GaN 基LED 外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，特別是涉及一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED，Light Emitting D1de)由于具有壽命長(zhǎng)、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其隨著其照明性能指標(biāo)日益大幅提高，LED在照明領(lǐng)域常用作發(fā)光裝置。其中，以氮化鎵(GaN)為代表的II1-V族化合物半導(dǎo)體，尤其是InGaN/GaN(氮化鎵銦/氮化鎵)基LED由于具有帶隙寬、發(fā)光效率高、電子飽和漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器等光電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。
[0003]然而，由于InGaN/GaN結(jié)構(gòu)存在很大的晶格和熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致量子阱內(nèi)存在極化電場(chǎng)。這種極化電場(chǎng)容易造成了量子阱傾斜，導(dǎo)致量子阱內(nèi)電子和空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，從而使電子和空穴的復(fù)合效率降低。雖然，當(dāng)前InGaN/GaN LEDs的發(fā)光效率已經(jīng)有了顯著地改善，但對(duì)于大功率GaN基LEDs來(lái)說(shuō)，仍然存在著嚴(yán)重的量子效率下降(efficiency droop)問(wèn)題，即在大電流注入的情況下，LEDs的內(nèi)量子效率會(huì)迅速下降。而電子向P端泄漏也是造成效率低的原因之一。
[0004]出現(xiàn)以上問(wèn)題的原因主要是由于InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)的晶格失配導(dǎo)致阱中存在極化電場(chǎng)，該極化電場(chǎng)的存在使量子阱中電子和空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，從而降低了電子空穴的復(fù)合效率。因此，為了降低該內(nèi)建極化電場(chǎng)的負(fù)面效應(yīng)，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用InGaN、ALINGAN等來(lái)降低勢(shì)皇和勢(shì)阱之間的失配；也有人提出將勢(shì)阱中的銦組分漸變來(lái)實(shí)現(xiàn)晶格失配的減小。然后，由于銦原子受熱易從外延材料中揮發(fā)，以上的這些方法很難按設(shè)定的值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷，提出一種可以使電子在各個(gè)發(fā)光阱中分布更加均勻，減小了電子向P端泄漏，以提高量子阱的發(fā)光效率的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中由于發(fā)光阱中電子分布不均勻以及電子向P端泄漏而導(dǎo)致GaN基發(fā)光外延結(jié)構(gòu)發(fā)光效率較低的問(wèn)題。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，所述制備方法包括步驟:
[0008]步驟I)，提供一生長(zhǎng)襯底，于所述生長(zhǎng)襯底上生長(zhǎng)依次層疊的GaN層、AlGaN層及GaN層的非摻雜GaN緩沖層；
[0009]步驟2)，于所述非摻雜GaN緩沖層上依次生長(zhǎng)未摻雜的GaN層以及N型GaN層；
[0010]步驟3)，于所述N型GaN層上生長(zhǎng)InGaN/GaN超晶格量子阱結(jié)構(gòu)；
[0011]步驟4)，于所述InGaN/GaN超晶格量子阱結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)；
[0012]步驟5)，于所述多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)上依次生長(zhǎng)AlGaN層、低溫P型層以及P型電子阻擋層；
[0013]步驟6)，于所述P型電子阻擋層上生長(zhǎng)P型GaN層。
[0014]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)中，所述非摻雜GaN緩沖層的生長(zhǎng)溫度范圍為450?650°C，生長(zhǎng)的總厚度范圍為15?50nm。
[0015]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟I)中，所述非摻雜GaN緩沖層中的GaN層、AlGaN層及GaN層的厚度為全部相同、其中任意兩層相同或全部不相同。
[0016]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟2)中，所述未摻雜的GaN層及N型GaN層生長(zhǎng)溫度范圍為1000?1200°C，總生長(zhǎng)厚度范圍為1.5?4.5um，所述N型GaN層中，Si摻雜濃度范圍為lel8?3el9。
[0017]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，所述InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)溫度范圍為700?900°C。
[0018]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱結(jié)構(gòu)的周期對(duì)數(shù)量范圍為3?30，InGaN勢(shì)阱中In組分的原子比范圍為I?5%，InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為1.0?4.0nm, GaN勢(shì)皇的厚度范圍為1.0?9.0nm0
[0019]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，所述多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)溫度范圍為700?900°C。
[0020]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)中，所述多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)含有的勢(shì)皇勢(shì)阱周期對(duì)數(shù)量范圍為5?18，InGaN勢(shì)阱中In的組分的原子比范圍為15?20%，InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為2.0?4.0nm，GaN勢(shì)皇的厚度范圍為3 ?15nm0
