CN104600163A - 一种有p型超晶格的led外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种有P型超晶格的LED外延结构及其制备方法。该LED外延结构由下至上包括：衬底，成核层，缓冲层，n型GaN层，多量子阱发光层，第一P型GaN层，P型AlInN/GaN超晶格，第二P型GaN层；所述P型AlInN/GaN超晶格是由AlInN势阱层和GaN势垒层周期性交替重叠构成。本发明采用AlInN/GaN超晶格结构，可显著提高空穴浓度，有效阻挡电子的同时有利于空穴的扩展，且该结构晶格失配小，生长后晶体质量高。使用上述含AlInN/GaN超晶格的P型结构的GaN基LED可以显著提高器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子领域，涉及一种有P型超晶格的LED外延结构及其制备方法。
背景技术
氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。发光二极管（LED）具有体积小、效率高和寿命长的优点，在全色显示、背光源、信号灯等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。
P型掺杂是制造GaN LED器件必不可少的重要环节，由于Mg的钝化效应(passivation)，用MOCVD技术生长p型GaN时，受主Mg原子在生长过程中被H（氢原子）严重钝化，从而导致未经处理的GaN:Mg电阻率高达10Ω·m，所以必须在生长后对Mg进行激活(Activation)，才能得到可应用于器件的P型GaN。现有技术提高Mg原子在氮化镓中的激活效率的方法是：高温生长p-GaN，然后在氮气气氛下退火。为了获得性能良好的P型GaN材料，1989年，H.Amano利用低能电子束辐射(IEEBI)处理掺Mg的GaN，得到了低阻的P型GaN，取得了P型领域的重大突破；此后，有利用快速热退火法(Rapid Thermal Annealing)成功获得P型GaN的报道，但是得到的空穴浓度仍然较低，典型值为2×1017cm-3，比理论掺杂浓度低2-3个数量级。
为了提高P型空穴浓度，中国专利文献CN103050592A公开的一种具有P型超晶格的LED外延结构及其制备方法，该P型外延结构是在P型AlGaN电子阻挡层与第二P型GaN层之间设置由P型InGaN势阱层及P型AlGaN势垒层周期性交叠构成的P型超晶格。但是，该外延结构的生长存在很大困难，由于InGaN和AlGaN之间的晶格失配使其较难达到P型GaN所需要的厚度和周期个数，使用该文献的生长方法很容易导致外延层晶体质量恶化。
专利文献CN102637796A提供了一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片及其制备方法，通过P型AlGaN层中Al的掺杂量有规律的改变，改变P型AlGaN层的能带分布，减弱P型AlGaN层的价带对空穴注入时的阻挡作用，所形成的能带具有多个势阱，这些势阱能带有利于空穴的注入，但是不利于对电子的限制。
专利文献CN1133217C公开的“半导体面发光器件及增强横向电流扩展的方法”，该专利在半导体面发光器件的n区或p区设计超晶格结构来制造多层二维电子气或者二维空穴气，从而提高LED结构的发光效率。该专利可有效的提高LED中的载流子浓度，但是其提到的AlGaN/GaN超晶格晶格失配较大，导致其Al组分不能太高，减弱了对载流子的限制作用，同时也恶化了晶体质量。因此，如何提高P层的空穴浓度、同时避免晶格失配成为P型GaN生长的关键。
CN101694858A提供一种LED外延结构，其特征是，自下而上包括：衬底层、缓冲层、不掺杂的氮化物层、n型氮化物层、发光层、插入层、p型氮化物层；所述插入层由不掺杂的AlxInyGa1-x-yN层和p型AlxInyGa1-x-yN层交替构成；其中，0≤x＜0.3，0≤y＜0.4，x+y≤0.5。本发明在LED外延结构的发光层和P型氮化镓层之间增加一插入层，这可以有效提高LED外延结构的ESD防护性能（ESD良率达到90%以上），但是，插入该超晶格结构，容易造成空穴滞留，导致空穴较难进入量子阱发光区，降低了发光效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种有P型超晶格的LED外延结构及其制备方法，该结构能束缚空穴、提升亮度并且晶格失配小，成功解决现有技术中P型AlGaN层对空穴的阻挡造成发光效率低以及P型区超晶格结构晶格失配大造成外延片断裂的难题。
术语说明：
1、LED：发光二极管的简称。
