CN108321266A - 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，包括周期层叠的AlInN层和GaN层的非掺杂外延层，和位于所述非掺杂外延层上且自下至上依次层叠的第一类型外延层、量子阱层以及第二类型外延层，因所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层，这种周期层叠的结构可以改变其应力状态，有利于降低其位错，为后续外延层提供高晶体质量的平台，不仅可以提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力，而且还能够提高LED的发光效率。
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)具有寿命长、耗能少、体积小、响应快、抗震、抗低温、绿色环保等突出的优点，是近年来全球最具发展前景的高技术领域之一，被称为第四代照明光源或绿色光源，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次标志性飞跃。在通用照明、显示、背光等领域已经得到广泛的应用。
随着LED产业的发展，以及在商业照明、舞台灯、汽车头灯或袖珍投影机等高端大功率器件上的应用，对LED外延结构的晶体质量、LED的发光效率等提出了更高的要求。因此，有必要提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，以提高LED外延结构的晶体质量，同时有效提高LED的发光效率。
发明内容
本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，有利于降低LED外延结构的位错，提高LED外延结的晶体质量，同时有效提高LED的发光效率。
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；
非掺杂外延层，位于所述衬底上，且所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层；
第一类型外延层，位于所述非掺杂外延层上；
量子阱层，位于所述第一类型外延层上；以及
第二类型外延层，位于所述量子阱层上。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述非掺杂外延层包括至少一个Al1- xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层，其中，0<x≤y<1。
较佳的，在所述GaN基LED外延结构中，所述非掺杂外延层包括两个以上的所述周期结构层。
可选的，在所述GaN基LED外延结构中，所有的所述周期结构层的In组分x相同，或至少部分所述周期结构层的In组分x不同；所有的所述周期结构层的In组分y相同，或至少部分所述周期结构层的In组分y不同。
可选的，在所述GaN基LED外延结构中，所述周期结构层的In组分x呈渐变式变化；所述周期结构层的In组分y呈渐变式变化。
较佳的，在所述GaN基LED外延结构中，所述周期结构层的In组分x呈递增或递减变化；所述周期结构层的In组分y呈递增或递减变化。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，In组分x在0.06～0.18之间，In组分y在0.18～0.30之间。
较佳的，在所述GaN基LED外延结构中，所述AlInN层具有粗糙表面。
可选的，在所述GaN基LED外延结构中，所述AlInN层的粗糙表面为孔状结构。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述非掺杂外延层的厚度为2.0um～4.0um。
进一步的，在所述GaN基LED外延结构中，所述AlInN层的厚度在20nm～50nm之间，所述GaN层的厚度在40nm～100nm之间。
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；
在所述衬底上生长非掺杂外延层，所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层；
在所述非掺杂外延层上生长第一类型外延层；
在所述第一类型外延层上生长量子阱层；以及
在所述量子阱层上生长第二类型外延层。
进一步的，在所述的制备方法中，所述非掺杂外延层包括至少一个Al1-xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层，其中，0<x≤y<1。
较佳的，在所述的制备方法中，所述非掺杂外延层包括两个以上的所述周期结构层。
可选的，在所述的制备方法中，所有的所述周期结构层的In组分x相同，或至少部分所述周期结构层的In组分x不同；所有的所述周期结构层中的In组分y相同，或至少部分所述周期结构层中的In组分y不同。
进一步的，在所述的制备方法中，所述周期结构层的In组分x呈渐变式变化；所述周期结构层的In组分y呈渐变式变化。
较佳的，在所述的制备方法中，所述周期结构层的In组分x呈递增或递减变化；所述周期结构层的In组分y呈递增或递减变化。
进一步的，在所述的制备方法中，In组分x在0.06～0.18之间，In组分y在0.12～0.23之间。
较佳的，在所述的制备方法中，所述AlInN层具有粗糙表面。
较佳的，在所述的制备方法中，所述AlInN层的粗糙表面为孔状结构。
进一步的，在所述的制备方法中，所述非掺杂外延层的生长温度在650摄氏度～1200摄氏度之间。
进一步的，在所述的制备方法中，所述AlInN层的生长温度在650摄氏度～950摄氏度之间。
进一步的，在所述的制备方法中，所述非掺杂外延层的生长压力在50Torr～600Torr之间。
进一步的，在生长所述非掺杂外延层时，V族源和III族源的流量摩尔比在2000～8000，其中，三甲基铟和三甲基铝的流量摩尔比在2～8之间。
进一步的，在所述的制备方法中，所述非掺杂外延层的厚度为2.0um～4.0um。
进一步的，在所述的制备方法中，所述AlInN层的厚度在20nm～50nm之间，所述GaN层的厚度在40nm～100nm之间。
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，包括周期层叠的AlInN层和GaN层的非掺杂外延层，和位于所述非掺杂外延层上且自下至上依次层叠的第一类型外延层、量子阱层以及第二类型外延层，因所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层，这种周期层叠的结构可以改变其应力状态，有利于降低其位错，为后续外延层提供高晶体质量的平台，不仅可以提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力，而且还能够提高LED的发光效率。
