CN108281520A - 一种GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基LED外延结构及其制备方法，GaN基LED外延结构包括：衬底、第一类型外延层、包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层的第一量子阱结构层、包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层的第二量子阱结构层、第二类型外延层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙。因在所述第二量子阱结构层之前加入了第一量子阱结构层，且在所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙，所述第一量子阱结构层可以阻挡空穴注入到除了第二量子阱结构层之外的其他非发光区域，从而提高LED的内量子效率，提升LED的亮度。
Description
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(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电能转换为光能。氮化镓(GaN)基材料具有宽的直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，现阶段InGaN/GaN发光二极管被视为当今最有潜力的发光源，正逐渐取代传统的照明光源，越来越广泛地应用于全彩大屏幕显示、LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示屏)背光源、信号灯、照明等领域。
然而，采用蓝宝石基板的GaN基LED由于GaN和蓝宝石基板之间存在较大的晶格失配度，导致GaN生长过程中存在大量的缺陷，在量子阱结构层中会产生大量(密度高达1.0e8cm-2)的V型坑(Pits)，而V型坑中存在空穴的侧向注入，但空穴在V型坑中侧向注入时不能全部注入到发光量子阱中，降低了空穴的有效注入效率，从而严重限制了GaN基LED发光效率的提升。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，以提高LED的亮度。
发明内容
本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，有利于空穴有效的注入到量子阱结构的发光层中，提升LED的内量子效率，进而提高LED的亮度。
为达到上述技术效果，本发明提供一种GaN基LED外延结构，包括：
衬底；
第一类型外延层，位于所述衬底上；
第一量子阱结构层，位于所述第一类型外延层上，所述第一量子阱结构层包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层；
第二量子阱结构层，位于所述第一量子阱结构层上，所述第二量子阱结构层包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙；以及
第二类型外延层，位于所述第二量子阱结构层上。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述第一势阱层的材质为包含In元素的三元或四元材料。
较佳的，在所述GaN基LED外延结构中，所述第一势阱层的材质为InGaN，所述第一势垒层的材质为GaN、AlGaN和InAlGaN中的至少一种。
较佳的，在所述GaN基LED外延结构中，所述第一势阱层的厚度在0.1nm～4.0nm范围之间，所述第一势垒层的厚度在3.0nm～20.0nm范围之间。
进一步的，所述GaN基LED外延结构还包括一成核层，所述成核层位于所述衬底和所述第一类型外延层之间。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述第一类型外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的未掺杂GaN层和N型GaN层。
进一步的，所述GaN基LED外延结构还包括浅量子阱超晶格结构层，所述浅量子阱超晶格结构层位于所述第一类型外延层和第一量子阱结构层之间。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述第二类型外延层包括位于所述第二量子阱结构层上且自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型GaN层。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
根据本发明的另一面，本发明还提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长第一类型外延层；
在所述第一类型外延层上生长第一量子阱结构层，所述第一量子阱结构层包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层；
在所述第一量子阱结构层上生长第二量子阱结构层，所述第二量子阱结构层包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙；以及
在所述第二量子阱结构层上生长第二类型外延层。
进一步的，在所述的制备方法中，所述第一势阱层为InGaN层，所述第一势垒层为GaN、AlGaN和InAlGaN中的至少一种。
较佳的，在所述的制备方法中，所述第一势阱层的厚度在0.1nm～4.0nm范围之间，所述第一势垒层的厚度在3.0nm～20.0nm范围之间。
较佳的，在所述的制备方法中，所述第一量子阱结构层的生长温度在700摄氏度～950摄氏度之间。
进一步的，所述制备方法还包括在所述衬底和所述第一类型外延层之间生长一成核层。
进一步的，在所述的制备方法中，所述第一类型外延层包括生长在所述衬底上自下至上层叠的未掺杂GaN层和N型GaN层，所述未掺杂GaN层和N型GaN层的生长温度为1000摄氏度～1200摄氏度，所述第一类型外延层的厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