2、LD：激光器的简称。
本发明的技术方案如下：
一种有P型超晶格的LED外延结构，由下至上依次包括衬底，成核层，缓冲层，n型GaN层，多量子阱发光层，第一P型GaN层，P型AlInN/GaN超晶格，第二P型GaN层；其中，
所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一，
所述缓冲层为非掺杂GaN层，
所述多量子阱发光层是由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成；
所述P型AlInN/GaN超晶格是由AlInN势阱层和GaN势垒层周期性交替重叠构成。
根据本发明优选的，所述多量子阱发光层5-16个周期。
根据本发明优选的，所述P型AlInN/GaN超晶格的AlInN势阱层和GaN势垒层周期为5-20。
根据本发明优选的，AlInN/GaN超晶格中In组分掺杂量为15-25at%,各层In的掺杂量保持一致。
根据本发明优选的，所述P型AlInN/GaN超晶格中，单个周期的所述AlInN势阱层的厚度为2-6nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为2-16nm，且每个周期AlInN和GaN超晶格的厚度为4-20nm。
本发明上述的具有P型超晶格的LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
（1）将蓝宝石或碳化硅衬底放入金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1150℃，处理5-15分钟。
（2）在处理过的蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层。
（3）在上述成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层、n型GaN层以及多量子阱发光层。
（4）在上述多量子阱发光层上生长P型结构，包括第一P型GaN层、P型AlInN/GaN超晶格、第二P型GaN层。所述P型AlInN/GaN超晶格为AlInN势阱层和GaN势垒层周期性交互重叠构成的P型超晶格。
根据本发明，优选的上述步骤（2）中，氮化镓缓冲层生长温度450-650℃，厚度10-50nm；氮化铝和铝镓氮缓冲层，生长温度800-1150℃，厚度50-200nm。
根据本发明，优选的上述步骤（3）中，非掺杂氮化镓层生长温度为1000-1100℃，厚度为1-2μm；n型GaN层生长温度为1000-1105℃，厚度为2-2.5μm。多量子阱发光层的厚度为50-360nm，由5-16个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-20nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为5-26nm。
根据本发明，优选的上述步骤（4）中，第一P型层和第二P型层生长温度均为850-1100℃。第一P型GaN层的厚度为55-65nm，第二P型GaN层厚度为60-100nm。
根据本发明，优选的上述步骤（4）中，AlInN/GaN超晶格层生长温度为750-850℃，生长压力为100-800torr。生长过程中，反应室气氛为氮氢混合气，其中，氢气所占的比例为5%-15%体积比。AlInN/GaN超晶格中In组分掺杂量为15-25at%。
根据本发明，优选的上述步骤（4）中，AlInN势阱层和GaN势垒层周期为5-20，单个周期的所述AlInN势阱层的厚度为2-6nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为2-16nm，且每个周期AlInN和GaN超晶格的厚度为4-20nm。本发明上述的P型超晶格结构或所述的P型超晶格结构的LED外延结构，用于制备氮化镓基发光二极管，即用于GaN基LED。
根据本发明，所述的各个生长层均为金属有机物化学气相沉积（MOCVD）外延生长层。
本发明在LED外延层的P型区加入P型AlInN/GaN超晶格，该P型超晶格的AlInN和GaN之间存在的自发极化电场可以显著提高空穴浓度。同时还发现，AlInN层的高势垒特性，不仅可以有效阻止电子外溢至P型区，还可以有效阻挡空穴逃逸、提高空穴横向扩展。
本发明的优良效果：
1、本发明使用AlInN/GaN超晶格结构的P型，AlInN和GaN之间存在的自发极化电场可以显著的提高空穴浓度。
2、高势垒的AlInN层将阻挡N层传播的电子，防止电子外溢至P层；有效束缚空穴、提高空穴的横向扩展、阻碍空穴的逃逸、阻挡电子外溢。这些势阱能带有利于空穴的注入，但是不消弱对电子的限制。