进一步的，所述非掺杂外延层包括至少一个Al1-xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层，其中，0<x≤y<1，所述非掺杂外延层包括两个以上的所述周期结构层，则所述非掺杂外延层的应力状态处于压应力和张应力的交替变化中，进一步可以降低其位错，提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力。
此外，所述AlInN层具有孔状结构的表面，能够提高LED的出光效率，即进一步提升LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明实施例中一种GaN基LED外延结构的制备方法的流程图；
图2、图3、图5至图7为本发明实施例中一种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；
图4为本发明实施例中AlInN层的表面形貌图。
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；
非掺杂外延层，位于所述衬底上，且所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层；
第一类型外延层，位于所述非掺杂外延层上；
量子阱层，位于所述第一类型外延层上；以及
第二类型外延层，位于所述量子阱层上。
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、在所述衬底上生长非掺杂外延层，所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层；
步骤S3、在所述非掺杂外延层上生长第一类型外延层；
步骤S4、在所述第一类型外延层上生长量子阱层；
步骤S5、在所述量子阱层上生长第二类型外延层。
本发明在所述衬底和所述第一类型外延层之间生长一非掺杂外延层，所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层，则这种周期层叠的结构可以改变所述非掺杂外延层的应力状态，有利于降低其位错，为后续外延层提供高晶体质量的平台，不仅可以提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力，而且还能够提高LED的发光效率。
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、氮化硅衬底、氮化铝衬底、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上生长非掺杂外延层11，所述非掺杂外延层11包括周期层叠的AlInN层和GaN层，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，在所述非掺杂外延层11和所述衬底10之间还会形成以提高晶格匹配度的成核层(图中示意图省略)，所述成核层的材料可以是GaN、AlInGaN和AlGaN中的至少一种，具体不做限制，所述成核层的生长温度可以在500摄氏度～900摄氏度之间，所述成核层的生长压力为100Torr～600Torr，所述成核层的厚度约为10nm～30nm。
因AlInN的晶格常数和GaN的晶格常数不同，则在相同厚度的情况下，采用周期层叠的AlInN层和GaN层的所述非掺杂外延层11相比与传统的单层GaN层的非掺杂外延层的位错密度要小很多，因此，通过本实施例生长的非掺杂外延层11有利于降低其位错，从而提高LED外延结构的晶体质量。较佳的，所述非掺杂外延层11包括至少一个由Al1-xInxN层1100、第一GaN层1101、Al1-yInyN层1102和第二GaN层1103组成的周期结构层110，即所述非掺杂外延层11包括至少一个Al1-xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层110，其中，0<x≤y<1，如所述非掺杂外延层11包括两个以上的所述周期结构层110，如图3所示。所述非掺杂外延层11的这种结构可以使其应力状态处于压应力和张应力的交替变化中，进一步可以降低其位错，为后续的外延层提供高晶体质量的平台，提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力。其中，在所述非掺杂外延层11中，所有的所述周期结构层110的In组分x相同，或至少部分所述周期结构层110的In组分x不同；所有的所述周期结构层110的In组分y相同，或至少部分所述周期结构层110的In组分y不同，优选的，所述周期结构层110的In组分x可以呈渐变式变化(如递增或递减变化)；所述周期结构层110的In组分y可以呈渐变式变化(如递增或递减变化)。进一步的，所述In组分x在0.06～0.18之间，如x取0.10或0.14；所述In组分y在0.18～0.30之间，如y取0.22或0.26。
例如，本实施例中，所述非掺杂外延层11包括3个所述周期结构层110，如所述非掺杂外延层11由Al0.86In0.14N/GaN/Al0.78In0.22N/GaN、Al0.88In0.12N/GaN/Al0.76In0.24N/GaN和Al0.90In0.10N/GaN/Al0.74In0.26N/GaN组成，本领域普通技术人员在上述表述的基础上还可以得到很多类似的结构，在此不一一举例说明。因所述周期结构层110的In组分x和In组分y呈一定规律的变化，更加有利于所述非掺杂外延层11的应力释放，降低其位错密度，提高LED外延结构的晶体质量，也能够提升LED的抗静电能力和抗老化能力。
所述非掺杂外延层11的具体生长工艺可以如下：所述非掺杂外延层11的生长温度在650摄氏度～1200摄氏度之间，所述非掺杂外延层11的生长压力为50Torr～600Torr之间，所述非掺杂外延层11的厚度为2.0um～4.0um，生长所述非掺杂外延层11时，所用的V族源和III族源的流量摩尔比为2000～8000，其中，三甲基铟和三甲基铝的流量摩尔比为2～8，所述Al1-xInxN层1100和Al1-yInyN层1102的生长温度均在650摄氏度～950摄氏度之间，所述Al1-xInxN层1100和所述Al1-yInyN层1102的厚度均为20nm～50nm，所述第一GaN层1101和所述第二GaN层1103的厚度均为40nm～100nm。
