CN105140366B - GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，包括：提供生长衬底，在生长衬底上生长缓冲层；在缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；在N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；在InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构的过程中通入H2，生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量；在InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。通过控制InGaN/GaN多量子阱发光层结构生长过程中的H2流量，即能改善晶体质量，又不会对InGaN势阱材料造成腐蚀破坏，降低了量子阱结构中的晶体缺陷，从而降低了InGaN/GaN多量子阱发光层结构中有源区电子与空穴的非辐射性复合效率。

Description

GaN基LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体发光领域，特别是涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，已被广泛应用于各个领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体，尤其是InGaN/GaN(氮化镓铟/氮化镓)基LED由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
由于InGaN材料本身在高温下容易分解，因而InGaN/GaN量子阱结构通常使用较低的温度来生长，通常量子阱结构中InGaN势阱的生长温度在750℃左右，同时GaN势垒的温度也不能太高，温度太高就会破坏已经形成的势阱。然而，在较低的温度下很难形成晶体质量较好的GaN材料，从而导致InGaN/GaN量子阱结构容易产生缺陷，增加了非辐射性复合效率。为了保护InGaN势阱，在势阱生长结束后，会先生长一层薄的低温GaN保护层，然后再生长GaN势垒层；即使这样，GaN势垒的温度也不能过高，通常它与InGaN势阱的温度差保持在110℃左右，即GaN势垒的温度在860℃左右；但在860℃左右的温度条件下，GaN势垒的质量仍然不能达到最佳。
而H2在一定程度上可以改善晶体的结晶质量，例如，在InGaN/GaN量子阱结构生长过程中通H2可以提高GaN的晶体质量，但过量的H2通入同时会使InGaN势阱遭到腐蚀。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，用于解决现有技术中由于InGaN材料在高温下容易分解，而导致的后续生长GaN的温度达不到所需的温度，生长的GaN材料晶体质量较差，进而使得InGaN/GaN量子阱结构容易产生缺陷，增加了非辐射性复合效率的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；生长所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的同时向生长环境中通入H2，其中，生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量；
在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述缓冲层为GaN缓冲层、AlN缓冲层或AlGaN缓冲层；所述缓冲层的厚度为10nm～50nm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述未掺杂的GaN层及N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃，总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数为3～30；InGaN势阱中In组分的摩尔组分为1％～5％；InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，GaN势垒的厚度为1nm～9nm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，生长所述InGaN势阱的过程中通入的H2的流量为5sccm～50sccm；生长所述GaN势垒过程中通入的H2的流量为5slm～50slm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的周期对数为5～18；InGaN势阱中In组分的摩尔组分为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN层、P型AlInGaN层或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、P型电子阻挡层及P型GaN层。
如上所述，本发明的GaN基LED外延结构及其制备方法，具有以下有益效果：在生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构的同时向生长环境中通入H2，可以改善生长晶体的结晶质量；且生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量，即能达到改善InGaN/GaN多量子阱发光层结构的晶体质量的效果，又不会对InGaN材料造成腐蚀破坏，降低了InGaN/GaN多量子阱发光层结构中的晶体缺陷，从而降低了InGaN/GaN多量子阱发光层结构中有源区电子与空穴的非辐射性复合效率，提升了InGaN/GaN多量子阱发光层结构的内量子效率。
附图说明
图1显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法的流程图。
图2显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S1步骤呈现的结构示意图。
图3显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S2步骤呈现的结构示意图。
图4显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S3步骤呈现的结构示意图。
图5显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S4步骤呈现的结构示意图。
图6显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S5步骤呈现的结构示意图。
图7显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S6步骤呈现的结构示意图。
元件标号说明
1 生长衬底
2 缓冲层
3 未掺杂的GaN层
4 N型GaN层
5 InGaN/GaN超晶格量子阱结构
6 InGaN/GaN多量子阱发光层结构
7 P型电子阻挡层
8 P型GaN层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括一下步骤：
S1：提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；
S2：在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；
S3：在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
S4：在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；生长所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的同时向生长环境中通入H2，其中，生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量；
S5：在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；
S6：在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
在步骤S1中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供生长衬底1，在所述生长衬底1上生长缓冲层2。
作为示例，所述生长衬底1可以为但不仅限于适合GaN及其半导体外延材料生长的蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为示例，所述缓冲层2可以为GaN缓冲层、AlN缓冲层或AlGaN缓冲层；所述缓冲层2的厚度为10nm～50nm。
在步骤S2中，请参阅图1中的S2步骤及图3，在所述缓冲层2上依次生长未掺杂的GaN层3及N型GaN层4。
作为示例，所述未掺杂的GaN层3及N型GaN层4的生长温度为1000℃～1200℃，总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层4内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
