CN107611234A - 一种GaN基LED外延结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED外延结构，包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、V型开角层、有源层和P型GaN层，有源层包括第一子层和第二子层，第一子层包括电子扩散层，电子扩散层为由InxGa1‑xN层和AlYGa1‑YN层间隔交替组成的超晶格层，其中0<X<1,0≤Y<1；还公开了一种GaN基LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、V型开角层、有源层和P型GaN层。本发明能够形成具有电子扩散层的高效稳定的GaN基LED外延结构，解决了局部大电流的问题，能够改善光衰，提高LED的发光效率和寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种GaN基LED外延结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管，简称LED，是一种光电子产业中的新型产品，具有发光颜色丰富、寿命长等优点；GaN是一种制作发光二极管的较佳材料，近年来，GaN基发光二极管在照明、背光、植物生长和景观等光源领域得到了大量使用，生产企业为了竞争逐渐将灯泡数量减少，而以更大的局部电流来代替，但是容易出现严重光衰，大大降低了发光二极管的发光效率和寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种GaN基LED外延结构，解决了局部大电流的问题，能够改善光衰，提高发光二极管的发光效率和寿命。
本发明的另一个目的是提供一种GaN基LED外延结构的制作方法，利用该制作方法能够简单方便的形成一种高效稳定的GaN基LED外延结构，便于本领域的技术人员理解和实施。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种GaN基LED外延结构，包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、V型开角层、有源层和P型GaN层，有源层包括第一子层和第二子层，第一子层包括电子扩散层，电子扩散层为由InxGa1-xN层和AlYGa1-YN层间隔交替组成的超晶格层，其中0<X<1,0≤Y<1。
进一步，第二子层为由掺In杂质层和掺Ga杂质层间隔交替组成的超晶格层。
进一步，第一子层的层数为3-5层，第二子层的层数为5-10层，有源层的层数为8-15层。
进一步，第一子层的势垒高度比第二子层的高，第一子层的势阱层宽度比第二子层的窄。
优选地，第一子层中InxGa1-xN层的厚度为1-2nm，AlYGa1-YN层的厚度为12-20nm。
进一步，第一子层为矩形超晶格层、三角形超晶格层或梯形超晶格层。
一种GaN基LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、V型开角层、有源层和P型GaN层。
进一步，第一子层的生长方式为矩形生长、三角形生长或梯形生长。
进一步，通过调节第一子层的生长温度来控制In的含量，第一子层的In含量比第二子层的In含量低。
进一步，用三甲基镓提供Ga源，通过改变生长时间和三甲基镓的流量来控制InxGa1-xN层和AlYGa1-YN层的厚度。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种GaN基LED外延结构，在有源层内设置电子扩散层，电子在局部大电流的情况下仍然能够得到有效扩散，因而第一子层的串联电阻足够大，能够抑制电子溢出有源层，使有源层的电子溢出减少，由InxGa1-xN层和AlYGa1-YN层交替组成的超晶格结构有利于提高电子和空穴在有源层复合的几率；因此，本发明解决了局部大电流的问题，能够改善光衰，提高LED的发光效率和寿命。
本发明的另一个有益效果是：本发明还提供了一种GaN基LED外延结构的制作方法，在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂Si的U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、V型开角层、有源层和P型GaN层，能够稳定形成具有电子扩散层的GaN基LED外延结构，并且操作简单方便，利于本领域的技术人员理解和实施。
附图说明
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的实施方案。
图1是本发明的外延结构的示意图；
图2是本发明的电子扩散层的结构示意图；
图3是本发明的外延结构的制作方法的步骤流程图；
图4是本发明的第一子层的生长方式的结构示意图。
具体实施方式
实施例一
参照图1和图2，一种GaN基LED外延结构，包括衬底6以及依次层叠在所述衬底6上的缓冲层1、未掺杂Si的U型GaN层2、掺杂Si的N型GaN层3、V型开角层4、有源层5和P型GaN层7，有源层5包括第一子层51和第二子层52，第一子层51包括电子扩散层，电子扩散层为由InxGa1-xN层511和AlYGa1-YN层512交替组成的超晶格层，其中0<X<1,0≤Y<1；在有源层5内设置电子扩散层，电子在局部大电流的情况下仍然能够得到有效扩散，因而第一子层51的串联电阻足够大，能够抑制电子溢出有源层5，使有源层5的电子溢出减少，由InxGa1-xN层511和AlYGa1-YN层512交替组成的超晶格结构，有利于提高电子和空穴在有源层5复合的几率，因此解决了局部大电流的问题，能够改善光衰，提高LED的发光效率和寿命。
其中，第二子层52为由掺In杂质层和掺Ga杂质层交替组成的超晶格层，在本实施例中，掺In杂质层采用InxGa1-xN层511，其中0<X<1，掺Ga杂质层常用的是GaN层，一般为U型GaN层2、N型GaN层3和P型GaN层7中的一种，实际上，InxGa1-xN既可作为In源，也可作为Ga源，即由于InxGa1-xN具有In元素和Ga元素，因此可以提供In原子和Ga原子，并且In原子数与Ga原子数之和为1，呈互补态势，因此可以通过改变X的值，即通过控制生长条件来决定主要提供In源还是Ga源。
其中，参照图1和图2，第一子层51的层数为3-5层，第二子层52的层数为5-10层，有源层5的层数为8-15层，第一子层51的层数一般不能超过5层，也不能低于3层，第二子层52的层数一般不超过10层；如果第一子层51的层数过多，则第一子层51与第二子层52的波长会差异太大，整体的波长半高宽会变大，而如果第一子层51的层数过低，其串联电阻则很小，起不到阻挡电子的作用，电流扩散效果不明显。
