一种改善GaN基LED反向漏电的外延生长方法

摘要

本发明提供一种改善GaN基LED反向漏电的外延生长方法,抑制线型位错的外延结构：在高温u-GaN层4/5厚度处，插入一层50-200nm非掺u-AlGaN外延层；在高温n-GaN层1/3厚度处，插入一层4-8个周期的n-AlGaN/GaN超晶格层；在低掺杂n-GaN层后生长一层2-6nm低掺n-AlGaN层；2）抑制V型缺陷漏电的外延结构：在MQW最后一个垒后生长一层10-50nm非掺AlGaN层；在低温p-GaN和高温p-GaN层中间插入一层50-200nm低掺p-AlGaN层。本发明可以有效降低GaN外延层内线性位错和V型缺陷密度，减少芯片内部的漏电通道，有效改善芯片的反向漏电；使用本发明外延工艺后生产的9*9mil芯片漏电测试平均值Ir=0.0038uA@-8V。

主权项

一种改善GaN基LED反向漏电的外延生长方法,其LED外延结构从下向上的顺序依次包括：蓝宝石衬底、低温成核层、高温GaN缓冲层、高温非掺杂GaN层、非掺杂AlGaN插入层、高温非掺杂GaN层、高温n型GaN层、n型掺杂AlGaN层、高温n型GaN层、高温低掺n型GaN层、低掺n型AlGaN插入层、浅量子阱结构SW、多量子阱发光层结构MQW、非掺AlGaN插入层、低温p型GaN层、p型AlGaN层、高温p型GaN层、p型GaN接触层，其特征在于：其制备方法包括以下具体步骤：（1）将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁所述衬底表面，温度为1050‑1150℃，然后进行氮化处理；（2）将温度下降到500‑620℃，生长25‑40nm厚的低温GaN成核层，生长压力为400‑650Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为500‑3000；（3）所述低温GaN成核层生长结束后，停止通入TMGa，进行原位退火处理，退火温度升高至1000‑1100℃，退火时间为5‑10min；退火之后，将温度调节至900‑1050℃，外延生长厚度为0.2‑1um间的高温GaN缓冲层，生长压力为400‑650Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为500‑3000；（4）所属高温GaN缓冲层生长结束后，先生长一层非掺杂的u‑GaN层，生长厚度在1‑2.5um之间，生长过程温度为1050‑1200℃，生长压力为100‑600Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑3000；在u‑GaN层结束后，生长一层非掺杂u‑AlGaN层，生长厚度为100‑500nm，生长过程温度为1000‑1100℃，生长压力为50‑300Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为20‑200，Al组分浓度为20%‑50%；在生长u‑AlGaN层结束后，再生长一层高温非掺u‑GaN层，生长厚度为0.5‑1.5um，其生长条件和生长u‑GaN层相同；（5）所述高温复合u‑GaN层生长结束后，先生长一层掺杂浓度稳定的n‑GaN层，厚度为0.5‑1.5um，生长温度为1050‑1200℃，生长压力为100‑600Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑3000，Si掺杂浓度为10¹⁷‑10¹⁹cm^‑3；在生长n‑GaN层结束后，生长一层4‑8个周期的n‑AlGaN/GaN超晶格层,生长过程温度为950‑1100℃，生长压力为50‑300Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为20‑200，其中AlGaN层，厚度为5‑15nm，Al组分为20%‑50%，Si组分为1%‑5%，其中GaN层厚度为3‑10nm，Si组分为2%‑6%；在生长n‑AlGaN/GaN超晶格层结束后，再生长一层掺杂浓度稳定的n‑GaN层，厚度为1.5‑3um，生长温度、压力、Ⅴ∕Ⅲ摩尔比条件与n‑GaN层生长条件相同；在n‑GaN层生长结束后，生长一层低掺杂浓度的n‑GaN层，厚度为200‑500nm，Si掺杂浓度为10¹⁵‑10¹⁷cm^‑3，生长温度、压力、Ⅴ∕Ⅲ摩尔比条件与n‑GaN层生长条件相同；低掺n‑GaN层生长结束后，生长一层低掺n‑AlGaN层，厚度为20‑100nm，Al组分为20%‑50%，Si组分为1%‑5%，生长过程温度为950‑1100℃，生长压力为50‑300Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑3000；（6）所述复合n型GaN层生长结束后，生长浅量子阱结构SW，浅量子阱SW由5‑20个周期的In_xGa_1‑XN∕GaN阱垒结构组成，其中浅阱In_xGa_1‑XN（x=0.1‑0.5）层的厚度为2‑5nm，浅垒GaN层厚度为10‑30nm，生长温度为800‑950℃，生长压力为100‑600Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑5000；（7）浅量子阱SW生长结束后，生长多周期量子阱MQW发光层，发光层多量子阱由5‑15个周期的In_yGa_1‑yN∕GaN阱垒结构组成，其中量子阱In_yGa_1‑yN(_y=0.1‑0.3)层的厚度为2‑5nm，生长温度为700‑800℃，压力为100‑500Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑5000；其中垒层GaN的厚度为8‑15nm，生长温度为800‑950℃，生长压力为100‑500Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑5000，垒层GaN进行低浓度Si掺杂，Si组分为0.5%‑3%；在多量子阱MQW的最后一个垒生长结束后，生长一层非掺AlGaN层，厚度为10‑50nm，Al组分为20%‑50%，生长温度为800‑950℃，生长压力为100‑500Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑5000；（8）所述发光层多量子阱生长结束后，以N₂作为载气生长厚度50‑200nm的低温p型GaN层，生长温度为650‑800℃，生长压力为100‑500Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑5000，Mg的摩尔组分为0.3%‑1%；（9）所述低温p型GaN层生长结束后，生长厚度为50‑200nm的p型AlGaN层，生长温度为900‑1100℃，生长时间为3‑10min，生长压力为20‑200Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为1000‑20000，p型AlGaN层的Al的摩尔组分为10%‑30%，Mg的摩尔组分为0.05%‑0.3%；（10）所述p型AlGaN层生长结束后，生长高温p型GaN层，生长厚度为100‑800nm，生长温度为850‑1000℃，生长压力为100‑500Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为300‑5000，Mg掺杂浓度为10¹⁷‑10¹⁸cm^‑3；（11）所述P型GaN层生长结束后，生长厚度为5‑20nm的p型GaN接触层，生长温度为850‑1050℃，生长压力为100‑500Torr，Ⅴ∕Ⅲ摩尔比为1000‑5000；（12）外延生长结束后，将反应室的温度降至650‑800℃，采用纯氮气氛围进行退火处理5‑10min，然后降至室温，结束生长；外延结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续半导体加工工艺制成单颗小尺寸芯片。