进一步的，所述制备方法还包括在所述第一类型外延层和第一量子阱结构层之间生长一浅量子阱超晶格结构层。
进一步的，在所述的制备方法中，所述第二量子阱结构层的生长温度为700摄氏度～950摄氏度，所述第二势阱层的厚度在1.5nm～4.0nm范围之间，所述第二势垒层的厚度在3.0nm～20.0nm范围之间。
进一步的，在所述的制备方法中，所述第二类型外延层包括生长在所述第二量子阱结构层上自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型GaN层，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型InAlGaN和P型AlGaN/GaN中的至少一种，所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm，其中，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3；所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm，其中，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述的GaN基LED外延结构包括：衬底、第一类型外延层、包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层的第一量子阱结构层、包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层的第二量子阱结构层、第二类型外延层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙。因在所述第二量子阱结构层之前加入了第一量子阱结构层，且在所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙，则所述第一量子阱结构层中的V型坑的斜面上的势阱带隙也会大于所述第二量子阱结构层中势阱带隙，因此，所述第一量子阱结构层可以阻挡空穴注入到除了第二量子阱结构层之外的其他非发光区域(则所述第一量子阱结构层是不参与发光的)，使得更多的空穴注入到所述第二量子阱结构层中，进而提高LED的内量子效率，提升LED的亮度。
附图说明
图1为本发明一种GaN基LED外延结构的制备方法的流程图；
图2至图7为本发明一种GaN基LED外延结构的制备方法的各工艺步骤中外延结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合流程图和示意图对本发明的一种GaN基LED外延结构及其制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种GaN基LED外延结构，包括：
衬底；
第一类型外延层，位于所述衬底上；
第一量子阱结构层，位于所述第一类型外延层上，所述第一量子阱结构层包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层；
第二量子阱结构层，位于所述第一量子阱结构层上，所述第二量子阱结构层包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙；以及
第二类型外延层，位于所述第二量子阱结构层上衬底。
相应的，本发明还提供了一种GaN基LED外延结构的制备方法，如图1所示：所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1、提供一衬底；
步骤S2、在所述衬底上生长第一类型外延层；
步骤S3、在所述第一类型外延层上生长第一量子阱结构层，所述第一量子阱结构层包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层；
步骤S4、在所述第一量子阱结构层上生长第二量子阱结构层，所述第二量子阱结构层包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙；
步骤S5、在所述第二量子阱结构层上生长第二类型外延层。
本发明在所述第二量子阱结构层之前加入了第一量子阱结构层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙，则所述第一量子阱结构层中的V型坑的斜面上的势阱带隙也会大于所述第二量子阱结构层中势阱带隙，因此，所述第一量子阱结构层可以阻挡空穴注入到除了第二量子阱结构层之外的其他非发光区域(则所述第一量子阱结构层是不参与发光的)，使得更多的空穴注入到所述第二量子阱结构层中，进而提高LED的内量子效率，提升LED的亮度。
以下列举所述一种GaN基LED外延结构及其制备方法的实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参阅图1，首先，执行步骤S1，提供一衬底10，如图2所示。所述衬底10可以为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底等，本实施例的衬底10优选为蓝宝石衬底。
然后，如图1所示，执行步骤S2，在衬底10上生长第一类型外延层12，如图3所示。外延生长方法可以选用MOCVD(金属有机化学气相沉积)方法、CVD(化学气相沉积)方法、PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法、MBE(分子束外延)方法或HVPE(氢化物气相外延)方法等，本实施例中，外延生长方法可以优选MOCVD方法，在此并不做限定。在实际外延生长过程中，为了改善LED外延生长的晶体质量，在所述第一类型外延层12和所述衬底10之间还会形成以提高晶格匹配度的成核层11，所述成核层11的材料可以是GaN、AlN、InAlGaN或AlGaN等，具体不做限制，所述成核层11的生长温度可以在450摄氏度～650摄氏度之间，所述成核层11的厚度约为15nm～50nm。