[0021]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟4)生長(zhǎng)InGaN勢(shì)阱包括以下步驟:
[0022]步驟4-1)，打開(kāi)Ga源，生長(zhǎng)InGaN，其中，TMIn的通入量為100-300sccm ；
[0023]步驟4-2)，關(guān)閉Ga源，TMIn的通入量變?yōu)椴襟E4_1)通入量的3_5倍，通入預(yù)設(shè)時(shí)間后關(guān)閉TMIn ；
[0024]步驟4-3)，打開(kāi)Ga源，繼續(xù)生長(zhǎng)InGaN，其中，TMIn的通入量為100-300sccm，生長(zhǎng)完成后InGaN勢(shì)阱的總厚度為2.0?4.0nm0
[0025]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟5)中，所述AlGaN層中Al組分原子比范圍為2?20%，所述AlGaN層的厚度范圍為20?35nm。
[0026]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟5)中，所述P型電子阻擋層包括P型AlGaN、P型AlInGaN及P型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)中的一種，所述P型電子阻擋層的總厚度范圍為30?80nm，所述P型電子阻擋層中Mg摻雜濃度范圍為5el8 ?3.5el90
[0027]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的一種優(yōu)選方案，步驟6)中，所述P型GaN層中Mg摻雜濃度范圍為5el8?le20，所述P型GaN層的厚度范圍為30?150nm。
[0028]本發(fā)明還提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的非摻雜GaN緩沖層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN超晶格量子阱結(jié)構(gòu)、多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)、AlGaN層，低溫P型層、P型電子阻擋層、以及P型GaN層，所述非摻雜GaN緩沖層包括由依次層疊的GaN層、AlGaN層及GaN層組成的三明治結(jié)構(gòu)。
[0029]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述GaN基LED外延結(jié)構(gòu)形成于包括藍(lán)寶石、GaN、硅以及碳化硅之一的生長(zhǎng)襯底上。
[0030]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述非摻雜GaN緩沖層的總厚度范圍為15?50nm。
[0031]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述非摻雜GaN緩沖層中的GaN層、AlGaN層及GaN層的厚度為全部相同、其中任意兩層相同或全部不相同。
[0032]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述未摻雜的GaN層及N型GaN層的總厚度范圍為1.5?4.5um，所述N型GaN層中，Si摻雜濃度范圍為lel8?3el9。
[0033]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述InGaN/GaN超晶格量子阱結(jié)構(gòu)的周期對(duì)數(shù)量范圍為3?30，InGaN勢(shì)阱中In組分的原子比范圍為I?5%，InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為1.0?4.0nm, GaN勢(shì)皇的厚度范圍為1.0?9.0nm0
[0034]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)含有的勢(shì)皇勢(shì)阱周期對(duì)數(shù)量范圍為5?18，InGaN勢(shì)阱中In的組分的原子比范圍為15?20%, InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為2.0?4.0nm, GaN勢(shì)皇的厚度范圍為3?15nm。
[0035]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述AlGaN層中Al組分原子比范圍為2?20%，所述AlGaN層的厚度范圍為20?35nm。
[0036]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述P型電子阻擋層包括P型AlGaN、P型AlInGaN及P型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)中的一種，所述P型電子阻擋層的總厚度范圍為30?80nm，所述P型電子阻擋層中Mg摻雜濃度范圍為5el8?3.5el9。
[0037]作為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述P型GaN層中Mg摻雜濃度范圍為5el8?le20，所述P型GaN層的厚度范圍為30?150nm。
[0038]如上所述，本發(fā)明提供一種GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，所述外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的非摻雜GaN緩沖層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、InGaN/GaN超晶格量子阱結(jié)構(gòu)、多量子阱發(fā)光層結(jié)構(gòu)、AlGaN層，低溫P型層、P型電子阻擋層、以及P型GaN層，所述非摻雜GaN緩沖層包括由依次層疊的GaN層、AlGaN層及GaN層組成的三明治結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出了一種可以提高發(fā)光效率的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，具體為采用包括由GaN層、AlGaN層及GaN層組成的具有三明治結(jié)構(gòu)的非摻雜GaN緩沖層作為緩沖層，該緩沖層通過(guò)使用折射率不同的材料來(lái)改變光散射的方向，從而可以提高出光效率。
【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1顯示為本發(fā)明的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法的步驟流程示意圖。
[0040]圖2a?圖7分別顯示為本