CN104868025B - 具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents

具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构及其制备方法，GaN基LED外延结构从下向上依次包括：衬底；氮化物缓冲层；N型GaN层；量子阱层；非对称超晶格层；P型GaN层。其中，非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1‑x‑y)N/GaN超晶格层，不同周期中AlxInyGa(1‑x‑y)N层和GaN层的总厚度不变，AlxInyGa(1‑x‑y)N层的厚度随着周期数逐渐减小，GaN层的厚度随着周期数逐渐增大。本发明中非对称超晶格层减少了对空穴纵向迁移的限制，提高了空穴的注入效率，且厚度递变的AlxInyGa(1‑x‑y)N层还可以阶梯状地逐步帮助空穴横向扩展，提升LED器件的整体发光效率。

Description

具有非对称超晶格层的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器件技术领域，尤其涉及一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构及其制备方法。
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。
尽管高亮度LED芯片已经大规模商业化，其市场占有率也逐年增加。然而，其发光效率会随着注入电流增加显著下降（即droop效应），其物理机制较多，但漏电流效应是其中的一个重要部分。在InGaN/GaN LED中，由于Mg的活化效率低，且空穴有效质量大导致空穴的纵向迁移速度慢，而电子的纵向迁移速度快，很容易越过势垒从InGaN/GaN的有源层逃逸到p型区，形成漏电流。采用AlGaN/GaN超晶格结构，由于AlGaN的带隙高，可有效抑制电子的溢流。然而，其对空穴的活化以及横向扩展能力有阻碍，不利于提升LED的整体发光效率。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构从下向上依次包括：
衬底；
位于衬底上的氮化物缓冲层；
位于氮化物缓冲层上的N型GaN层；
位于N型GaN层上的量子阱层；
位于量子阱层上的非对称超晶格层，所述非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层，一个AlxInyGa(1-x-y)N层和一个GaN层作为一个周期，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的总厚度不变，AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数逐渐减小，GaN层的厚度随着周期数逐渐增大；
位于非对称超晶格层上的P型GaN层。
作为本发明的进一步改进，所述非对称超晶格层包括3~30个周期。
作为本发明的进一步改进，所述非对称超晶格层中所有AlxInyGa(1-x-y)N层的Al组分x和In组分y是固定值，且x、y满足0≤x≤1，0≤y≤1，0≤(x+y)≤1。
作为本发明的进一步改进，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为0.5~19.5nm，GaN层的厚度范围为0.5~19.5nm，一个周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的两层厚度之和为1~20nm。
作为本发明的进一步改进，所述非对称超晶格层中，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数线性减小， 不同周期中GaN层的厚度随着周期数线性增大。
作为本发明的进一步改进，所述非对称超晶格层中的AlxInyGa(1-x-y)N层和/或GaN层为p型掺杂。
作为本发明的进一步改进，所述非对称超晶格层中的AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层均为p型掺杂，掺杂浓度为1E18atom/cm3~1E21 atom/cm3。
作为本发明的进一步改进，所述氮化物缓冲层为GaN缓冲层或AlN缓冲层。
相应地，一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在衬底上生长氮化物缓冲层；
在氮化物缓冲层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长量子阱层；
在量子阱层上生长非对称超晶格层，所述非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层，一个AlxInyGa(1-x-y)N层和一个GaN层作为一个周期，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的总厚度不变，AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数逐渐减小，GaN层的厚度随着周期数逐渐增大；
在非对称超晶格层上生长P型GaN层。
作为本发明的进一步改进，所述非对称超晶格层的生长温度为600℃~1000℃，生长压力为50~900mbar。
本发明的有益效果是：
本发明采用非对称的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层p型结构，可以有效阻挡电子向p型区溢流，减少了电子与空穴产生非辐射复合，减轻了在高电流密度下的发光效率下降的问题，同时减少对空穴纵向迁移的限制，提高了空穴的注入效率，厚度递变的AlxInyGa(1-x-y)N层还可以阶梯状地逐步帮助空穴横向扩展，提升LED器件的整体发光效率。
