CN105576098A - 一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法，该外延结构自下至上依次包括：衬底、形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层、P型III族氮化物叠层；所述P型III族氮化物叠层由P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层依次交替层叠而成，x＝0.01-0.3。本发明的P型III族氮化物叠层在LED的P型区域的能带中引入异质结，在价带处构建一个低势垒的尖锥状突起，能够聚集空穴，从而增强空穴向多量子阱有源区的注入，使得量子阱内空穴浓度提升，有利于显著提高LED的发光功率。同时，P型III族氮化物叠层的引入不会对LED的导电性能带来负面影响。

Description

一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法。

背景技术

在氮化镓(GaN)基发光二极管(Light-emittingdiode，LED)中，GaN的P型掺杂相对困难，导致P型掺杂浓度远低于N型掺杂浓度。同时，空穴的有效质量远大于电子的有效质量，导致空穴的迁移率远小于电子的迁移率。这两方面因素使得空穴向多量子阱区域的注入率远小于电子的注入率，造成了电子与空穴注入的不匹配，造成了LED的发光效率受限制以及大电流下发光效率衰减的问题。增强空穴的注入，对提升LED的发光性能具有十分重要的意义。

增强空穴注入有两类方法。第一种方法是改进GaN材料P型掺杂的技术，在掺杂剂、杂质激活工艺等技术细节上实施改进。尽管有许多研究者对GaN材料的P型掺杂技术进行了研究，但是未见有突破性进展的报道。目前通用的掺杂技术仍是Mg作为掺杂元素，通过热退火工艺进行杂质激活。第二种方法是对LED外延结构进行设计，通过改变能带结构来控制LED内载流子的输运过程，在施加电压下将更多的空穴引导注入到多量子阱区域中。第二种方法更具有可操作性，并且对LED性能的提升效果十分明显。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增强空穴注入的氮化镓基发光二极管外延结构。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种氮化镓基发光二极管外延结构，自下至上依次包括：衬底、形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层、P型III族氮化物叠层；

所述P型III族氮化物叠层由P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层依次交替层叠而成，其中，x＝0.01-0.3。

作为优选，所述P型GaN层和/或P型In_xGa_1-xN层的厚度为20-1000nm。

作为优选，所述衬底为蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO、LiGaO₂、LaSrAlTaO₆、Al和Cu中的一种。

作为优选，所述多量子阱有源区由y个多量子阱势垒层和y-1个多量子阱势阱层依次交替层叠而成，所述y为大于2的整数。

作为优选，所述多量子阱势垒层的材料为GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN中的一种。

作为优选，所述多量子阱势阱层的材料为InGaN。

作为优选，所述电子阻挡层的材料为AlGaN、InAlN或AlInGaN。

上述氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，包括步骤如下：

1)在衬底上依次生长形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层；

2)在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层，x＝0.01-0.3，得到P型III族氮化物叠层；

其中，所述P型GaN层的生长方法如下：将反应室温度控制在900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层或P型In_xGa_1-xN层上生长P型GaN层，掺杂浓度为3-9×10¹⁷cm^-3；

其中，所述P型In_xGa_1-xN层的生长方法如下：反应室温度保持900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In_xGa_1-xN层，掺杂浓度为3-9×10¹⁷cm^-3。

作为优选，步骤2)中，在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型In_0.2Ga_0.8N层，

其中，所述P型GaN层的生长方法如下：将反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层上生长P型GaN层，厚度为20-40nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

其中，所述P型In_0.2Ga_0.8N层的生长方法如下：反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In_0.2Ga_0.8N层，厚度为150-200nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

作为优选，步骤1)中，具体操作步骤如下：

a)衬底处理：将(0001)晶向蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，反应室温度升高到1000-1300℃，通入氢气，对衬底进行高温烘烤；

b)生长形核层：将反应室温度控制在400-700℃，通入氨气、氢气和三甲基镓，在衬底上生长GaN形核层，形核层厚度≤1nm；

c)生长缓冲层：将反应室温度控制在400-700℃，通入氨气、氢气和三甲基镓，在形核层上生长缓冲层，缓冲层厚度为100-300nm；

d)生长N型GaN层：将反应室温度控制在1000-1500℃，通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在缓冲层上生长N型GaN层，厚度为2-4μm，掺杂浓度为3-9×10¹⁸cm^-3；

e)生长多量子阱有源区：在N型GaN层上依次层叠生长多量子阱势垒层和多量子阱势阱层；该多量子阱有源区最下层和最上层均为多量子阱势垒层；

其中，多量子阱势垒层的生长方法如下：将反应室温度控制在800-900℃，通入氨气、氮气和三甲基镓，在N型GaN层或多量子阱势阱层上生长多量子阱势垒层，厚度为12-18nm；

