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CN105098008A - 一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents

一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构及其制备方法 Download PDF

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修川
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Abstract

本发明涉及半导体发光技术领域，具体涉及一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构及其制备方法；采用的技术方案：包括依次层叠的图形衬底、缓冲层、非掺杂本征GaN层、N型GaN层、多InGaN/GaN量子阱有源层、三元超晶格层和P型GaN层，所述三元超晶格层为生长完多量子阱层后生长由InGaN层、AlGaN层、MgGaN层形成的三元超晶格；本发明有益效果在于：可有效降低量子阱层与后续p型GaN的位错缺陷，提高GaN外延薄膜的晶体质量，可有效提高载流子浓度，提供更好的电子阻挡与扩散，从而降低内阻，提高内量子效率。

Description

一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光技术领域，具体涉及一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构及其制备方法。
背景技术
LED是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的固体发光器件，具有工作寿命长、发光效率高、无污染、重量轻，体积小等优点，发展突飞猛进，现已广泛应用于室内外大屏幕显示、背光显示、照明、装饰、交通信号灯等领域。GaN材料体系是制备蓝、绿、紫以及紫外光LED最成熟的材料。GaN材料的研究始于20世纪30年代，1991年业内有人发现采用低温生长的GaN缓冲层方法也可很大程度上提高GaN外延膜的质量，并利用GaN材料突破性的制备出了高亮度的蓝光LED。目前，GaN基材料外延生长的LED产品尽管取得了很大的进步，并已经广泛应用各个领域，但是依然有以下问题有待解决：
第一、缺乏合适的衬底，晶格失配、热失配等问题仍制约着GaN材料的制备。降低缺陷密度是提高GaN基发光器件性能和寿命的关键。
第二、GaN是一种电阻较高的晶体，在电流流经LED时由于有较大内阻将造成部分电能转化为热能消耗，大大降低了LED的节能性和其使用寿命。
为了降低缺陷密度，提高GaN外延层的晶体质量，有人采用侧向外延过生长技术简称ELOG或ELO外延生长出了高质量的GaN外延薄膜。
为了降低LED内阻很多人做了许多卓有成效的工作，比如在生长完p型GaN后降低温度生长一层掺杂In或In/Si的连接层，以期与芯片工艺相匹配，以此来降低电阻。
现有的方法在一定程度上可以提高晶体质量，降低电阻，但仍有较大进步空间。
发明内容
本发明为了解决上述现有的技术缺点，提供一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构及其制备方法，其可以有效地提高GaN的晶体质量，同时降低LED内阻提高内量子效率，提高LED寿命的。
为实现上述目的，本发明提供一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构，包括依次层叠的图形衬底、缓冲层、非掺杂本征GaN层、N型GaN层、多InGaN/GaN量子阱有源层、三元超晶格层和P型GaN层，所述三元超晶格层为生长完多量子阱层后生长由InGaN层、AlGaN层、MgGaN层形成的三元超晶格。
优选的，所述三元超晶格中的InGaN层厚度为：5-20埃；所述三元超晶格中的AlGaN层厚度为：5-20埃；三元超晶格中的MgGaN层厚度为：5-20埃。
优选的，所述三元超晶格中的InGaN掺杂浓度为：5*1018-5*1019cm-3；所述三元超晶格中的AlGaN掺杂浓度为：5*1015-5*1017cm-3；所述三元超晶格中的MgGaN掺杂浓度为：5*1018-5*1019cm-3。
进一步的，所述三元超晶格中一个InGaN层、一个AlGaN层及一个MgGaN层构成一个周期对，所述三元超晶格包括5-20个周期对。
在本发明中，一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将蓝宝石图形衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中，加热至1000～1200℃对蓝宝石衬底进行5-15min的热处理；
步骤(2)、将温度降低至500-600℃后在蓝宝石衬底上生长20-50nm厚的缓冲层；
步骤(3)、将温度升至1000-1100℃在缓冲层上生长100-300nm厚的成核层；
步骤(4)、将温度升至1050-1150℃在成核层上生长约2um厚的非掺杂本征GaN；
步骤(5)、在非掺杂本征GaN层上生长约2um厚的掺Si的N型GaN；
步骤(6)、降温至800-900℃生长为60-120nm厚的掺Si的N型GaN；
步骤(7)、在掺Si的N型GaN上生长不掺杂的多InGaN/GaN量子阱有源层；
步骤(8)、将温度升至880-980℃后在多InGaN/GaN量子阱有源层上依次生长单层厚度为5-20埃的InGaN层、AlGaN层、MgGaN层三种掺杂晶体的超晶格；
步骤(9)、将温度升到900-1000℃后在三元超晶格层上生长100-200nm厚的掺Mg的P型GaN层；
步骤(10)、最后生长出5-10nm厚的P-GaN接触层。
进一步的，所述在多InGaN/GaN量子阱有源层中所述一个InGaN有源层和所述一个GaN有源层构成一个周期对，所述多InGaN/GaN量子阱有源层包括8个所述周期对。
本发明具有以下有益效果：本发明专利中多量子阱层生长结束后生长5～20层由InGaN，AlGaN，MgGaN三种掺杂晶体组成的超晶格，其可有效降低量子阱层与后续p型GaN的位错缺陷，提高GaN外延薄膜的晶体质量，可有效提高载流子浓度，提供更好的电子阻挡与扩散，从而降低内阻，提高内量子效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构剖面结构示意图；
图2为本发明三元超晶格层剖面结构示意图；
