一種增加GaN基反向電壓的外延結構及其生長方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及半導體LED制造技術領域，特別地，涉及一種增加GaN基反向電壓的外 延結構及其生長方法。
【背景技術】
[0002]GaN基InGaN/GaN多量子阱發光二極管（尤其是大功率發光二極管）已廣泛應用 于大屏幕彩色顯示、交通信號、通用照明、景觀照明等。大功率LED作為結型的二極管，其反 向電壓偏低是普遍存在的現象。而提升反向電壓，一般地主要有以下兩種途徑：（1)降低n 型摻雜的濃度，提升阻值；(2)降低量子阱的Si摻雜濃度。而以上兩種途徑均會導致LED 的驅動電壓增加。特別是第二種途徑，會大大影響載流子的濃度，從而影響量子阱的發光效 率。
[0003] 公布號為CN103824912A的專利文獻中，公布了一種改善GaN基LED反向漏電的外 延生長方法，其結構包括：在高溫u-GaN層4/5厚度處插入一層50-200nm非摻u-AlGaN外 延層，在高溫n-GaN層1/3厚度處插入一層4-8個周期的n-AlGaN/GaN超晶格層，在低摻 雜n-GaN層后生長一層2-6nm低摻n-AlGaN層；抑制V型缺陷漏電的外延結構：在MQW最 后一個皇后生長一層10-50nm非摻AlGaN層，在低溫p-GaN和高溫p-GaN層中間插入一層 50-200nm低摻p-AlGaN層。此方法的顯著缺點是：u-AlGaN外延層生長厚度較厚且是在u 型GaN之間，改善位錯密度與晶格失配的效果不佳，容易在底部形成吸光層，溫度較高壓力 較大對A1組分的摻雜效率及晶體的結晶有極大的影響，后續需要生長結晶質量較好的低 摻或不摻的u-GaN層進行彌補覆蓋。
【發明內容】
[0004] 本發明第一目的在于提供一種增加GaN基反向電壓的外延結構，技術方案如下：
[0005] -種增加GaN基反向電壓的外延結構，由下至上依次包括藍寶石襯底、低溫緩沖 層、第一非摻雜u型GaN層、第二非摻雜u型GaN層、u型AlGaN/GaN超晶格過渡層、第一高 摻雜Si的n型GaN層、n型AlGaN電子阻擋層、第二高摻雜Si的n型GaN層、低溫n型GaN 層、淺量子阱層、量子阱層、有源層、GaN皇層、第一P型AlGaN/InGaN電子阻擋層、第二P型 AlGaN/InGaN電子阻擋層、p型GaN層以及p型接觸層；
[0006] 所述u型AlGaN/GaN超晶格過渡層的厚度為30-100nm，其包含生長周期為4-20個 的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN與GaN的厚度比為1:1-1:3 ;
[0007] 所述第一高摻雜Si的n型GaN層的厚度為2.5-3. 5um，其中Si的摻雜濃度為 1. 5-2. 5E+19。
[0008] 以上技術方案中優選的，所述第二高摻雜Si的n型GaN層的厚度為150-300nm，其 中Si的摻雜濃度為1. 0-2. 0E+19 ;所述淺量子阱層的厚度為100-300nm，其中Si的摻雜濃 度為2-4E+18 ;所述量子阱層的厚度為30-60nm，其包括生長周期為3-8個的單層；所述有 源層的厚度為100_150nm，其包括生長周期為7-11個的有源單層，所述有源單層中阱層與 皇層的厚度比例為1:2-1:5。
[0009] 以上技術方案中優選的，所述低溫緩沖層的厚度為20-35nm ;所述第二非摻雜u型 GaN層的厚度為2-3um ;所述n型AlGaN電子阻擋層的厚度為100-200nm ;所述低溫n型GaN 層的厚度為80_180nm ;所述低溫GaN皇層的厚度為30_80nm ;所述第一 P型AlGaN/InGaN電 子阻擋層的厚度為30-50nm ;所述第二P型AlGaN/InGaN電子阻擋層的厚度為50-100nm ;所 述p型GaN層的厚度為80-150nm ;所述p型接觸層的厚度為5-10nm〇 [0010] 應用本發明的外延結構，具有以下技術效果：（1)整體結構精簡；（2)在長完第二 非摻雜u型GaN層時，極大地改變V / III比例插入周期性的高A1組分超晶格結構（u型 AlGaN/GaN超晶格過渡層），提升晶體質量，降低位錯與缺陷（在進行異質外延生長時，防 止或減少失配位錯的方法是：a、厚度不超過臨界厚度，那么外延層時完整，不會產生失配位 錯；b、通過組分突變來減少失配位錯。