一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(Light-emitting d1de，LED)中，GaN的P型摻雜相對(duì)困難，導(dǎo)致P型摻雜濃度遠(yuǎn)低于N型摻雜濃度。同時(shí)，空穴的有效質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的有效質(zhì)量，導(dǎo)致空穴的迀移率遠(yuǎn)小于電子的迀移率。這兩方面因素使得空穴向多量子阱區(qū)域的注入率遠(yuǎn)小于電子的注入率，造成了電子與空穴注入的不匹配，造成了 LED的發(fā)光效率受限制以及大電流下發(fā)光效率衰減的問題。增強(qiáng)空穴的注入，對(duì)提升LED的發(fā)光性能具有十分重要的意義。
[0003]增強(qiáng)空穴注入有兩類方法。第一種方法是改進(jìn)GaN材料P型摻雜的技術(shù)，在摻雜劑、雜質(zhì)激活工藝等技術(shù)細(xì)節(jié)上實(shí)施改進(jìn)。盡管有許多研究者對(duì)GaN材料的P型摻雜技術(shù)進(jìn)行了研究，但是未見有突破性進(jìn)展的報(bào)道。目前通用的摻雜技術(shù)仍是Mg作為摻雜元素，通過熱退火工藝進(jìn)行雜質(zhì)激活。第二種方法是對(duì)LED外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過改變能帶結(jié)構(gòu)來控制LED內(nèi)載流子的輸運(yùn)過程，在施加電壓下將更多的空穴引導(dǎo)注入到多量子阱區(qū)域中。第二種方法更具有可操作性，并且對(duì)LED性能的提升效果十分明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種增強(qiáng)空穴注入的氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。
[0005]為解決上述問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，自下至上依次包括:襯底、形核層、緩沖層、N型GaN層、多量子阱有源區(qū)、電子阻擋層、P型III族氮化物疊層；
[0007]所述P型111族氮化物疊層由P型GaN層和P型InxGa^xN層依次交替層疊而成，其中，x = 0.01-0.3o
[0008]作為優(yōu)選，所述P型GaN層和/或P型InxGa1-XN層的厚度為20_1000nm。
[0009]作為優(yōu)選，所述襯底為藍(lán)寶石、S1、SiC、GaN、Zn0、LiGa02、LaSrAlTa06、Al和Cu中的一種。
[0010]作為優(yōu)選，所述多量子阱有源區(qū)由y個(gè)多量子阱勢(shì)皇層和y-ι個(gè)多量子阱勢(shì)阱層依次交替層疊而成，所述y為大于2的整數(shù)。
[0011]作為優(yōu)選，所述多量子阱勢(shì)皇層的材料為GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN中的一種。
[0012]作為優(yōu)選，所述多量子阱勢(shì)阱層的材料為InGaN。
[0013]作為優(yōu)選，所述電子阻擋層的材料為AlGaN、InAlN或AlInGaN。
[0014]上述氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟如下:
[0015]I)在襯底上依次生長形核層、緩沖層、N型GaN層、多量子阱有源區(qū)、電子阻擋層；
[0016]2)在電子阻擋層上依次交替生長P型GaN層和P型InxGapxN層，χ = 0.(Π-0.3，得到P型III族氮化物疊層；
[0017]其中，所述P型GaN層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在900-1100°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆?，在所述的電子阻擋層或P型InxGahN層上生長P型GaN層，摻雜濃度為 3-9 X 1017cm—3;
[0018]其中，所述P型InxGa1-xN層的生長方法如下:反應(yīng)室溫度保持900-1100°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆?，在上述P型GaN層上生長P型InxGa1IN層，摻雜濃度為 3-9 X 1017cm—3 0
[0019]作為優(yōu)選，步驟2)中，在電子阻擋層上依次交替生長P型GaN層和P型In0.2Ga0.sN層，
[0020]其中，所述P型GaN層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在950°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆?，在所述的電子阻擋層上生長P型GaN層，厚度為20-40nm，摻雜濃度為5XlO17Cnf3;