其中，多量子阱势阱层的生长方法如下：将反应室温度控制在700-780℃，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在GaN多量子阱势垒层上生长多量子阱势阱层，厚度为2-4nm；

f)生长电子阻挡层：将反应室温度控制在900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，在多量子阱有源区上生长电子阻挡层，厚度为80-200nm，掺杂浓度3-9×10¹⁷cm^-3。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1)本发明通过p型GaN与InGaN交替的氮化物叠层，叠层A与叠层B相互接触构成了异质结，在两个叠层的界面处会形成价带上的低势垒区域，从而产生空穴聚集的效果；

2)本发明提供的氮化镓基发光二极管外延结构，与传统LED在同等电流条件下的电压基本一致，说明P型III族氮化物叠层的引入不会对LED的导电性带来消极影响。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图1中，各附图标记：1、衬底；2、形核层；3、缓冲层；4、N型GaN层；5、多量子阱有源区；51、多量子阱势垒层；52、多量子阱势阱层；6、电子阻挡层；7、P型III族氮化物叠层；71、P型GaN层；72、P型In_xGa_1-xN层；

图2为对比例1的能带图；

图3为实施例1的能带图；

图4为对比例1的空穴浓度图；

图5为实施例1的空穴浓度图；

图6为实施例1和对比例1的电流-电压曲线对比图；

图7为实施例1和对比例1的光功率-电流曲线对比图。

具体实施方式

本发明中，如未特殊说明，所记载的“上”、“下”等方位指示词应该理解为对附图的方位指示。

本发明提供一种氮化镓基发光二极管外延结构，如图1所示，自下至上依次包括：衬底1、形核层2、缓冲层3、N型GaN层4、多量子阱有源区5、电子阻挡层6和P型III族氮化物叠层7；

所述P型III族氮化物叠层由P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层依次交替层叠而成，其中，x＝0.01-0.3。

本发明中，具体地，如图1所示，所述P型GaN层层叠于电子阻挡层或P型In_xGa_1-xN层上，所述P型In_xGa_1-xN层层叠于P型GaN层上；P型III族氮化物叠层在P型GaN层与P型In_xGa_1-xN层之间形成GaN/InGaN异质结，异质结处的价带产生一个低势垒区域，引发空穴聚集的效果。

所述多量子阱有源区由y个多量子阱势垒层51和y-1个多量子阱势阱层52依次层叠而成，其中，多量子阱势垒层层叠于N型GaN层上或多量子阱势阱层上，多量子阱势阱层叠于多量子阱势垒层上；

所述电子阻挡层层叠于多量子阱有源区的N型GaN层上。

制备氮化镓基发光二极管外延结构，包括以下步骤：

1)在衬底上依次生长形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区和电子阻挡层；

2)在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层，x＝0.01-0.3，得到P型III族氮化物叠层；

其中，所述P型GaN层的生长方法如下：将反应室温度控制在900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层或P型In_xGa_1-xN层上生长P型GaN层，掺杂浓度为3-9×10¹⁷cm^-3；即P型III族氮化物叠层以P型GaN层起始；

其中，所述P型In_xGa_1-xN层的生长方法如下：反应室温度保持900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In_xGa_1-xN层，掺杂浓度为3-9×10¹⁷cm^-3。

实施例1

如图1所示，一种氮化镓基发光二极管外延结构，自下至上依次包括：衬底1、形核层2、缓冲层3、N型GaN层4、多量子阱有源区5、电子阻挡层6和P型III族氮化物叠层7；

所述P型III族氮化物叠层由P型GaN层和P型In_0.2Ga_0.8N层依次交替层叠而成。

制备上述氮化镓基发光二极管外延结构的方法，包括以下步骤：

1)衬底1处理：将(0001)晶向蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，反应室温度升高到1050℃，通入氢气，对衬底进行高温烘烤；

