[发明专利]一种GaN基发光二极管外延片及其生长方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种LED外延片及其外延生长方法，尤其是一种GaN基发光二极管外延片及其生长方法。

技术背景

目前蓝绿光发光二极管的主流是在蓝宝石或碳化硅衬底上生长GaN材料，其中绝大部分采用蓝宝石作为衬底。由于蓝宝石衬底与GaN材料之间较大的晶格失配与热失配，导致GaN外延层内产生高密度的缺陷，例如穿透位错。实验证明这些缺陷是III族氮化物基发光二极管中反向漏电电流产生的一个重要途径。

通常的做法是在蓝宝石上先生长一层薄的低温缓冲层(成核层，Nucleation layer)，后来人们又在此基础上优化出高温缓冲层。借助缓冲层技术，人们能够生长出低位错密度的n型GaN层(有的其中包括非掺杂的GaN层)作为电子注入源。对于发光区，人们主要采用应变的InGaN/GaN多量子阱(MQW)。在多量子阱之后生长p型GaN层，主要是掺杂Mg。发表于《光电器件》Vol.28.No4，名称为《功率型GaN基LED静电保护方法研究》一文中提出采用AlGaN/GaN超晶格结构，形成二维电子气，迅速扩展电流脉冲，从而提升其抗静电损伤能力，提高器件的耐静电强度。专利《一种提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延生长方法》(申请号200710051864.6)中提到在生长多量子阱后生长P型AlGaN和P型GaN，其特点是在P型AlGaN和P型GaN之间形成细小均匀分布的游离金属滴，形成电流释放通道来提高外延片抗静电能力；但是上述这两种方式生长相对较复杂，难度较高，且在生长过程中含有Al组分，对于大规模生产来讲生长后很难通过高温烘烤去除Al这种物质，对于长期稳定生产是一种不稳定因素。本发明在GaN基LED外延层基础上，通过一种新型的不含Al，且相对简单易控的p-GaN外延层生长方法，实现防高静电的GaN基LED芯片外延片生长。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供一种GaN基发光二极管外延片及其生长方法，适用于金属有机化学气相沉积(MOCVD)在衬底上外延生长发光二极管，提高其P型GaN层的电流扩散，提高发光二极管对静电的耐受能力，从而延长发光二极管的使用寿命。

本发明的技术方案为：一种GaN基发光二极管外延片，其结构从下至上依次包括：衬底，低温缓冲层，非掺杂GaN层，n型GaN层，多量子阱层，p型GaN层和电极接触层；其中，p型GaN层包括第一p型GaN层和第二p型GaN层，所述的第一p型氮化镓层的生长温度为700～850℃，厚度为30～60nm，所述的第二p型氮化镓层的生长温度为950～1100℃，厚度为150～300nm。

所述GaN基发光二极管外延片的生长方法为：采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法，其具体步骤为：在1100℃～1200℃下，H₂的气氛中高温净化蓝宝石衬底3～10分钟；降温至530～570℃，反应室压力在300mbar～700mbar，生长20～50nm厚度的低温GaN缓冲层；升温至1170℃～1190℃，生长压力在100mbar～700mbar生长1.3～1.8μm厚度的非掺杂GaN层；将温度调节至1160℃～1190℃，生长压力在100mbar～700mbar生长1.5～2μm厚度的n型GaN层；将温度调节至700～800℃，生长压力在100mbar～500mbar生长5个周期的InGaN/GaN的多量子阱层，其中InGaN量子阱厚度在1nm～3nm之间，GaN垒厚度在10nm～20nm之间，量子阱数目在2～15个之间；将温度调节至700～850℃之间，生长压力在50mbar～500mbar之间生长第一p型GaN层，其厚度在30nm～60nm之间；将温度调节至950℃～1100℃之间，生长压力在50mbar～600mbar之间生长第二p型GaN层，其厚度在150nm～300nm之间，然后将温度调节至950℃，生长压力在50mbar，生长厚度在10nm～30nm的高掺杂p型氮化镓电极接触层。最后降温至室温，生长结束。

其中所述的第一p型氮化镓层的优选生长温度为780～800℃，优选的厚度为30～50nm。