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GaN基LED外延结构的示意图。
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。
参图1所示，本发明公开了一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构，从下向上依次包括：
衬底10，衬底材料通常为蓝宝石衬底，也可以为其他衬底材料，如Si、SiC等；
位于衬底10上的氮化物缓冲层20，其中氮化物缓冲层为GaN缓冲层或AlN 缓冲层。优选地，GaN缓冲层还可以包括低温条件下生长的低温GaN缓冲层和高温条件下生长的高温GaN缓冲层；
位于氮化物缓冲层20上的N型GaN层30；
位于N型GaN层30上的量子阱层40；
位于量子阱层40上的非对称超晶格层50；
位于非对称超晶格层50上的P型GaN层60。
其中，非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层，一个AlxInyGa(1-x-y)N层51和一个GaN层52作为一个周期，优选地，本发明中超晶格层包括3~30个周期。
不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层51和GaN层52的总厚度不变，AlxInyGa(1-x-y)N层51的厚度随着周期数逐渐减小， GaN层52的厚度随着周期数逐渐增大。如AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为0.5~19.5nm，GaN层的厚度范围为0.5~19.5nm，一个周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的两层厚度之和为1~20nm。
优选地，AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数线性减小，GaN层的厚度随着周期数线性增大，当然，AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层也可以随着周期数非线性减小或增大。
进一步地，本发明非对称超晶格层50中所有AlxInyGa(1-x-y)N层51的Al组分x和In组分y是固定值，且x、y满足0≤x≤1，0≤y≤1，0≤(x+y)≤1。控制x、y的取值，化合物AlxInyGa(1-x-y)N可以为AlInGaN、InGaN、AlGaN、AlInN或GaN。
非对称超晶格层中的AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层为至少有一层为p型掺杂，两层均为p型掺杂时，掺杂浓度可以相同，也可以不同，优选地，掺杂浓度为1E18atom/cm3~1E21atom/cm3。
相应地，本发明还公开一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构的制备方法，具体包括：
提供一衬底10；
在衬底10上生长氮化物缓冲层20；
在氮化物缓冲层20上生长N型GaN层30；
在N型GaN层30上生长量子阱层40；
在量子阱层40上生长非对称超晶格层50，非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层，一个AlxInyGa(1-x-y)N层和一个GaN层作为一个周期，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的总厚度不变，AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数逐渐减小，GaN层的厚度随着周期数逐渐增大；
在非对称超晶格层50上生长P型GaN层60。
其中，本发明中非对称超晶格层的生长温度为600℃~1000℃，生长压力为50~900mbar。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
在本实施方式中，具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构的制备方法具体包括：
1、提供一衬底。
优选地，该衬底为蓝宝石衬底，先在高温低压下热处理10~30分钟，然后降至低温通入NH3，对表面进行氮化处理。
2、在蓝宝石衬底上外延生长GaN缓冲层(或AlN缓冲层)。
本实施方式中GaN 缓冲层包括低温GaN 缓冲层和高温GaN 缓冲层：
首先控制温度在450℃~650℃之间，生长15 nm ~35nm厚的低温GaN缓冲层；
然后控制温度在1000℃~1200℃之间，生长0.5um~4um厚的高温GaN 缓冲层。
3、在GaN 缓冲层上外延生长N型GaN层。
4、在N型GaN层上外延生长量子阱层。
5、在量子阱的上逐层生长非对称AlxInyGa(1-x-y)N/GaN的超晶格层，生长温度为600℃~1000℃，生长压力为50~900mbar。。
本实施方式中，依次生长的Al0.12In0.03Ga0.85N层和GaN层作为一个周期，循环生长10个周期。
Al0.12In0.03Ga0.85N从10nm逐渐减薄至1nm，GaN层从1nm逐渐加厚至10nm，且每个周期中，Al0.12In0.03Ga0.85N层和GaN层的厚度之和保持为11nm。
在Al0.12In0.03Ga0.85N生长过程中，通过调整二茂镁(Mg(C5H5)2)的浓度，使得Mg的掺杂控制在8E19 atom/cm3，GaN层为非故意掺杂。
6、最后，外延生长20~100nm厚的 P型GaN层。