2)生长形核层2：将反应室温度控制在530℃，通入氨气、氢气和三甲基镓，在衬底上生长GaN形核层，形核层厚度为1nm；

3)生长缓冲层3：将反应室温度控制在530℃，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤2)所述的形核层上生长缓冲层，缓冲层厚度为200nm；

4)生长N型GaN层：通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤3)得到的缓冲层3上生长N型GaN层，厚度为3μm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3；

5)生长多量子阱有源区：在步骤4)得到的N型GaN层上依次层叠生长11个多量子阱势垒层和10个多量子阱势阱层；该多量子阱有源区最下层和最上层均为多量子阱势垒层；

其中，多量子阱势垒层的生长方法如下：将反应室温度控制在810℃，通入氨气、氮气和三甲基镓，在步骤4)得到的N型GaN层或多量子阱势阱层上生长多量子阱势垒层，厚度为12nm；

其中，多量子阱势阱层的生长方法如下：将反应室温度控制在750℃，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在步骤5所述的GaN多量子阱势垒层上生长多量子阱势阱层，厚度为3nm；

6)生长电子阻挡层6：将反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，在步骤5)得到的所述的多量子阱有源区上生长电子阻挡层，厚度为150nm，掺杂浓度5×10¹⁷cm^-3；

7)生长P型III族氮化物叠层7：在步骤6)得到的电子阻挡层上依次层叠生长P型GaN层和P型In_0.2Ga_0.8N层；

其中，所述P型GaN层的生长方法如下：将反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层上生长P型GaN层，厚度为30nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

其中，所述P型In_0.2Ga_0.8N层的生长方法如下：反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In_0.2Ga_0.8N层，厚度为170nm；掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

本实施例1中，步骤1)中，衬底可由Si、SiC、GaN、ZnO、LiGaO₂、LaSrAlTaO₆、Al或Cu替代；

本实施例1中，步骤2)中，形核层的材质可由AlN替代；

本实施例1中，步骤3)中，缓冲层的材质可由AlN替代；

本实施例1中，步骤6)电子阻挡层还可采用AlInGaN或InAlN材料制成。

实施例2

实施例2在实施例1的基础上，在步骤7)后，在P型In_0.2Ga_0.8N层上再生长一厚度为30nm的P型GaN层。

实施例3

实施例3在实施例1的基础上，在步骤7)后，在P型In_0.2Ga_0.8N层上再依次生长一厚度为30nm的P型GaN层和一厚度为170nm的P型In_0.2Ga_0.8N层。

实施例4

实施例4与实施例1不同的是，由P型In_0.01Ga_0.99N层替代实施例1中的P型In_0.2Ga_0.8N层。

实施例5

实施例5与实施例1不同的是，由P型In_0.3Ga_0.7N层替代实施例1中的P型In_0.2Ga_0.8N层。

对比例1

一种氮化镓基发光二极管外延结构，自下至上依次包括：衬底1、形核层2、缓冲层3、N型GaN层4、多量子阱有源区5、电子阻挡层6、P型GaN层7；

其中衬底1至电子阻挡层6的生长方法见实施例1步骤1)至步骤6)，其P型GaN层的生长方法如下所示：

将反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在步骤6)所述的电子阻挡层上生长单层P型GaN层，厚度为200nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

对比例2

对比例2与实施例1不同的是，由P型In_0.005Ga_0.995N层替代实施例1中的P型In_0.2Ga_0.8N层。

对比例3

对比例3与实施例1不同的是，由P型In_0.5Ga_0.5N层替代实施例1中的P型In_0.2Ga_0.8N层。

检测实施例

对实施例1-5和对比例1-3得到的氮化镓基发光二极管外延结构进行能带和空穴模拟计算，并进行电学性能检测，其结果示例如下：

图2和图3分别为对比例1和实施例1的能带图，由图2和图3的比较可知，实施例1得到的氮化镓基发光二极管外延结构其P型III族氮化物叠层在0.24μm的位置处构建了一个异质结，使得价带产生了一个低势垒的尖锥状突起，而对比例1的外延结构的价带上则没有该类尖锥状的突起；

图4和图5为对比例1和实施例1的空穴浓度图，由图4和图5的比较可知，实施例1得到的氮化镓基发光二极管外延结构在0.24μm的位置处(即是价带尖锥突起的位置)有着高浓度的空穴，说明P型III族氮化物叠层起到了很好的空穴聚集效应；对比多量子阱区域(0.05-0.20μm位置处)的空穴浓度，实施例1得到的外延结构的空穴浓度要比对比例1的外延结构的空穴浓度高出约50％，提升效果明显。