较佳的，本实施例中，所述第一类型外延层12包括生长在所述成核层11上自下至上层叠的未掺杂GaN层120和N型GaN层121，所述未掺杂GaN层120能够减少由于衬底10和N型GaN层121之间的晶格常数差导致的晶格失配度，而且所述未掺杂GaN层120能够增强形成在该层上的半导体层的结晶性能。优选的，所述未掺杂GaN层120和N型GaN层121的生长温度可以在1000摄氏度～1200摄氏度之间，所述第一类型外延层的厚度为1.5um～4.5um，其中，所述N型GaN层121的厚度范围可以在1.0um～3.0um之间，所述N型GaN层121的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
接着，如图1所示，执行步骤S3，在所述第一类型外延层12上生长第一量子阱结构层。较佳的，本实施例中，为了进一步改善外延生长的晶体质量，进行应力释放，在所述第一类型外延层12和第一量子阱结构层之间还生长一层浅量子阱超晶格结构层13，如图4所示，所述浅量子阱超晶格结构层13为含势阱层和势垒层的周期性超晶格结构，其中，所述周期性超晶格结构的周期可以为3～30个，所述周期性超晶格结构的生长温度范围在750摄氏度～900摄氏度之间，所述周期性超晶格结构中，每一势阱层的厚度范围在1.0nm～4.0nm之间，每一势垒层的厚度范围在1.0nm～9.0nm之间。
然后，在所述浅量子阱超晶格结构层13上生长所述第一量子阱结构层14，如图5所示，较佳的，所述第一量子阱结构层14包括周期层叠的第一势阱层140和第一势垒层141，而且，所述第一势阱层140的带隙要大于后续形成的第二势阱层的带隙，因所述第一势阱层140的带隙要满足大于所述第二势阱层的带隙，则所述第一量子阱结构层14中的V型坑的斜面上的势阱带隙也会大于后续所述第二量子阱结构层中势阱带隙，因此，所述第一量子阱结构层14可以阻挡空穴注入到除了后续第二量子阱结构层之外的其他非发光区域(则所述第一量子阱结构层14是不参与发光的)，使得更多的空穴注入到后续第二量子阱结构层中，进而提高LED的内量子效率，提升LED的亮度。所述第一势阱层140的材质可以是包含In元素的InGaN、InAlGaN等三元或四元材料，所述第一势垒层141的材质可以是GaN、AlGaN或InAlGaN等，本实施例中，优选但不限于，所述第一势阱层140的材质为InGaN，所述第一势垒层141的材质为GaN、AlGaN和InAlGaN等中的至少一种，所述第一势阱层140的厚度可以在0.1nm～4.0nm范围之间，所述第一势垒层141的厚度可以在3.0nm～20.0nm范围之间，所述第一量子阱结构层14的生长温度可以在750摄氏度～900摄氏度之间。
接下来，如图1所示，执行步骤S4，在所述第一量子阱结构层14上生长第二量子阱结构层15，如图6所示，所述第二量子阱结构层15包括周期层叠的第二势阱层150和第二势垒层151。所述第二量子阱结构层15可以由5～18组周期层叠的第二InGaN势阱层150和第二GaN势垒层151组成。所述第二InGaN势阱层150的厚度为1.5nm～4.0nm，所述第二GaN势垒层151的厚度为3.0nm～20.0nm，所述第二量子阱结构层15的生长温度在700摄氏度～950摄氏度之间，以形成LED所需发光波长的发光层。
最后，如图1所示，执行步骤S5，在所述第二量子阱结构层15上生长第二类型外延层16，如图7所示。本实施例中，所述第二类型外延层16包括但不限于生长在所述第二量子阱结构层15上自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型GaN层。具体的，P型电子阻挡层的作用是阻挡量子阱内的电子进入P型区，以增大电子在量子阱区与空穴的复合效率，即可以提高量子阱的内量子效率。所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型InAlGaN和P型AlGaN/GaN中的至少一种，可以为超晶格结构，所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。P型GaN层的厚度为30nm～500nm，所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在本实施例中，由于所述第一量子阱结构层14中的第一势阱层140的带隙要大于第二量子阱结构层15的第二势阱层150的带隙，则所述第一量子阱结构层14中的V型坑的斜面上的势阱带隙也会大于第二量子阱结构层15中势阱带隙，因此，所述第一量子阱结构层14可以阻挡空穴注入到除了第二量子阱结构层15之外的其他非发光区域(则所述第一量子阱结构层是不参与发光的)，使得更多的空穴注入到第二量子阱结构层15中，进而提高内量子效率，可以实现提升LED亮度的目的。
当然，本发明不仅仅限于上述实施例，在其他实施例中，本领域技术人员还可以通过调整所述第一势阱层含In的组分、第一势阱层的厚度、或所述第一势阱层的生长温度等工艺参数去调控所述第一势阱层的带隙，以实现所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙，这些都是本领域普通技术人员知晓的，在此不再赘述。
综上，本发明所述的GaN基LED外延结构包括：衬底、第一类型外延层、包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层的第一量子阱结构层、包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层的第二量子阱结构层、第二类型外延层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙。因在所述第二量子阱结构层之前加入了第一量子阱结构层，且在所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙，则所述第一量子阱结构层中的V型坑的斜面上的势阱带隙也会大于所述第二量子阱结构层中势阱带隙，因此，所述第一量子阱结构层可以阻挡空穴注入到除了第二量子阱结构层之外的其他非发光区域(则所述第一量子阱结构层是不参与发光的)，使得更多的空穴注入到所述第二量子阱结构层中，进而提高LED的内量子效率，提升LED的亮度。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (18)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