本实施方式中采用Al0.12In0.03Ga0.85N/GaN超晶格结构，减少了对空穴纵向迁移的限制，提高了空穴的注入效率，且厚度递变的Al0.12In0.03Ga0.85N层还可以阶梯状地逐步帮助空穴横向扩展。
现有技术中为对称AlxInyGa(1-x-y)N/GaN的超晶格层，如每个周期中Al0.12In0.03Ga0.85N层和GaN层的厚度均为5.5nm。
本实施方式和现有技术中两种结构采用相同芯片制程，在相同的测试条件下（驱动电流150mA）进行测试，具体数据参下表所示。
由上表可得，本实施方式中非对称超晶格结构的驱动电压（VF1）降低了0.1V(3%)，而LED发光亮度(LOP)提升了7.6mW（5%）。
上述实施方式仅仅为一优选实施方式，在其他实施方式中AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层的周期数、AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层的厚度、AlxInyGa(1-x-y)N中x、y的取值、p型掺杂的种类和浓度等均可以根据需求设置为其他数值或种类，在此不再进一步赘述。
由以上技术方案可以看出，本发明采用非对称的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层p型结构，可以有效阻挡电子向p型区溢流，减少了电子与空穴产生非辐射复合，减轻了在高电流密度下的发光效率下降的问题，同时减少对空穴纵向迁移的限制，提高了空穴的注入效率，厚度递变的AlxInyGa(1-x-y)N层还可以阶梯状地逐步帮助空穴横向扩展，提升LED器件的整体发光效率。
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)

1.一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构从下向上依次包括：
衬底；
位于衬底上的氮化物缓冲层；
位于氮化物缓冲层上的N型GaN层；
位于N型GaN层上的量子阱层；
位于量子阱层上的非对称超晶格层，所述非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层，一个AlxInyGa(1-x-y)N层和一个GaN层作为一个周期，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的总厚度不变，AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数逐渐减小，GaN层的厚度随着周期数逐渐增大；
位于非对称超晶格层上的P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非对称超晶格层包括3~30个周期。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非对称超晶格层中所有AlxInyGa(1-x-y)N层的Al组分x和In组分y是固定值，且x、y满足0≤x≤1，0≤y≤1，0≤(x+y)≤1。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为0.5~19.5nm，GaN层的厚度范围为0.5~19.5nm，一个周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的两层厚度之和为1~20nm。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非对称超晶格层中，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数线性减小， 不同周期中GaN层的厚度随着周期数线性增大。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非对称超晶格层中的AlxInyGa(1-x-y)N层和/或GaN层为p型掺杂。
7.根据权利要求6所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非对称超晶格层中的AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层均为p型掺杂，掺杂浓度为1E18atom/cm3~1E21 atom/cm3。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述氮化物缓冲层为GaN缓冲层或AlN缓冲层。
9.一种具有非对称超晶格层的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在衬底上生长氮化物缓冲层；
在氮化物缓冲层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长量子阱层；
在量子阱层上生长非对称超晶格层，所述非对称超晶格层为若干依次层叠的AlxInyGa(1-x-y)N/GaN超晶格层，一个AlxInyGa(1-x-y)N层和一个GaN层作为一个周期，不同周期中AlxInyGa(1-x-y)N层和GaN层的总厚度不变，AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度随着周期数逐渐减小，GaN层的厚度随着周期数逐渐增大；
在非对称超晶格层上生长P型GaN层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述非对称超晶格层的生长温度为600℃~1000℃，生长压力为50~900mbar。
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