图6为实施例1和对比例1的电流-电压曲线图，对比例1与实施例1得到氮化镓基发光二极管外延结构在同等电流条件下的电压基本一致；说明P型III族氮化物叠层的引入不会对LED的导电性带来负面影响；

图7为实施例1和对比例1的光功率-电流曲线图。通过比，实施例1得到的氮化镓基发光二极管外延结构在在同等电流条件下的光功率要大于对比例1，光功率提升幅度高达70％。

通过上述一系列的对比，可以充分说明，通过将P型GaN层和P型InGaN层层叠形成P型III族氮化物叠层，能在LED的P型区域的能带中引入异质结，在价带处构建一个低势垒的尖锥状突起，能够聚集空穴，从而增强空穴向多量子阱有源区的注入，使得量子阱内空穴浓度提升，有利于显著提高LED的发光功率。同时，P型III族氮化物叠层的引入不会对LED的导电性能带来负面影响。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本领域的普通技术人员应当理解：其可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，自下至上依次包括：衬底、形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层、P型III族氮化物叠层；

所述P型III族氮化物叠层由P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层依次交替层叠而成，其中，x＝0.01-0.3。

2.如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述P型GaN层和/或P型In_xGa_1-xN层的厚度为20-1000nm。

3.如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO、LiGaO₂、LaSrAlTaO₆、Al和Cu中的一种。

4.如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述多量子阱有源区由y个多量子阱势垒层和y-1个多量子阱势阱层依次交替层叠而成，所述y为大于2的整数。

5.如权利要求4所述的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述多量子阱势垒层的材料为GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN中的一种。

6.如权利要求4所述的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述多量子阱势阱层的材料为InGaN。

7.如权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层的材料为AlGaN、InAlN或AlInGaN。

8.如权利要求1-7任一项所述的氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，包括步骤如下：

1)在衬底上依次生长形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层；

2)在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型In_xGa_1-xN层，x＝0.01-0.3，得到P型III族氮化物叠层；

其中，所述P型GaN层的生长方法如下：将反应室温度控制在900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层上生长P型GaN层，厚度为20-1000nm，掺杂浓度为3-9×10¹⁷cm^-3；

其中，所述P型In_xGa_1-xN层的生长方法如下：反应室温度保持900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In_xGa_1-xN层，厚度为20-1000nm，掺杂浓度为3-9×10¹⁷cm^-3。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤2)中，在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型In_0.2Ga_0.8N层；

其中，所述P型GaN层的生长方法如下：将反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层上生长P型GaN层，厚度为20-40nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3；

其中，所述P型In_0.2Ga_0.8N层的生长方法如下：反应室温度控制在950℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In_0.2Ga_0.8N层，厚度为150-200nm，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤1)中，具体操作步骤如下：

a)衬底处理：将(0001)晶向蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，反应室温度升高到1000-1300℃，通入氢气，对衬底进行高温烘烤；

b)生长形核层：将反应室温度控制在400-700℃，通入氨气、氢气和三甲基镓，在衬底上生长GaN形核层，形核层厚度≤1nm；

c)生长缓冲层：将反应室温度控制在400-700℃，通入氨气、氢气和三甲基镓，在形核层上生长缓冲层，缓冲层厚度为100-300nm；

d)生长N型GaN层：将反应室温度控制在1000-1500℃，通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在缓冲层上生长N型GaN层，厚度为2-4μm，掺杂浓度为3-9×10¹⁸cm^-3；

e)生长多量子阱有源区：在N型GaN层上依次层叠生长多量子阱势垒层和多量子阱势阱层；该多量子阱有源区最下层和最上层均为多量子阱势垒层；

其中，多量子阱势垒层的生长方法如下：将反应室温度控制在800-900℃，通入氨气、氮气和三甲基镓，在N型GaN层或多量子阱势阱层上生长多量子阱势垒层，厚度为12-18nm；

其中，多量子阱势阱层的生长方法如下：将反应室温度控制在700-780℃，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在GaN多量子阱势垒层上生长多量子阱势阱层，厚度为2-4nm；

f)生长电子阻挡层：将反应室温度控制在900-1100℃，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，在多量子阱有源区上生长电子阻挡层，厚度为80-200nm，掺杂浓度3-9×10¹⁷cm^-3。