CN104393129A - Led芯片的外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片的外延结构及其生长方法，其中，所述外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层、接触层，其特征在于，所述量子阱层包括势阱层和GaN势垒层，所述势阱层包括InxGa(1-x)N层、以及形成于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层。本发明在通过在InxGa(1-x)N层中插入AlxGa(1-x)N层，便于量子阱结构在生长的过程中，应力的互补和释放，从而提高晶体的质量和发光效率，提高LED芯片的亮度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种LED芯片的外延结构及其生长方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
GaN作为第三代半导体材料代表之一，具有直接带隙、宽禁带、高饱和电子漂移速度、高击穿电场和高热导率等优异性能，在微电子应用方面得到了广泛的关注。但是GaN在生长过程中，由于晶格的失配，会影响到晶体的质量，从而降低了量子阱的发光效率，造成LED芯片亮度的下降。
因此，针对上述技术问题，有必要提供进一步的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LED芯片的外延结构及其生长方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
本发明的LED芯片的外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层、接触层，所述量子阱层包括势阱层和GaN势垒层，所述势阱层包括InxGa(1-x)N层、以及形成于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层。
作为本发明的LED芯片的外延结构的改进，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为0.1-1.0nm。
作为本发明的LED芯片的外延结构的改进，所述AlxGa(1-x)N层中，x取值介于0和1之间。
作为本发明的LED芯片的外延结构的改进，所述InxGa(1-x)N层中，x取值介于0和1之间。
作为本发明的LED芯片的外延结构的改进，所述P型GaN层包括低温P型GaN层和高温P型GaN层。
作为本发明的LED芯片的外延结构的改进，所述量子阱层和低温P型GaN层之间还形成有InAlGaN/AlGaN超晶格电流阻挡层。
相应地，本发明还提供一种LED芯片的外延结构的生长方法，其包括如下步骤：
S1.提供衬底；
S2.在衬底上外延生长GaN缓冲层；
S3.在GaN缓冲层上外延生长GaN非掺杂层；
S4.在GaN非掺杂层上外延生长N型GaN层；
S5.在N型GaN层上外延生长量子阱层,所述势阱层包括生长的InxGa(1-x)N层、以及生长于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层；
S6.在量子阱层上外延生长P型GaN层；
S7.在P型GaN层上外延生长接触层。
作为本发明的LED芯片的外延结构的生长方法的改进，所述步骤S5中，形成的AlxGa(1-x)N层的厚度为0.1-1.0nm。
作为本发明的LED芯片的外延结构的生长方法的改进，所述步骤S5中，所述AlxGa(1-x)N层的x的取值介于0和1之间。
作为本发明的LED芯片的外延结构的生长方法的改进，所述步骤S5中，所述InxGa(1-x)N层的x的取值介于0和1之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过插入AlxGa(1-x)N层，便于量子阱结构在生长的过程中，应力的互补和释放，从而提高晶体的质量和发光效率，提高LED芯片的亮度；
通过控制Al组分和AlxGa(1-x)N插入层的厚度，可以调整量子阱层中的能带结构，从而达到精确调整控制量子阱的应力，减小极化效应影响的目的；
通过控制AlxGa(1-x)N层在量子阱层中的不同位置，可以最大程度提高电子和空穴波函数的重叠概率；
通过控制AlxGa(1-x)N层在量子阱层中的不同位置，可以更好的适用不同宽度的量子阱，从而可以适应各种电流密度的芯片，有效提升内量子效率。
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中记载的一些实施例，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为本发明的LED芯片的外延结构一具体实施方式的平面示意图；
图2为本发明的LED芯片的外延结构的生长方法的一具体实施方式的方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。
本发明公开了一种LED芯片的外延结构，所述外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层、接触层，所述量子阱层包括势阱层和GaN势垒层，所述势阱层包括InxGa(1-x)N层、以及形成于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层。
优选地，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为0.1-1.0nm，其中，x取值介于0和1之间。
基于相同的技术构思，本发明还公开了一种LED芯片的外延结构的生长方法，该方法包括如下步骤：
S1.提供衬底；
S2.在衬底上外延生长GaN缓冲层；
S3.在GaN缓冲层上外延生长GaN非掺杂层；
S4.在GaN非掺杂层上外延生长N型GaN层；
S5.在N型GaN层上外延生长量子阱层,所述势阱层包括生长的InxGa(1-x)N层、以及生长于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层；
S6.在量子阱层上外延生长P型GaN层；
S7.在P型GaN层上外延生长接触层。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的LED芯片的外延结构依次包括：衬底10、GaN缓冲层20、GaN非掺杂层30、N型GaN层40、量子阱层50、P型GaN层60、接触层70。
其中，衬底10可以为蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO等，优选地，该衬底10为蓝宝石衬底。
GaN缓冲层20可被设置为一层或多层，优选地，该GaN缓冲层20为低温GaN缓冲层，此时，GaN非掺杂层30位于低温GaN缓冲层20上，N型GaN层40位于GaN非掺杂层30上。
