GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片及生长方法技术

本申请公开了一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片及生长方法，所述外延片的结构从下至上依次为：衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，在第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在高温N型GaN层上为应力释放层，MQW保护层，P型电子阻挡层，高温P型GaN层，在高温P型GaN层上为接触层，高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20，本发明专利技术的优点是：第一，显著提高抗静电能力；第二，有效增强载流子的复合效率；第三，提升LED的内量子效率。

【技术实现步骤摘要】
GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片及生长方法
本专利技术属于半导体
，涉及一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片及生长方法。
技术介绍
氮化镓基材料，包括InGaN、GaN、AlGaN合金，为直接带隙半导体，且带隙从1.8-6.2eV连续可调，具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，广泛应用于全彩大屏幕显示，LCD背光源、信号灯、照明等领域。宽带隙的GaN半导体材料具有良好的化学、热稳定性和较高的击穿电压，是继第一代硅材料和第二代砷化镓材料之后的第三代新型半导体材料。其三元合金铟镓氮(InXGa1-XN)的带隙从0.7eV到3.4eV连续可调，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的区域。被认为是制造高亮度蓝、绿发光二极管和白光发光二极管理想材料，现已广泛应用于照明、显示屏、背光源、信号灯等领域。现有技术中的LED外延片结构如图1所示，在蓝宝石衬底1上生长低温GaN缓冲层2；在低温GaN缓冲层2上生长高温非掺杂GaN层u-GaN1层3；在高温非掺杂GaN层u-GaN1层上生长高温非掺杂GaN缓冲层u-GaN2层4；在高温非掺杂GaN缓冲层u-GaN2层4上生长N型GaN层5；在N型GaN层5上生长电子储存层6；在电子储存层6上生长多量子阱MQW发光层7，在多量子阱MQW发光层7上生长电子阻挡层8；在电子阻挡层8上生长高温空穴注入层9；在高温空穴注入层9上生长P型接触层10。这种结构生长GaN外延层的衬底常有SiC、Si、蓝宝石等衬底，在这些衬底上异质外延生长GaN外延层，由于晶格适配较大，导致外延层易形成缺陷和引入应力，晶体质量下降，导致LED芯片抗静电能力等光电性能下降，静电失效已成为影响芯片产品良率的一个棘手问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提供一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片，其能够显著提高LED芯片的抗静电能力。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片，其结构从下至上依次为：衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，其特征在于：在所述第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在所述AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在所述高温N型GaN层上为应力释放层，在所述应力释放层上为MQW保护层，在所述MQW保护层上为P型电子阻挡层，在所述P型电子阻挡层上为高温P型GaN层，在所述高温P型GaN层上为接触层；其中，所述高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20；所述MQW保护层由第一AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3～12；所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二AlGaN/InGaN超晶格层为P型。优选地，所述应力释放层为2～6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5～10nm，GaN的厚度在20～50nm。优选地，所述第二AlGaN/InGaN超晶格层的厚度在20～40nm，Al掺杂浓度为1E+19～3E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为1E+19～1E+20atom/cm3。一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片的生长方法，依次包括处理衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层的步骤，其特征在于，还包括：在所述第二高温非掺杂GaN层上生长AlGaN/GaN超晶格层；在所述AlGaN/GaN超晶格层上生长高温N型GaN层；在所述高温N型GaN层上生长应力释放层；在所述应力释放层上生长MQW保护层；在所述MQW保护层上生长P型电子阻挡层；在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层；在所述高温P型GaN层上生长接触层；其中，所述生长高温N型GaN层的步骤包括：周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20；所述生长MQW保护层的步骤包括：周期性生长第一AlGaN/InGaN超晶格层，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3～12；所述生长P型电子阻挡层的步骤包括：低温生长P型AlInGaN，再高温生长第二AlGaN/InGaN超晶格层，所述第二AlGaN/InGaN超晶格层为P型。优选地，所述周期性插入SiN掩膜/N型GaN层包括：在1000～1100℃，通入NH3和SiH4，使NH3和SiH4在高温下反应生成SiN掩膜，生长时间为20-50s，接着生长10～50nm的N型GaN。优选地，所述周期性生长第一AlGaN/InGaN超晶格层包括：压力控制在300mbar～400mbar，温度为800～850℃生长厚度为1～5nm的AlGaN层，温度为800～850℃生长厚度为1-5nm的InGaN层，AlGaN单层和InGaN单层厚度比为1:1，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3～12。