第一类型外延层，位于所述衬底上；
第一量子阱结构层，位于所述第一类型外延层上，所述第一量子阱结构层包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层；
第二量子阱结构层，位于所述第一量子阱结构层上，所述第二量子阱结构层包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙；以及
第二类型外延层，位于所述第二量子阱结构层上。
2.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一势阱层的材质为包含In元素的三元或四元材料。
3.如权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一势阱层的材质为InGaN，所述第一势垒层的材质为GaN、AlGaN和InAlGaN中的至少一种。
4.如权利要求1至3任意一项所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一势阱层的厚度在0.1nm～4.0nm范围之间，所述第一势垒层的厚度在3.0nm～20.0nm范围之间。
5.如权利要求1至3任意一项所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构还包括一成核层，所述成核层位于所述衬底和所述第一类型外延层之间。
6.如权利要求1至3任意一项所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一类型外延层包括位于所述衬底上且自下至上层叠的未掺杂GaN层和N型GaN层。
7.如权利要求1至3任意一项所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构还包括浅量子阱超晶格结构层，所述浅量子阱超晶格结构层位于所述第一类型外延层和第一量子阱结构层之间。
8.如权利要求1至3任意一项所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第二类型外延层包括位于所述第二量子阱结构层上且自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型GaN层。
9.如权利要求1至3任意一项所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
10.一种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：
提供一衬底；
在所述衬底上生长第一类型外延层；
在所述第一类型外延层上生长第一量子阱结构层，所述第一量子阱结构层包括周期层叠的第一势阱层和第一势垒层；
在所述第一量子阱结构层上生长第二量子阱结构层，所述第二量子阱结构层包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层，且所述第一势阱层的带隙大于所述第二势阱层的带隙；以及
在所述第二量子阱结构层上生长第二类型外延层。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述第一势阱层为InGaN层，所述第一势垒层为GaN层、AlGaN层和InAlGaN层中的至少一种。
12.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述第一势阱层的厚度在0.1nm～4.0nm范围之间，所述第一势垒层的厚度在3.0nm～20.0nm范围之间。
13.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述第一量子阱结构层的生长温度在700摄氏度～950摄氏度之间。
14.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述衬底和所述第一类型外延层之间生长一成核层。
15.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述第一类型外延层包括生长在所述衬底上自下至上层叠的未掺杂GaN层和N型GaN层，所述未掺杂GaN层和N型GaN层的生长温度为1000摄氏度～1200摄氏度，所述第一类型外延层的厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
16.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述第一类型外延层和第一量子阱结构层之间生长一浅量子阱超晶格结构层。
17.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述第二量子阱结构层的生长温度为700摄氏度～950摄氏度，所述第二势阱层的厚度在1.5nm～4.0nm范围之间，所述第二势垒层的厚度在3.0nm～20.0nm范围之间。
18.如权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于，所述第二类型外延层包括生长在所述第二量子阱结构层上自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型GaN层，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型InAlGaN和P型AlGaN/GaN中的至少一种，所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm，其中，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3；所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm，其中，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
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