3、本发明AlInN/GaN超晶格结构的P型的引入，相比于其他P型超晶格，比如AlGaN(InGaN)/GaN，其晶格失配小，可以显著提高晶体质量。
附图说明
图1是本发明的具有P型超晶格结构的氮化物发光二极管示意图。
图1中，1、衬底，2、成核层，3、非掺杂氮化镓层（缓冲层），4、N型氮化镓，5、多量子阱发光层，6、第一P型GaN层，7、P型AlInN/GaN超晶格层，8、第二P型GaN层。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1、一种有P型超晶格的LED外延结构及其制备方法。
结构参见图1，以用金属有机物化学气相沉积法在碳化硅衬底上制备P型超晶格结构为例，包括以下步骤：
（1）碳化硅衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1050℃，处理15分钟。
（2）在碳化硅衬底1上生长氮化铝成核层2，生长温度为1000℃，厚度150nm，生长压力为50torr。
（3）在氮化铝成核层2上生长非掺杂氮化镓层（缓冲层）3，生长温度为1100℃，生长厚度为2μm，生长速率为2μm/h。
（4）在氮化镓缓冲层3上生长N型氮化镓4，硅掺杂浓度为4×1018/cm-3，厚度为2μm；生长温度约为900℃。
（5）在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为800℃，由12个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期InGaN势阱层的厚度为3nm，单个周期GaN势垒层的厚度为15nm。
（6）在多量子阱结构5上生长第一P型GaN层6，生长温度为1000℃，反应室压力为220torr，厚度为60nm，镁掺杂浓度为7.89×1019/cm-3。
（7）在第一P型GaN层6上生长AlInN/GaN超晶格P型结构7，AlInN和GaN的厚度分别为3nm、4nm，重复周期数为15，镁掺杂浓度为2×1020/cm-3。生长温度约750℃，反应室压力700torr。生长过程中，反应室气氛为氮氢混合气，其中，氢气所占的体积比为6%。AlInN/GaN超晶格中In组分掺杂量为16at%。
（8）在P型AlInN/GaN超晶格7上生长第二P型GaN结构8，生长温度为1000℃，反应室压力为220torr，厚度为100nm，镁掺杂浓度为5.8×1019/cm-3。
该发光二极管发光效率相比传统发光二极管提高了约23%。
实施例2.
结构参见图1，以用金属有机物化学气相沉积法在蓝宝石衬底上制备P型超晶格结构为例，包括以下步骤：
（1）蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000℃，处理12分钟。
（2）在蓝宝石衬底1上生长铝镓氮成核层2，生长温度为900℃，厚度120nm，生长压力为70mbar。
（3）在铝镓氮成核层2上生长非掺杂氮化镓层（缓冲层）3，生长温度为1100℃，生长厚度为2μm，生长速率为2μm/h。
（4）在氮化镓缓冲层3上生长N型氮化镓4，硅掺杂浓度为4×1018/cm-3，厚度为2μm。生长温度约为900℃。
（5）在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，多量子阱生长周期为15；InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；总厚度240nm，单个周期InGaN势阱层的厚度为3nm，单个周期GaN势垒层的厚度为13nm。
（6）在多量子阱结构5上生长第一P型GaN结构6，生长温度为900℃，反应室压力为200torr，厚度为55nm，镁掺杂浓度为9×1019/cm-3。
（7）在第一P型GaN结构6上生长AlInN/GaN超晶格P型结构7，重复周期数为8，单层AlInN、GaN厚度分别为4nm和12nm，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3；生长温度约800℃，反应室压力700torr。生长过程中，反应室气氛为氮氢混合气，其中，氢气所占的体积比为10%。AlInN/GaN超晶格中In组分掺杂量为20at%。
（8）在P型AlInN/GaN超晶格7上生长第二P型GaN结构8，生长温度为900℃，反应室压力为200torr，厚度为100nm，镁掺杂浓度为9×1019/cm-3。
该发光二极管发光效率相比传统发光二极管提高了约31%。
实施例3.
