层，生长温度为1050℃，压力为200Torr；
(4)继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层，生长温度为800℃，压力为200Torr；
(5)继续在所述发光量子阱层上生长P型电子阻挡层，生长温度为890℃，压力为100Torr；
(6)继续在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层，生长温度为900℃，压力为450Torr。
33*33COW数据：亮度[email protected]，IR和ESD良率分别为95.5％和99％，电性良好。如表1所示。
表1
实施例2
请参阅图1，本实施例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该外延结构按照从下往上的顺序包括依次相连的硅衬底、缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、发光量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层；其中，所述发光量子阱层包括多级循环排布的GaN势垒层和InGaN阱层，所述P型GaN层包括多级循环排布的GaN本征层和高掺金属层。
在本实施例中，所述缓冲层的厚度为300nm，材料为GaN。
在本实施例中，所述本征GaN层的厚度为1.0um，材料为GaN。
在本实施例中，所述N型GaN层采用Si掺N型GaN，厚度为4um，其中Si掺杂浓度为3e19。
在本实施例中，所述发光量子阱层中，所述GaN势垒层的厚度为5nm，所述InGaN阱层的厚度为3nm，其中In在所述发光量子阱层中的质量百分含量是12％。所述GaN势垒层和所述InGaN阱层的循环周期为7。
在本实施例中，所述P型电子阻挡层的厚度为80nm，其中Mg掺杂浓度为3.5E19，材料为pAlInGaN。
在本实施例中，多级循环的GaN本征层和高掺金属层的厚度均逐级递减1nm，并且在同一级GaN本征层和高掺金属层中前者厚度大于后者。所述第一级GaN本征层的厚度为10nm，所述第一级高掺金属层的厚度为5nm，循环周期为5。
在本实施例中，所述GaN本征层和所述高掺金属层的P型掺杂源为Mg，其中所述GaN本征层浓度为5E17，所述高掺金属层浓度为5E18。
上述PGaN改善型LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
(1)于H2环境中，在所述衬底上生长缓冲层，生长温度为1050℃，压力为200Torr；
(2)然后在所述缓冲层上生长本征GaN层，生长温度为1200℃，压力为200Torr；
(3)继续在所述本征GaN层上生长N型GaN层，生长温度为1000℃，压力为200Torr；
(4)继续在所述N型GaN层上生长发光量子阱层，生长温度为700℃，压力为200Torr；
(5)继续在所述发光量子阱层上生长P型电子阻挡层，生长温度为900，压力为100Torr；
(6)继续在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层，生长温度为950℃，压力为400Torr。
33*33COW数据：亮度[email protected]，IR和ESD良率分别为97.8％和100％，电性良好。如表2所示。
表2
版型
波长nm
亮度mW
IR良率
ESD良率
实施例2
33*33
455.85
528.32
97.82％
100％
对比例1
本对比例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，与实施例1的区别在于：P型GaN层中，该层的总厚度为76nm，循环次数为2。
对比例2
本对比例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，与实施例2的区别在于：GaN本征层厚度相等，并且等于高掺层厚度，循环次数为6。
对比例3
本对比例提供一种PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，与实施例1的区别在于：PGaN为传统低掺和高掺搭配结构，厚度分别为30nm和25nm。对比例数据汇总如表3所示：
表3
版型
波长nm
亮度mW
IR良率
ESD良率
实施例1
33*33
453.75
521.15
95.49％
99％
实施例2
33*33
455.85
528.32
97.82％
100％
对比例1
33*33
453.41
520.37
91.62％
99％
对比例2
33*33
454.88
523.69
91.47％
98％
对比例3
33*33
454.26
513.42
90.74％
96％
综上所述，本发明提供了一种全新的PGaN改善型LED外延结构及其制备方法，该技术能够有效解决LED外延结构中P型层因Mg高掺引起的晶体质量不佳，并减少有源层位错延伸上来的Pits，进而提升了LED产品的品质。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。