[发明专利]一种LED外延片及其外延生长方法

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，特别涉及在p型氮化镓生长过程中嵌入扩展电流层的LED外延片及其外延生长方法。

技术背景

LED的应用越来越广泛，主要应用于LCD屏背光、LED照明、LED显示。商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED的应用无不说明了III-V族元素所蕴藏的潜能。近十几年来为了开发高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入，但依然存在发光强度低的问题。降低器件及系统热阻，从而减低温度；优化LED外延结构，减少载流子泄漏，提高注入比，增加辐射复合效率，是提高led大功率下发光强度的两个主要途径。

GaN基材料的外延生长是发展GaN基高亮度LED和全固态半导体白光照明光源的核心技术，是所有关键难题中的重中之重，因此在这个问题上有大量专利被申请。在GaN基光电子器件中，大量的专利内容集中于发光区和p型掺杂的结构设计，发光层主要的组成不外乎是单层的量子阱或是多层的量子阱，而尽管制造LED的技术一直在进步，但发光区其发光层MQW的品质并没有成正比成长，其原因是MQW的位错密度比较大，垒和阱之间存在晶格失配产生的应力和极化电场，导致辐射复合效率比较低；p型掺杂的优化以及与MQW的匹配更是至关重要。

林振贤等人公开了一种发光二极管结构的制作方法(中国专利公开号CN101212002A)，其特征在于所述的多量子阱缓冲层包括一个或多个InGaN/GaN的复合结构，其中InGaN层结构中掺杂有SiH₄。这种多量子阱缓冲层提高了GaN的晶体质量，从而提高发光二极管的出光效率和发光强度。但是这种结构也存在缺点：由于增加了多量子阱缓冲层，而且多量子阱掺Si，引入了n型杂质，使得P-N结偏离InGaN/GaN的多量子阱区，在发光二极管工作于正向偏压时，量子阱区的少数载流子为空穴，空穴在扩散过程中与电子复合发光，但由于空穴的迁移率很低，扩散长度很小，与电子复合发光的空穴数减少。因此进一步提高发光强度的方法是：增加空穴进入发光区的数目，提高了空穴在发光区的注入比，从而提高了LED的发光强度。刘一兵等人2008年在红外技术上发表了《基于GaN材料p型掺杂的研究进展》(《红外技术》，2008年第30卷第3期)，介绍了p型掺杂存在的问题，讨论了p型掺杂的激活方法和机理，综述了目前p型掺杂国内外的研究进展情况。目前，p型GaN的电学、光学和晶体学性质仍不尽人意，难以获得高质量的p型GaN成为阻碍GaN器件进一步发展和应用的重要原因。在p型GaN中，Mg的激活效率低，进入量子阱的空穴数目较少，空穴在发光区的注入比低，因而LED的发光强度低。本发明通过在氮化镓基p型层中嵌入扩展电流层，降低Mg的激活能，相同的电流下，空穴进入发光区的数目增加，提高了空穴在发光区的注入比，增加了与电子复合发光的空穴数，从而提高了LED的发光强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED外延片及其外延生长方法，以提高其发光强度。该方法通过在氮化镓基p型层中嵌入扩展电流层，降低Mg的激活能，相同的电流下，空穴进入发光区的数目增加，提高了空穴在发光区的注入比，增加了与电子复合发光的空穴数，从而提高了发光强度。

本发明的技术方案是：一种LED外延片，其结构自下而上依次为蓝宝石衬底、低温氮化镓基缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型氮化镓层、p型铝镓氮层、粗化的p型氮化镓层和高掺杂的p型GaN基电极接触层。其中所述的LED外延片还包含扩展电流层，所述扩展电流层嵌入在p型氮化镓层、p型铝镓氮层或者粗化的p型氮化镓层中；所述扩展电流层总生长厚度为5～100nm，其中p型InGaN或者p型AlInGaN的厚度为2.5～50nm。

其中，当所述扩展电流层嵌入在p型氮化镓层或者粗化的p型氮化镓层中时，所述扩展电流层为1～10个循环周期的p型InGaN/p型GaN。

当所述扩展电流层嵌入在p型铝镓氮层中时，其中所述扩展电流层为1～10个循环周期的p型AlInGaN/p型GaN。

所述的LED外延片的外延生长方法，采用金属有机化合物化学气相沉积方法，其生长步骤依次为：

(1)在1000～1300℃下在H₂环境中高温净化蓝宝石衬底5～10分钟；

(2)降温至450～550℃生长20～40nm厚度的低温氮化镓基缓冲层；

(3)升温至1050～1200℃生长1～3μm厚度的非掺杂氮化镓；

(4)同样的温度下，再生长1～3μm厚度的n型氮化镓层；