[0021]其中，所述P型In0.2Ga0.8N層的生長方法如下:反應(yīng)室溫度控制在950°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，在上述P型GaN層上生長P型In0.2Ga0.8N層，厚度為150-200nm，摻雜濃度為 5 X 1017cm—3。
[0022]作為優(yōu)選，步驟I)中，具體操作步驟如下:
[0023]a)襯底處理:將(0001)晶向藍(lán)寶石襯底放入MOCVD設(shè)備中，反應(yīng)室溫度升高到1000-1300°C，通入氫氣，對(duì)襯底進(jìn)行高溫烘烤；
[0024]b)生長形核層:將反應(yīng)室溫度控制在400_700°C，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在襯底上生長GaN形核層，形核層厚度< Inm;
[0025]c)生長緩沖層:將反應(yīng)室溫度控制在400_700°C，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在形核層上生長緩沖層，緩沖層厚度為100-300nm;
[0026 ] d)生長N型GaN層:將反應(yīng)室溫度控制在1000_1500°C，通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在緩沖層上生長N型GaN層，厚度為2-4μπι，摻雜濃度為3_9 X 118Cnf3;
[0027]e)生長多量子阱有源區(qū):在N型GaN層上依次層疊生長多量子阱勢(shì)皇層和多量子阱勢(shì)阱層;該多量子阱有源區(qū)最下層和最上層均為多量子阱勢(shì)皇層；
[0028]其中，多量子阱勢(shì)皇層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在800_900°C，通入氨氣、氮?dú)夂腿谆?，在N型GaN層或多量子阱勢(shì)阱層上生長多量子阱勢(shì)皇層，厚度為12-18nm；
[0029]其中，多量子阱勢(shì)阱層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在700_780°C，通入氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆煟贕aN多量子阱勢(shì)皇層上生長多量子阱勢(shì)阱層，厚度為2-4nm；
[0030]f)生長電子阻擋層:將反應(yīng)室溫度控制在900_1100°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)狻⑷谆壓腿谆X，在多量子阱有源區(qū)上生長電子阻擋層，厚度為80-200nm，摻雜濃度3-9XlO17Cnf30
[0031]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于:
[0032]I)本發(fā)明通過P型GaN與InGaN交替的氮化物疊層，疊層A與疊層B相互接觸構(gòu)成了異質(zhì)結(jié)，在兩個(gè)疊層的界面處會(huì)形成價(jià)帶上的低勢(shì)皇區(qū)域，從而產(chǎn)生空穴聚集的效果；
[0033]2)本發(fā)明提供的氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)LED在同等電流條件下的電壓基本一致，說明P型III族氮化物疊層的引入不會(huì)對(duì)LED的導(dǎo)電性帶來消極影響。
[0034]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0035]圖1為實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖1中，各附圖標(biāo)記:1、襯底；2、形核層;3、緩沖層;4、N型GaN層;5、多量子阱有源區(qū)；51、多量子阱勢(shì)皇層;52、多量子阱勢(shì)阱層;6、電子阻擋層;7、P型III族氮化物疊層;71、P型 GaN 層；72、卩型 InxGapxN 層；
[0037]圖2為對(duì)比例I的能帶圖；
[0038]圖3為實(shí)施例1的能帶圖；
[0039]圖4為對(duì)比例I的空穴濃度圖；
[0040]圖5為實(shí)施例1的空穴濃度圖；
[0041 ]圖6為實(shí)施例1和對(duì)比例I的電流-電壓曲線對(duì)比圖；
[0042]圖7為實(shí)施例1和對(duì)比例I的光功率-電流曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明中，如未特殊說明，所記載的“上”、“下”等方位指示詞應(yīng)該理解為對(duì)附圖的方位指示。