优选地，所述生长第二AlGaN/InGaN超晶格层包括：温度调至780～950℃，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMAl，压力控制在100～500mbar，生长厚度为20～40nm，Al掺杂浓度为1E+19～3E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为1E+19～1E+20atom/cm3。优选地，所述生长应力释放层包括：压力控制在300mbar～400mbar，温度800℃～850℃，生长2～6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5～10nm，GaN的厚度在20～50nm。优选地，所述生长AlGaN/GaN超晶格层包括：在温度1000～1100℃，通入TMGa，TMAl和NH3，交替生长AlGaN/GaN超晶格层，AlGaN单层厚度控制在2～5nm，GaN单层厚度控制在2～5nm，AlGaN和GaN层厚度比为1:1，周期数目为5-20。优选地，所述生长接触层包括：在温度650～680℃，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300～500mbar，生长厚度为5～10nm的掺镁InGaN层。本专利技术的有益效果为：第一，显著提高抗静电能力，结构上，在高温非掺杂uGaN层上生长非掺杂AlGaN/GaN超晶格层，高温N型GaN层中插入SiN掩膜/GaN超晶格层，AlGaN/GaN超晶格层和SiN掩膜/GaN超晶格插入层能有效地阻挡外延生长中形成的位错和缺陷，阻断缺陷延伸扩大增多，提高晶体质量，减小漏电通道，达到提高LED芯片的抗静电能力。第二，有效增强载流子的复合效率，MQW保护层由AlGaN/InGaN超晶格组成，既能起到首次阻挡部分电子泄漏，又能在异质结界面再次加强二维载流子气，提高载流子的复合效率。第三，提升LED的内量子效率，P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长P型AlGaN/InGaN超晶格层组成；低温生长的P型AlInGaN协同低温P型GaN层可以降低对MQW的损伤，也能提供部分空穴注入，从而达到提高空穴注入效率，增强抗静电能力；高温生长P型AlGaN/InGaN超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基Ⅲ‑Ⅴ族化合物半导体LED外延片，其结构从下至上依次为：衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，其特征在于：在所述第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在所述AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在所述高温N型GaN层上为应力释放层，在所述应力释放层上为MQW保护层，在所述MQW保护层上为P型电子阻挡层，在所述P型电子阻挡层上为高温P型GaN层，在所述高温P型GaN层上为接触层；其中，所述高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20；所述MQW保护层由第一AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3～12；所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二AlGaN/InGaN超晶格层为P型。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片，其结构从下至上依次为：衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层，其特征在于：在所述第二高温非掺杂GaN层上为AlGaN/GaN超晶格层，在所述AlGaN/GaN超晶格层上为高温N型GaN层，在所述高温N型GaN层上为2～6个InGaN/GaN应力释放层，在所述应力释放层上为MQW保护层，在所述MQW保护层上为P型电子阻挡层，在所述P型电子阻挡层上为高温P型GaN层，在所述高温P型GaN层上为接触层；其中，所述高温N型GaN层中周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20；所述MQW保护层由第一AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3～12；所述P型电子阻挡层由低温生长的P型AlInGaN和高温生长的第二AlGaN/InGaN超晶格层组成，所述第二AlGaN/InGaN超晶格层为P型。2.根据权利要求1所述的GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片，其特征在于：所述应力释放层为2～6个InGaN/GaN层，InGaN的厚度在0.5～10nm，GaN的厚度在20～50nm。3.根据权利要求2所述的GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片，其特征在于：所述第二AlGaN/InGaN超晶格层的厚度在20～40nm，Al掺杂浓度为1E+19～3E+20atom/cm3，Mg掺杂浓度为1E+19～1E+20atom/cm3。4.一种GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体LED外延片的生长方法，依次包括处理衬底，低温GaN缓冲层，第一高温非掺杂GaN层，第二高温非掺杂GaN层的步骤，其特征在于，还包括：在所述第二高温非掺杂GaN层上生长AlGaN/GaN超晶格层；在所述AlGaN/GaN超晶格层上生长高温N型GaN层；在所述高温N型GaN层上生长2～6个InGaN/GaN应力释放层；在所述应力释放层上生长MQW保护层；在所述MQW保护层上生长P型电子阻挡层；在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层；在所述高温P型GaN层上生长接触层；其中，所述生长高温N型GaN层的步骤包括：周期性插入SiN掩膜/N型GaN层，所述SiN掩膜/N型GaN层的周期数为5～20；所述生长MQW保护层的步骤包括：周期性生长第一AlGaN/InGaN超晶格层，所述第一AlGaN/InGaN超晶格层的周期数为3～12；所述生长P型电子...

【专利技术属性】
技术研发人员：马欢，田艳红，牛凤娟，
申请(专利权)人：湘能华磊光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43