图3为本发明多InGaN/GaN量子阱有源层剖面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1、图2及图3所示，本发明提供一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构，包括依次层叠的图形衬底1、缓冲层2、非掺杂本征GaN层3、N型GaN层4、多InGaN/GaN量子阱有源层5、三元超晶格层6和P型GaN层7，所述三元超晶格层为生长完多量子阱层后生长由InGaN层61、AlGaN层62、MgGaN层63形成的三元超晶格。由InGaN层、AlGaN层、MgGaN层三种掺杂晶体组成的超晶格，其可有效降低量子阱层与后续P型GaN的位错缺陷，提高GaN外延薄膜的晶体质量，可有效提高载流子浓度，提供更好的电子阻挡与扩散，从而降低内阻，提高内量子效率。
作为本发明具体的实施方式，所述三元超晶格中的InGaN层厚度为：5-20埃；所述三元超晶格中的AlGaN层厚度为：5-20埃；三元超晶格中的MgGaN层厚度为：5-20埃；所述三元超晶格中的InGaN掺杂浓度为：5*1018-5*1019cm-3；所述三元超晶格中的AlGaN掺杂浓度为：5*1015-5*1017cm-3；所述三元超晶格中的MgGaN掺杂浓度为：5*1018-5*1019cm-3；所述三元超晶格中一个InGaN层、一个AlGaN层及一个MgGaN层构成一个周期对，所述三元超晶格包括5-20个周期对。
在本发明中，一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)、将蓝宝石图形衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中，加热至1000～1200℃对蓝宝石衬底进行5-15min的热处理；MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organicChemicalVaporDePosition)的英文缩写。MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术.它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。
步骤(2)、将温度降低至500-600℃后在蓝宝石衬底上生长20-50nm厚的缓冲层；
步骤(3)、将温度升至1000-1100℃在缓冲层上生长100-300nm厚的成核层；
步骤(4)、将温度升至1050-1150℃在成核层上生长约2um厚的非掺杂本征GaN；
步骤(5)、在非掺杂本征GaN层上生长约2um厚的掺Si的N型GaN；
步骤(6)、降温至800-900℃生长为60-120nm厚的掺Si的N型GaN；
步骤(7)、在掺Si的N型GaN上生长不掺杂的多InGaN/GaN量子阱有源层；所述在多InGaN/GaN量子阱有源层中所述一个InGaN有源层51和所述一个GaN有源层52构成一个周期对，所述多InGaN/GaN量子阱有源层包括8个所述周期对。
步骤(8)、将温度升至880-980℃后在多InGaN/GaN量子阱有源层上依次生长单层厚度为5-20埃的InGaN层、AlGaN层、MgGaN层三种掺杂晶体的超晶格；
步骤(9)、将温度升到900-1000℃后在三元超晶格层上生长100-200nm厚的掺Mg的P型GaN层；
步骤(10)、最后生长出5-10nm厚的P-GaN接触层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构，其特征在于：包括依次层叠的图形衬底、缓冲层、非掺杂本征GaN层、N型GaN层、多InGaN/GaN量子阱有源层、三元超晶格层和P型GaN层，所述三元超晶格层为生长完多量子阱层后生长由InGaN层、AlGaN层、MgGaN层形成的三元超晶格。
2.根据权利要求1所述一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述三元超晶格中的InGaN层厚度为：5-20埃；所述三元超晶格中的AlGaN层厚度为：5-20埃；三元超晶格中的MgGaN层厚度为：5-20埃。
3.根据权利要求1所述一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述三元超晶格中的InGaN掺杂浓度为：5*1018-5*1019cm-3；所述三元超晶格中的AlGaN掺杂浓度为：5*1015-5*1017cm-3；所述三元超晶格中的MgGaN掺杂浓度为：5*1018-5*1019cm-3。
4.根据权利要求1所述一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构，其特征在于：所述三元超晶格中一个InGaN层、一个AlGaN层及一个MgGaN层构成一个周期对，所述三元超晶格包括5-20个周期对。
5.一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)、将蓝宝石图形衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中，加热至1000～1200℃对蓝宝石衬底进行5-15min的热处理；
步骤(2)、将温度降低至500-600℃后在蓝宝石衬底上生长20-50nm厚的缓冲层；
步骤(3)、将温度升至1000-1100℃在缓冲层上生长100-300nm厚的成核层；
步骤(4)、将温度升至1050-1150℃在成核层上生长约2um厚的非掺杂本征GaN；
步骤(5)、在非掺杂本征GaN层上生长约2um厚的掺Si的N型GaN；
步骤(6)、降温至800-900℃生长为60-120nm厚的掺Si的N型GaN；
步骤(7)、在掺Si的N型GaN上生长不掺杂的多InGaN/GaN量子阱有源层；
步骤(8)、将温度升至880-980℃后在多InGaN/GaN量子阱有源层上依次生长单层厚度为5-20埃的InGaN层、AlGaN层、MgGaN层三种掺杂晶体的超晶格；
步骤(9)、将温度升到900-1000℃后在三元超晶格层上生长100-200nm厚的掺Mg的P型GaN层；
步骤(10)、最后生长出5-10nm厚的P-GaN接触层。
6.根据权利要求5所述的一种含三元超晶格的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述在多InGaN/GaN量子阱有源层中所述一个InGaN有源层和所述一个GaN有源层构成一个周期对，所述多InGaN/GaN量子阱有源层包括8个所述周期对。
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