[0044]本發(fā)明提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，如圖1所示，自下至上依次包括:襯底1、形核層2、緩沖層3、N型GaN層4、多量子阱有源區(qū)5、電子阻擋層6和P型III族氮化物疊層7;
[0045]所述P型111族氮化物疊層由P型GaN層和P型InxGapxN層依次交替層疊而成，其中，x = 0.01-0.3o
[0046]本發(fā)明中，具體地，如圖1所示，所述P型GaN層層疊于電子阻擋層或P型InxGaiiN層上，所述P型InxGai—xN層層疊于P型GaN層上;卩型III族氮化物疊層在P型GaN層與P型InxGapxN層之間形成GaN/InGaN異質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)處的價(jià)帶產(chǎn)生一個(gè)低勢(shì)皇區(qū)域，引發(fā)空穴聚集的效果O
[0047]所述多量子阱有源區(qū)由y個(gè)多量子阱勢(shì)皇層51和y-Ι個(gè)多量子阱勢(shì)阱層52依次層疊而成，其中，多量子阱勢(shì)皇層層疊于N型GaN層上或多量子阱勢(shì)阱層上，多量子阱勢(shì)阱層疊于多量子阱勢(shì)皇層上；
[0048]所述電子阻擋層層疊于多量子阱有源區(qū)的N型GaN層上。
[0049]制備氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，包括以下步驟:
[0050]I)在襯底上依次生長形核層、緩沖層、N型GaN層、多量子阱有源區(qū)和電子阻擋層；[0051 ] 2)在電子阻擋層上依次交替生長P型GaN層和P型InxGai—xN層，x = 0.01-0.3，得到P型III族氮化物疊層；
[0052]其中，所述P型GaN層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在900-1100°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)夂腿谆?，在所述的電子阻擋層或P型InxGahN層上生長P型GaN層，摻雜濃度為3-9 X 117Ciif3; 8卩P型III族氮化物疊層以P型GaN層起始；
[0053]其中，所述P型InxGa1-xN層的生長方法如下:反應(yīng)室溫度保持900-1100°C，通入二茂鎂、氨氣、氮?dú)?、三甲基鎵和三甲基銦，在上述P型GaN層上生長P型InxGa1IN層，摻雜濃度為 3-9 X 1017cm—3 0
[0054]實(shí)施例1
[0055]如圖1所示，一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，自下至上依次包括:襯底1、形核層2、緩沖層3、N型GaN層4、多量子阱有源區(qū)5、電子阻擋層6和P型III族氮化物疊層7;
[0056]所述P型III族氮化物疊層由P型GaN層和P型In0.2Ga0.sN層依次交替層疊而成。
[0057]制備上述氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0058]I)襯底I處理:將(0001)晶向藍(lán)寶石襯底放入MOCVD設(shè)備中，反應(yīng)室溫度升高到1050°C，通入氫氣，對(duì)襯底進(jìn)行高溫烘烤；
[0059]2)生長形核層2:將反應(yīng)室溫度控制在530°C，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在襯底上生長GaN形核層，形核層厚度為Inm;
[0060]3)生長緩沖層3:將反應(yīng)室溫度控制在530°C，通入氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟
2)所述的形核層上生長緩沖層，緩沖層厚度為200nm;
[0061]4)生長N型GaN層:通入硅烷、氨氣、氫氣和三甲基鎵，在步驟3)得到的緩沖層3上生長N型GaN層，厚度為3μπι，摻雜濃度為5 X 1018cm"3 ；
[0062]5)生長多量子阱有源區(qū):在步驟4)得到的N型GaN層上依次層疊生長11個(gè)多量子阱勢(shì)皇層和10個(gè)多量子阱勢(shì)阱層;該多量子阱有源區(qū)最下層和最上層均為多量子阱勢(shì)皇層；
[0063]其中，多量子阱勢(shì)皇層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在810°C，通入氨氣、氮?dú)夂腿谆?，在步驟4)得到的N型GaN層或多量子阱勢(shì)阱層上生長多量子阱勢(shì)皇層，厚度為I2nm；
[0064]其中，多量子阱勢(shì)阱層的生長方法如下:將反應(yīng)室溫度控制在7