量子阱层50具体包括势阱层51和GaN势垒层52，其中，势阱层51不仅包括InxGa(1-x)N层511，还包括形成于所述InxGa(1-x)N层511中的AlxGa(1-x)N层512。从而，AlxGa(1-x)N层512两侧为InxGa(1-x)N层511，形成一三明治结构。其中，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为0.1-1.0nm，所述AlxGa(1-x)N层中，x取值介于0和1之间。优选地，x介于0.5％-10％之间。所述InxGa(1-x)N层中，x取值介于0和1之间。
上述在InxGa(1-x)N层511中插入AlxGa(1-x)N层512的目的在于，使量子阱在生长过程中，可使应力互补，从而更好的释放应力。同时，在插入AlxGa(1-x)N层过程中，通过控制Al组分和AlxGa(1-x)N插入层的厚度，可以调整量子阱层中的能带结构，从而达到精确调整控制量子阱的应力，减小极化效应影响的目的。此外，通过控制AlxGa(1-x)N层在量子阱层中的不同位置，不仅可以最大程度提高电子和空穴波函数的重叠概率；还可以更好的适用不同宽度的量子阱，从而适应各种电流密度的芯片，可以有效提升内量子效率。
接触层70生长于P型GaN层60上，进一步地，本实施方式中，P型GaN层60包括低温P型GaN层和高温P型GaN层。此外，在量子阱层和低温P型GaN层之间还形成有InAlGaN/AlGaN超晶格电流阻挡层。
如图2所示，相应地，本发明还介绍了一种LED芯片的外延结构的生长方法，该方法包括如下步骤：
S1.提供衬底。
其中，提供的衬底优选为蓝宝石衬底。
S2.在衬底上外延生长GaN缓冲层。
其中，在520℃温度下，在衬底上外延生长20-30nm厚度的GaN缓冲层。
S3.在GaN缓冲层上外延生长GaN非掺杂层。
S4.在GaN非掺杂层上外延生长N型GaN层。
S5.在N型GaN层上外延生长量子阱层,所述势阱层包括生长的InxGa(1-x)N层、以及生长于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层。
其中，在外延生长量子阱层过程中，通过对Al组分的含量、以及AlxGa(1-x)N层的插入位置进行控制，可以获得具有不同结构特性的量子阱层。上述形成的AlxGa(1-x)N层的厚度范围为0.1-1.0nm，AlxGa(1-x)N层的x的取值介于0和1之间，优选地，x介于0.5％-10％之间。InxGa(1-x)N层中x的取值介于0和1之间。本实施方式中，量子阱层的生长温度控制在740-760℃。
S6.在量子阱层上外延生长P型GaN层。
其中，P型GaN层包括：低温P型GaN层和高温P型GaN层。此外，在生长P型GaN层之前，步骤S6还包括在量子阱层上外延生长电流阻挡层，具体地，该电流阻挡层为InAlGaN/AlGaN超晶格电流阻挡层。然后，在电流阻挡层上再依次生长上述低温P型GaN层和高温P型GaN层。
S7.在P型GaN层上外延生长接触层。
本生长方法中，可以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga源、Al源、In源和N源进行外延生长。在其他实施方式中，也可以根据需要采用其他Ga源等进行生长。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
通过插入AlxGa(1-x)N层，便于量子阱结构在生长的过程中，应力的互补和释放；
通过控制Al组分和AlxGa(1-x)N插入层的厚度，可以调整量子阱层中的能带结构，从而达到精确调整控制量子阱的应力，减小极化效应影响的目的；
通过控制AlxGa(1-x)N层在量子阱层中的不同位置，可以最大程度提高电子和空穴波函数的重叠概率；
通过控制AlxGa(1-x)N层在量子阱层中的不同位置，可以更好的适用不同宽度的量子阱，从而可以适应各种电流密度的芯片，有效提升内量子效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种LED芯片的外延结构，所述外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、GaN非掺杂层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层、接触层，其特征在于，所述量子阱层包括势阱层和GaN势垒层，所述势阱层包括InxGa(1-x)N层、以及形成于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层。
2.根据权利要求1所述的LED芯片的外延结构，其特征在于，所述AlxGa(1-x)N层的厚度为0.1-1.0nm。
3.根据权利要求1所述的LED芯片的外延结构，其特征在于，所述AlxGa(1-x)N层中，x取值介于0和1之间。
4.根据权利要求1所述的LED芯片的外延结构，其特征在于，所述InxGa(1-x)N层中，x取值介于0和1之间。
5.根据权利要求1所述的LED芯片的外延结构，其特征在于，所述P型GaN层包括低温P型GaN层和高温P型GaN层。
6.根据权利要求5所述的LED芯片的外延结构，其特征在于，所述量子阱层和低温P型GaN层之间还形成有InAlGaN/AlGaN超晶格电流阻挡层。
7.一种LED芯片的外延结构的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括如下步骤：
S1.提供衬底；
S2.在衬底上外延生长GaN缓冲层；
S3.在GaN缓冲层上外延生长GaN非掺杂层；
S4.在GaN非掺杂层上外延生长N型GaN层；
S5.在N型GaN层上外延生长量子阱层,所述势阱层包括生长的InxGa(1-x)N层、以及生长于所述InxGa(1-x)N层中的AlxGa(1-x)N层；
S6.在量子阱层上外延生长P型GaN层；
S7.在P型GaN层上外延生长接触层。
8.根据权利要求7所述的LED芯片的外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤S5中，形成的AlxGa(1-x)N层的厚度为0.1-1.0nm。
9.根据权利要求7所述的LED芯片的外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述AlxGa(1-x)N层的x的取值介于0和1之间。
10.根据权利要求7所述的LED芯片的外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述InxGa(1-x)N层的x的取值介于0和1之间。
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