[发明专利]一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片及生长方法

说明书

本发明提供了一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片及生长方法，以图形化蓝宝石为衬底，在其表面依次生长AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、发光层、低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层和p型接触层。本发明新型高温P氮化镓层通过采用长速渐变的超晶格生长方法，提高了镁原子的掺杂效率，使得p型层中空穴浓度增加；采用镓源间断开关的长法，一定程度上增加了外延片的外量子效率；起始在较低长速下生长一层薄的p层能够在较大程度上缓解p型AlGaN电子阻挡层与高温p型氮化镓层之间的应力，提升GaN发光效率；在最后1段高温超晶格层中通入Al源，进一步增加了对电子的阻挡作用。

技术领域

本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片及生长方法。

背景技术

目前，随着LED(发光二极管)光效、亮度、显色指数以及可靠性的提高，LED已广泛应用于室内外照明、交通信号灯、全彩显示和电子产品背光源、汽车车灯以及植物照明等领域。与传统照明光源相比，氮化镓(GaN)基LED具有尺寸小、寿命长、响应速度快、功耗低、无污染、光谱范围宽以及色温可调等优点，由此在21世纪可预料到LED势必取代传统光源。

LED工作原理是通过电子和空穴在量子阱里复合发光，其中电子由掺Si的n层氮化镓提供，空穴由掺Mg的p层氮化镓提供。传统p层结构由低温p型电子阻挡层、高温p型氮化镓层和低温p型接触层构成，其中高温p型氮化镓层生长通常采用长速恒定的体结构生长。恒速长法使得外延结构层以层状方式逐层生长，外延层表面比较平整，从发光区出射光很容易在p层界面处发生全反射，降低了出光效率；同时，p型层中p型掺杂剂镁的激活能较高，采用体结构生长的高温p型氮化镓中Mg-H键不易断开，空穴浓度较低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述传统高温p型氮化镓长法导致外延片出光效率低、空穴浓度低等技术难题，提出一种提高GaN基LED发光效率的P型GaN层生长方法，包括：蓝宝石图形化衬底、AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、发光层、低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层、p型接触层。

本发明的技术方案：

一种提高氮化镓基LED发光二极管亮度的外延片，以图形化蓝宝石为衬底，在其表面依次生长AlN缓冲层、本征GaN层、n型GaN层，其中AlN缓冲层采用磁控溅射方法沉积，n型GaN层以硅烷(SiH₄)为掺杂剂；在n型GaN层上再生长发光层，发光层由数个周期的量子阱层和量子垒层构成；发光层长完后生长低温p型AlGaN电子阻挡层、新型高温p型氮化镓超晶格层和p型接触层，其中p型掺杂剂为二茂镁，新型高温p型氮化镓超晶格层又分成长速递增、数个周期的HTP1、HTP2、HTP3三段超晶格层，每个周期中采用Ga开Mg开/Ga关Mg开结构生长，HTP3超晶格层通入一定比例的铝，p型接触层采用体结构生长。

所述的AlN缓冲层厚度为10nm～80nm；

所述的本征GaN层厚度为2.0μm～6.0μm；

所述的n型GaN层厚度为2.0μm～10.0μm；

所述的发光层的周期数为5～15个，单个量子阱层厚度为3nm～6nm，单个量子垒层厚度为5nm～15nm；

所述的低温p型AlGaN电子阻挡层厚度为10nm～100nm；

所述的新型高温p型氮化镓超晶格层，MgGaN/MgN：HTP1周期数为3～10个、长速为0.1nm/s～0.5nm/s、厚度为5nm～25nm，MgGaN/MgN：HTP2周期数为5～15个、长速为0.15nm/s～0.8nm/s、厚度为7.5nm～40nm，AlMgGaN/MgN：HTP3周期数为6～18个、长速为0.2nm/s～1.0nm/s、厚度为20nm～100nm；

所述的p型接触层厚度为5nm～50nm；