结构参见图1，以蓝宝石衬底上制备含P型超晶格的氮化镓基发光二极管为例，包括以下步骤：
（1）蓝宝石衬底1放入金属有机物化学气相沉积炉（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000℃，处理20分钟。
（2）在蓝宝石衬底1上生长氮化镓成核层2。生长温度为600℃，厚度50nm。生长压力为300mbar。
（3）在氮化镓成核层2上生长非掺杂氮化镓层3，生长温度为1050℃，生长厚度为1.5μm，生长速率为3μm/h。
（4）在氮化镓缓冲层3上生长N型氮化镓4，硅掺杂浓度为3×1018/cm-3，厚度为2.5μm。生长温度约为1000℃。
（5）在N型氮化镓4上生长多量子阱结构5，其中，阱层为铟镓氮材料，垒层为氮化镓材料，生长温度为750℃，由10个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；总厚度200nm，单个周期InGaN势阱层的厚度为4nm，单个周期GaN势垒层的厚度为16nm。
（6）在多量子阱结构5上生长第一P型GaN结构6，生长温度为950℃，反应室压力为200torr，厚度为60nm，镁掺杂浓度为5×1019/cm-3。
（7）在第一P型氮化镓层6上生长P型AlInN/GaN超晶格结构7，重复周期数为20，总厚度为200nm，AlInN与GaN厚度相同，镁掺杂浓度为1×1020/cm-3。生长温度约800℃，反应室压力750torr。生长过程中，反应室气氛为氮氢混合气，其中，氢气所占的体积比为5%。AlInN/GaN超晶格中In组分掺杂量为13at%。
（8）在P型AlInN/GaN超晶格7上生长第二P型GaN结构8，生长温度为950℃，反应室压力为200torr，厚度为80nm，镁掺杂浓度为5×1019/cm-3。
该发光二极管发光效率相比传统发光二极管提高了约25%。
Claims (10)
1.一种有P型超晶格的LED外延结构，由下至上依次包括衬底，成核层，缓冲层，n型GaN层，多量子阱发光层，第一P型GaN层，P型AlInN/GaN超晶格，第二P型GaN层；其中，
所述成核层是氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层之一，
所述缓冲层为非掺杂GaN层，
所述多量子阱发光层是由InGaN势阱层和GaN势垒层周期性交替叠加构成；
所述P型AlInN/GaN超晶格是由AlInN势阱层和GaN势垒层周期性交替重叠构成。
2.根据权利要求1所述的一种P型超晶格结构的LED外延结构，其特征在于，所述P型AlInN/GaN超晶格周期数为5-20。
3.根据权利要求1所述的一种P型超晶格结构的LED外延结构，其特征在于，AlInN/GaN超晶格中In组分为15-25at%。
4.根据权利要求1所述的一种P型超晶格结构的LED外延结构，其特征在于，所述P型AlInN/GaN超晶格中，单个周期的所述AlInN势阱层的厚度为2-6nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为2-16nm，且每个周期AlInN和GaN超晶格的厚度为4-20nm。
5.一种权利要求1-4任一项所述的P型超晶格的LED外延结构的制作方法，包括以下步骤：
（1）将蓝宝石或碳化硅衬底放入金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备的反应室中，在氢气气氛下加热到1000-1150℃，处理5-15分钟；
（2）在处理过的蓝宝石或碳化硅衬底上生长氮化镓、氮化铝或者铝镓氮成核层；
（3）在上述成核层上生长非掺杂氮化镓缓冲层、n型GaN层以及多量子阱发光层；
（4）在上述多量子阱发光层上生长P型结构，包括第一P型GaN层、P型AlInN/GaN超晶格、第二P型GaN层。所述P型AlInN/GaN超晶格为AlInN势阱层和GaN势垒层周期性交互重叠构成的P型超晶格。
6.如权利要求5所述的P型超晶格结构的LED外延结构的制作方法，其特征在于步骤（2）中，氮化镓缓冲层生长温度450-650℃，厚度10-50nm；氮化铝和铝镓氮缓冲层，生长温度800-1150℃，厚度50-200nm。
7.如权利要求5所述的P型超晶格结构的LED外延结构的制作方法，其特征在于步骤（3）中，非掺杂氮化镓层生长温度为1000-1100℃，厚度为1-2μm；n型GaN层生长温度为1000-1105℃，厚度为2-2.5μm；多量子阱发光层的厚度为50-360nm，由5-16个周期的InGaN势阱层和GaN势垒层交互叠加构成；单个周期的所述InGaN势阱层的厚度为2-20nm，单个周期的所述GaN势垒层的厚度为5-26nm。
8.如权利要求5所述的P型超晶格结构的LED外延结构的制作方法，其特征在于步骤（4）中，第一P型层和第二P型层生长温度均为850-1100℃；第一P型GaN层的厚度为55-65nm，第二P型GaN层厚度为60-100nm。
9.如权利要求5所述的P型超晶格结构的LED外延结构的制作方法，其特征在于步骤（4）中，AlInN/GaN超晶格层生长温度为750-850℃，生长压力为100-800torr；生长过程中，反应室气氛为氮氢混合气，其中，氢气所占的提及比为5%-15%；AlInN/GaN超晶格中In组分为15-25at%。
10.权利要求1-4任一项所述的P型超晶格的LED外延结构，用于制备氮化镓基发光二极管，提高器件的发光效率。
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