一种LED外延结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种LED外延结构及其制备方法，自下而上依次包括：衬底；GaN成核层；若干对AlGaN/n-GaN交替堆叠结构组成的超晶格缓冲层；n-GaN层；MQW发光层；p-GaN层以及p型接触层；其特征在于：定义Al（n）代表第n对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中Al组分值，N（n）代表第n对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中n型杂质浓度值，Al（n）的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降，N（n）的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降。本发明专利技术提供的LED外延片结构，可有效在底层生长段充分释放由于蓝宝石衬底和GaN晶格不匹配造成的晶格失配导致的晶格应力，从而大大降低外延片在整个高温生长过程中的翘曲，提升外延片波长集中性及良率，同时有效提升GaN晶格质量，减少晶格位错密度，使器件光电特性更为稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种LED发光二极管外延(Epitaxy)结构及其制备方法。
技术介绍
目前，商业化LED外延片垒晶多采用MOCVD方式制成。由于缺乏与GaN晶格匹配的衬底，GaN基LED外延片多是采用异质外延的方式在其他材料的衬底上垒晶而成。常用异质外延衬底为蓝宝石(A1203)、碳化 硅(SiC)等；由于GaN与衬底之间的晶格失配及热膨胀系数差异均很大，无法直接生长高质量的GaN外延结构。如附图说明图1所示，现有常规的GaN基LED外延结构一般采用两步生长法，以蓝宝石衬底为例，先在低温环境下(400°C 700°C)生长一层底层GaN成核层，该层由于在低温下生长，未能形成二维层状生长，但可形成GaN成核晶种，为下一步形成高质量的二维层状生长奠定成核条件；其次升高温度至1000°C以上，配合以适当的生长速率及五三比，即可形成较高质量的GaN层结构；最后，在此较高质量的未掺杂的GaN结构层上，继续垒晶生长出n-GaN层，MQW有源层及p_GaN层，形成完整的GaN基LED外延结构。尽管上述两步生长法可以规避由于衬底与GaN晶格失配及热失配差异很大从而造成的GaN结晶质量不高、翘曲应力大的问题，已经取得不错效果，且被广泛应用于商业化规模生产中，但采用该垒晶方式仍然存在一些问题。比如，低温GaN成核层和高温非掺杂GaN缓冲层生长后，其表面平整度只能达到几十个nm级的相对高度差，代表其GaN结晶性仍未有更高质量的改善，这点在高功率器件制作上，表现尤为明显，受制于底层GaN结晶性质量无法进一步提高一个等级，在其上垒晶而成的n-GaN层，MQff有源层及p_GaN层，薄膜电阻无法得到进一步降低。在大尺寸芯片应用例中，如在芯片尺寸为45mil*45mil大功率器件应用上，当通入350mA电流时，由于整个外延结构中薄膜电阻的串联累加贡献，通常其工作电压Vf—般在3.1V或以上，不仅大大降低了光电转换效率，且增加了非辐射复合比例，造成功率器件产生更多热能，从而降低功率器件使用寿命。另一方面，为了降低LED生产成本，现有商业化生产越来越多地引入更大尺寸的外延垒晶及芯片制程技术，如从现有2英寸衬底及外延片向4英寸及6英寸的衬底及外延片发展，从而提高单位时间产出，大幅降低生产成本。更大尺寸的衬底及外延片，由于晶格不匹配及热膨胀系数不匹配，会造成更大的翘曲及晶格应力，无法形成在原有的2英寸小尺寸外延片上实现的较好的二维层状生长结构，导致GaN底层结晶性较低，表面粗糙度大，生长完全结构后，电性良率偏低，工作电压Vf较容易偏大，且波长良率低，最终无法实现更大尺寸外延片(如4英寸及以上)规模化量产。针对上述问题，专利号为201110451083.2的中国专利技术专利，提出一种介于高温非惨杂GaN缓冲层及N型GaN层之间的插入层，该插入层为AlxGa1-JiN层或InyAlhyN层或由AlxGapxN层和InyAlpyN层叠置组成，其中0.l〈x〈l.0，0〈y〈0.25，可以提高电子在N型GaN层的横向运动，实现更高的载流子注入效率，有效降低薄膜电阻，从而降低工作电压Vf，但无法同时更为有效地释放晶格失配及热失配造成的翘曲及晶格应力。
技术实现思路
针对所述的现有LED外延生长技术中的不足，本专利技术提出一种采用Al组分呈抛物线性渐变的AlGaN超晶格底层缓冲层的LED外延结构及其制备方法，其自下而上依次包括:提供一衬底；在所述衬底上垒晶而成的GaN成核层；在所述GaN成核层上垒晶而成的由若干对AlGaN/n-GaN结构层组成的超晶格缓冲层；在所述AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层上垒晶而成的η-GaN层；在所述N型GaN层上垒晶而成的MQW发光层；在所述MQW发光层上垒晶而成的P-GaN层以及在所述p-GaN层上鱼晶而成的P型接触层；定义Al (/ )代表第/ 对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中Al组分值，N (/ )代表第/ 对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中η型杂质浓度值，Al (/ )的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降，# (/ )的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降。