在步骤S3中，请参阅图1中的S3步骤及图4，在所述N型GaN层4上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构5。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5包括3～30个所述周期对。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为1nm～9nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔组分为1％～5％。
在步骤S4中，请参阅图1中的S4步骤及图5，在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构6；生长所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的同时向生长环境中通入H2，其中，生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6包括5～18个所述周期对。
作为示例，生长所述InGaN势阱的过程中通入的H2的流量为5sccm～50sccm(sccm：standard cubic centimeter per minute，标准状态下毫升每分钟)；生长所述GaN势垒过程中通入的H2的流量为5slm～50slm(slm：standard litre per minute，标准状态下升每分钟)。在生长所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的同时向生长环境中通入H2，可以改善生长GaN晶体的结晶质量；且生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量为5sccm～50sccm，远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量5slm～50slm，即能达到改善所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的GaN晶体质量的效果，又不会对InGaN材料造成腐蚀破坏，降低了所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6中的晶体缺陷，从而降低了所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6中有源区电子与空穴的非辐射性复合效率，提升了所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的内量子效率。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为3nm～15nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔组分为15％～20％。
在步骤S5中，请参阅图1中的S5步骤及图6，在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6上生长P型电子阻挡层7。
作为示例，所述P型电子阻挡层7可以为但不仅限于P型AlGaN层、P型AlInGaN层或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层7的生长温度为900℃～950℃；所述P型电子阻挡层7的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层7中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
在步骤S6中，请参阅图1中的S6步骤及图7，在所述P型电子阻挡层7上生长P型GaN层8。
作为示例，所述P型GaN层8的生长温度为950℃～1000℃；所述P型GaN层8的厚度为30nm～150nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-1～1e20cm-1。
请继续参阅图7，本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、InGaN/GaN超晶格量子阱结构5、InGaN/GaN多量子阱发光层结构6、P型电子阻挡层7及P型GaN层8。
作为示例，所述缓冲层2可以为GaN缓冲层、AlN缓冲层或AlGaN缓冲层；所述缓冲层2的厚度为10nm～50nm。
作为示例，所述未掺杂的GaN层3及N型GaN层4的总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层4内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5包括3～30个所述周期对。
作为示例，所述InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为1nm～9nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔组分为1％～5％。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6包括5～18个所述周期对。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6在H2氛围下生成，其中，生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量。具体的，生长所述InGaN势阱的过程中通入的H2的流量为5sccm～50sccm；生长所述GaN势垒过程中通入的H2的流量为5slm～50slm。
作为示例，所述InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为3nm～15nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔组分为15％～20％。
作为示例，所述P型电子阻挡层7可以为但不仅限于P型AlGaN层、P型AlInGaN层或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层7的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层7中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
作为示例，所述P型GaN层8的厚度为30nm～150nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-1～1e20cm-1。
综上所述，本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，在生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构的同时向生长环境中通入H2，可以改善生长晶体的结晶质量；且生长InGaN势阱的过程中通入的H2的流量远小于生长GaN势垒过程中通入的H2的流量，即能达到改善InGaN/GaN多量子阱发光层结构的晶体质量的效果，又不会对InGaN材料造成腐蚀破坏，降低了InGaN/GaN多量子阱发光层结构中的晶体缺陷，从而降低了InGaN/GaN多量子阱发光层结构中有源区电子与空穴的非辐射性复合效率，提升了InGaN/GaN多量子阱发光层结构的内量子效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；生长所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的同时向生长环境中通入H2，其中，生长所述InGaN势阱的过程中通入的H2的流量为5sccm～50sccm；生长所述GaN势垒过程中通入的H2的流量为5slm～50slm；
在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述缓冲层为GaN缓冲层、AlN缓冲层或AlGaN缓冲层；所述缓冲层的厚度为10nm～50nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述未掺杂的GaN层及N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃，总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数为3～30；InGaN势阱中In组分的摩尔组分为1％～5％；InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，GaN势垒的厚度为1nm～9nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的周期对数为5～18；InGaN势阱中In组分的摩尔组分为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型电子阻挡层为P型AlGaN层、P型AlInGaN层或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
9.一种由权利要求1至8中任一项所述GaN基LED外延结构的制备方法制得的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、P型电子阻挡层及P型GaN层。
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