其中，第一子层51的势垒高度比第二子层52的高，第一子层51的势阱层宽度比第二子层52的窄，前者使第一子层51内的电子的减速效果更好，增加电子的扩散能力，后者使第二子层52可以起到蓄水池的作用。
优选地，第一子层51的InxGa1-xN层511的厚度为1-2nm，AlYGa1-YN层512的厚度为12-20nm。
其中，参照图4，第一子层51为矩形超晶格结构、三角形超晶格结构和梯形超晶格结构中的任一种，超晶格结构是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层结构，即层状精细复合结构，生长结构的不同决定了势阱的深度和宽度，以及势垒的厚度等特征的不同，本领域的技术人员可根据具体情况来进行选择。
实施例二
参照图3，基于实施例一的一种GaN基LED外延结构的制作方法，采用MOCVD技术，在衬底6上依次生长缓冲层1、未掺杂Si的U型GaN层2、掺杂Si的N型GaN层3、V型开角层4、有源层5和P型GaN层7。
具体地，本实施例采用Metal Organic ChemicalVapor Deposition，即金属有机化合物化学气相沉淀法，简称MOCVD，来在衬底6上生长外延层，衬底6是蓝宝石、SiC或Si中的一种,厚度大约为200-1000μm，其中，缓冲层1的厚度为1-2μm，生长温度为900-1100℃；U型GaN层2的厚度为1-2μm，生长温度为1100-1200℃；N型GaN层3的厚度为1-2μm，生长温度为1100-1200℃，其中Si的掺杂浓度为1E18cm-3-9E18cm-3；有源层5的厚度为100-200nm，生长温度为700-800℃；P型GaN层7的厚度为40-90nm，生长温度为950-1100℃；因此能够形成具有电子扩散层的高效稳定的GaN基LED外延结构，并且操作简单方便，利于本领域的技术人员理解和实施。
其中，参照图4，第一子层51的生长方式为矩形生长、三角形生长或梯形生长，不同的生长方式会产生不同的超晶格层，相应地，层上的正面或侧壁的生长速度和方向也就不同，也就能影响相邻层的生长，特别是，无论是矩形生长、三角形生长或梯形生长，都会引进生长缺陷，进而增大延伸角度，于是在侧壁方向上的生长速度有加成，能够更有效的拦截电子，增加电子和空穴在有源层5复合的几率，提高了LED的发光效率。
其中，通过调节第一子层51的生长温度来控制In的含量，第一子层51的In含量比第二子层52的In含量低，In含量衡量了某一层的应力大小，In含量小则应力较小，第一子层51需要让电子在局部大电流的情况下仍然能够得到有效扩散，从而电子溢出减少，所以需要的应力不大，第一子层51内的In含量不应设置得过大，在实际生产中一般应小于第二子层52内的In含量。
其中，用三甲基镓(TMGa)提供Ga源，三甲基镓(TMGa)是本领域的一种常用的掺杂材料，通过改变生长时间和三甲基镓的流量来控制InxGa1-xN层511和AlYGa1-YN层512的厚度，三甲基镓(TMGa)的流量体现了掺杂速度的大小，三甲基镓(TMGa)的流量大，掺杂速度就大，InxGa1-xN层511和AlYGa1-YN层512的生长速度就快，因此厚度大；另一方面，显然，生长时间越长，InxGa1-xN层511和AlYGa1-YN层512的厚度越大。
以上内容对本发明的较佳实施例和基本原理作了详细论述，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员应该了解在不违背本发明精神的前提下还会有各种等同变形和替换，这些等同变形和替换都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延结构，包括衬底(6)以及依次层叠在所述衬底(6)上的缓冲层(1)、未掺杂Si的U型GaN层(2)、掺杂Si的N型GaN层(3)、V型开角层(4)、有源层(5)和P型GaN层(7)，其特征在于：所述有源层(5)包括第一子层(51)和第二子层(52)，所述第一子层(51)包括电子扩散层，所述电子扩散层为由InxGa1-xN层(511)和AlYGa1-YN层(512)间隔交替组成的超晶格层，其中0<X<1,0≤Y<1。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于：所述第二子层(52)为由掺In杂质层和掺Ga杂质层间隔交替组成的超晶格层。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于：所述第一子层(51)的层数为3-5层，所述第二子层(52)的层数为5-10层，所述有源层(5)的层数为8-15层。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于：所述第一子层(51)的势垒高度比所述第二子层(52)的高，所述第一子层(51)的势阱层宽度比所述第二子层(52)的窄。
5.根据权利要求1所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于：所述第一子层(51)中InxGa1-xN层(511)的厚度为1-2nm，AlYGa1-YN层(512)的厚度为12-20nm。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基LED外延结构，其特征在于：所述第一子层(51)为矩形超晶格层、三角形超晶格层或梯形超晶格层。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：采用MOCVD技术，在所述衬底(6)上依次层叠所述缓冲层(1)、未掺杂Si的U型GaN层(2)、掺杂Si的N型GaN层(3)、V型开角层(4)、有源层(5)和P型GaN层(7)。
8.根据权利要求7所述的一种GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：所述第一子层(51)的生长方式为矩形生长、三角形生长或梯形生长。
9.根据权利要求7所述的一种GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：通过调节第一子层(51)的生长温度来控制In的含量，所述第一子层(51)的In含量比所述第二子层(52)的In含量低。
10.根据权利要求7所述的一种GaN基LED外延结构的制作方法，其特征在于：用三甲基镓提供Ga源，通过改变生长时间和三甲基镓的流量来控制所述InxGa1-xN层(511)和AlYGa1-YN层(512)的厚度。
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