上述由若干对AlGaN/n-GaN结构层组成的超晶格缓冲层是具有将AlGaN中Al组分按抛物线性渐变后形成的具有不同Al组分配比组成的AlGaN层和掺杂有η型杂质的η-GaN层制成的超晶格配对层层交替堆叠而形成的超晶格缓冲层。进一步地，根据本专利技术，优选的是:所述Al (/ )和#(/ )的变化趋势满足关系式:A1 (/ ) =Yn^kl (/7-1), N in) =Yn^N其中，1 遵循抛物线性方程 η =-α(η-^ψ.)2为固定常数，#代表超晶格缓冲层的总对数，/7代表第η对超晶格缓冲层，I </ 彡见O <a彡18。进一步地，根据本专利技术，优选的是:定义每组晶格缓冲层对由若干对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对组成，Al O )代表第》组AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中Al组分值，N( )代表第 组AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中η型杂质浓度值，Al ( )和# ( )的变化趋势满足关系式:A1 Cm) =Ym^kl On-D，N Cm) 二YnMi 0 _1)，其中，Ym遵循抛物线性方程权利要求1.一种LED外延结构，自下而上依次包括:衬底；GaN成核层；若干对AlGaN/n_GaN交替堆叠结构组成的超晶格缓冲层；n-GaN层；MQW发光层；p_GaN层以及p型接触层；其特征在于:定义Al (η)代表第η对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中Al组分值，# (η)代表第/ 对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中η型杂质浓度值，Al (η )的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降，# (η)的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降。2.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于:所述Al(/ )和# (/ )的变化趋势满足关系式:Al (n) =Fn^Al (n) =Fn^N (/ _1 )，其中，ft 遵循抛物线性方程Yn =-a(n-^f +a(M+^ ,a为固定常数，#代表超晶格缓冲层的总对数，代表第η对超晶格缓冲层，3.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于:定义每组晶格缓冲层对由若干对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对组成，Al O )代表第m组AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中Al组分值，# O )代表第》组AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层对中η型杂质浓度值，Al O )和yV (ffi)的变化趋势满足关系式:Al On) 二Ym耸Ki二Ym蝴( _1 )，其中，1 遵循抛物线性方程4.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于:所述AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层的对数为3 40对。5.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于:所述衬底为蓝宝石(A1203)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)或氮化铝(AlN)。6.根据权利要求1所述的一种LED外延结构,其特征在于:所述每对AlGaN/n-GaN超晶格缓冲层中η-GaN层中η型掺杂杂质为Si元素，p-GaN层中p型掺杂杂质为Mg元素。7.根据权利要求1所述的一种LED外延本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED外延结构，自下而上依次包括：衬底；GaN成核层；若干对AlGaN/n?GaN交替堆叠结构组成的超晶格缓冲层；n?GaN层；MQW发光层；p?GaN层以及?p型接触层；其特征在于：定义Al（n）代表第n对AlGaN/n?GaN超晶格缓冲层对中Al组分值，N（n）代表第n对AlGaN/n?GaN超晶格缓冲层对中n型杂质浓度值，Al（n）的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降，N（n）的变化趋势是先逐渐上升再逐渐下降。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：南琦，谢祥彬，乔楠，张文燕，周宏敏，李兰，程伟，徐志军，吴洪浩，
申请(专利权)人：安徽三安光电有限公司，
类型：发明
国别省市：