組分突變法可以降低外延層的位錯密度，具體是：在 外延生長時，不是一次生長出厚的外延層（如u型和n型GaN)，而是在兩者之間生長幾個不 同厚度的薄外延層，利用兩層間的交界面，使部分位錯拐彎，降低外延層的位錯密度），阻止 缺陷與位錯的形成，有效地抑制缺陷或位錯的增加與擴大，減少漏電通道；（3) u型AlGaN/ GaN超晶格過渡層的厚度的選擇能達到最佳程度地降低位錯。（4)通過刪除原第三摻雜Si 層次，增加第一高摻雜Si的n型GaN層的厚度作補償，達到因插入周期性AlGaN/lGaN過渡 層帶來的LED芯片驅動電壓升高的問題，在增加反向電壓的同時降低驅動電壓（與現有技 術相比較，反向電壓提升5-15伏）；(5)其他各層厚度的選擇，既能保證LED芯片的性能又 使得生產方便。
[0011] 本發明的第二目的在于提供一種增加GaN基反向電壓的外延結構的生長方法，包 括以下步驟：
[0012] 步驟一：將藍寶石襯底進行預處理；
[0013] 步驟二：在藍寶石襯底上依次向上生長低溫緩沖層、第一非摻雜u型GaN層以及第 二非摻雜u型GaN層；
[0014] 步驟三：將壓力調至80mbar-150mbar、溫度調至850°C_950°C，生長u型AlGaN/ GaN超晶格過渡層，其包含生長周期為4-20個的AlGaN/GaN超晶格，所述超晶格中AlGaN與 GaN的厚度比為1:1-1:3 ;
[0015] 步驟四：將壓力調至150-250mbar、溫度調至1000°C -1050°C，在所述u型AlGaN/ GaN超晶格過渡層上生長厚度為2. 5-3. 5um的第一高摻雜Si的n型GaN層，其中Si的摻雜 濃度為 1. 5-2. 5E+19 ;
[0016] 步驟五：在所述第一高摻雜Si的n型GaN層上依次向上生長n型AlGaN電子阻擋 層、第二高摻雜Si的GaN層、低溫n型GaN層、淺量子阱層、量子阱層、有源層、GaN皇層、第 一P型AlGaN/InGaN電子阻擋層、第二P型AlGaN/InGaN電子阻擋層、p型GaN層以及p型 接觸層。
[0017] 以上技術方案中優選的，所述藍寶石襯底的預處理具體為：將藍寶石襯底在溫度 為1050°C -1150°C、壓力為100mbar-300mbar的條件下通入氫氣進行表面清潔，其中通入 氨氣20s-50s ;生長所述低溫緩沖層的溫度為500°C _550°C、壓力為500mbar-700mbar，并 將其在溫度為1050°C -1100°C條件下進行退火處理；生長所述第一非摻雜u型GaN層時的 溫度為950 °C -1050 °C ;生長所述第二非摻雜u型GaN層的溫度為1050 °C -1100 °C、壓力為 300mbar-400mbar ;生長所述低溫n型GaN層的溫度為750°C _850°C ;生長所述GaN皇層的 溫度為750°C _800°C ;生長所述第一 P型AlGaN/InGaN電子阻擋層的溫度為800°C _900°C ; 生長所述第二P型AlGaN/InGaN電子阻擋層的溫度為850°C _950°C ;生長所述P型GaN層 的溫度為950°C -1000°C ;生長所述P型接觸層的溫度為900°C _950°C。
[0018] 以上技術方案中優選的，所述低溫緩沖層的厚度為20-35nm;所述第二非摻雜u 型GaN層的厚度為2-3um ;所述n型AlGaN電子阻擋層的厚度為100-200nm ;所述第二高摻 雜Si的n型GaN層的厚度為150-300nm，其中Si的摻雜濃度為1. 0-2. 0E+19 ;所述低溫n 型GaN層的厚度為80-180nm ;所述淺量子阱層的厚度為100-300nm，其中Si的摻雜濃度為 2-4E+18 ;所述量子阱層的厚度為30-60nm，其包括生長周期為3-8個的單層；所述有源層的 厚度為100_150nm，包括生長周期為7-11個的有源單層，所述有源單層中阱層與皇層的厚 度比為1:2-1:5 ;所述GaN皇層的厚度為30-80nm ;所述第一 P型AlGaN