进一步的，通过上述工艺得到的所述Al1-xInxN层1100和所述Al1-yInyN层1102具有粗糙表面，较佳的，所述Al1-xInxN层1100和所述Al1-yInyN层1102的粗糙表面为孔状结构，如图4所示。具有所述孔状结构的AlInN层有利于提高LED的出光效率，从而能够提高LED的发光效率。
然后，如图1所示，执行步骤S3，在所述非掺杂外延层11上生长第一类型外延层12，如图5所示。较佳的，所述第一类型外延层12为N型氮化物层12，所述N型氮化物层12的材质可以为GaN、InAlGaN和AlGaN中的至少一种，所述N型氮化物层12的生长温度可以在1000摄氏度～1150摄氏度之间，所述N型氮化物层12的生长压力为100Torr～300Torr，所述N型氮化物层12的厚度范围可以在2.0um～4.0um之间，所述N型氮化物层12的Si掺杂浓度为1.5e19cm-3～3e19cm-3。
接着，如图1所示，执行步骤S4，在所述第一类型外延层12上生长量子阱层14，如图6所示。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和量子阱层14之间还生长一层应力调节层13，如图6所示，所述应力调节层13可以包括若干个周期交叠的GaN层和InGaN层，其中，InGaN层的In的组分可以在0～20％之间，所述应力调节层13的生长温度范围在700摄氏度～900摄氏度之间，所述应力调节层13的GaN的厚度为1.0nm～3.0nm，InGaN的厚度为1.0nm～3.0nm。
在所述应力调节层13上生长量子阱层14，所述量子阱层14包括周期层叠的势阱层和势垒层。所述量子阱层14可以由8～12组周期层叠的势阱层和势垒层组成。所述势阱层的厚度为3.0nm～4.0nm，所述势垒层的厚度为4.0nm～6.0nm，所述量子阱层14的生长温度在700摄氏度～900摄氏度之间，所述势阱层的材质可以是包含In元素的InGaN、InAlGaN等三元或四元材料，其中，In的组分可以在0～30％之间；所述势垒层可以但不限于GaN层。
最后，如图1所示，执行步骤S5，在所述量子阱层14上生长第二类型外延层15，如图7所示。本实施例中，所述第二类型外延层15包括但不限于生长在所述量子阱层14上自下至上层叠的P型电子阻挡层和P型氮化物层。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～70nm，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～1.5e19cm-3。P型氮化物层的厚度为40nm～80nm，所述P型氮化物层的Mg掺杂浓度为5e19cm-3～1.5e21cm-3。
通过上述制备方法得到的LED外延结构包括：衬底10；位于所述衬底10上的非掺杂外延层11，所述非掺杂外延层11包括两个以上的周期结构层110，所述周期结构层110由Al1-xInxN层1100、第一GaN层1101、Al1-yInyN层1102和第二GaN层1103组成，其中，0.06≤x≤0.18≤y≤0.30，且所述Al1-xInxN层1100和Al1-yInyN层1102具有孔状结构的表面；位于所述非掺杂外延层11上且自下至上依次层叠的第一类型外延层12、应力调节层13、量子阱层14和第二类型外延层15。显然，所述LED外延结构并不限于通过上述制备方法得到。
在本实施例中，因所述非掺杂外延层11包括两个以上的周期结构层110，所述周期结构层110由Al1-xInxN层1100、第一GaN层1101、Al1-yInyN层1102和第二GaN层1103组成，其中，0.06≤x≤0.18≤y≤0.30，则所述非掺杂外延层11的应力状态处于压应力和张应力的交替变化中，可以明显降低其位错，提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力，提高LED的发光效率；而且，所述Al1-xInxN层1100和Al1-yInyN层1102具有孔状结构的表面，能够提高LED的出光效率，进一步提升LED的发光效率。
综上，本发明所述的GaN基LED外延结构包括：衬底，包括周期层叠的AlInN层和GaN层的非掺杂外延层，和位于所述非掺杂外延层上且自下至上依次层叠的第一类型外延层、量子阱层以及第二类型外延层，因所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层，这种周期层叠的结构可以改变其应力状态，有利于降低其位错，为后续外延层提供高晶体质量的平台，不仅可以提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力，而且还能够提高LED的发光效率。
进一步的，所述非掺杂外延层包括至少一个Al1-xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层，其中，0<x≤y<1，所述非掺杂外延层包括两个以上的所述周期结构层，则所述非掺杂外延层的应力状态处于压应力和张应力的交替变化中，进一步可以降低其位错，提高LED外延结构的晶体质量，提升LED的抗静电能力和抗老化能力。
此外，所述AlInN层具有孔状结构的表面，能够提高LED的出光效率，即进一步提升LED的发光效率。
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 (26)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
非掺杂外延层，位于所述衬底上，且所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层；
第一类型外延层，位于所述非掺杂外延层上；
量子阱层，位于所述第一类型外延层上；以及
第二类型外延层，位于所述量子阱层上。
2.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂外延层包括至少一个Al1-xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层，其中，0<x≤y<1。
3.如权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述非掺杂外延层包括两个以上的所述周期结构层。
4.如权利要求3所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所有的所述周期结构层的In组分x相同，或至少部分所述周期结构层的In组分x不同；所有的所述周期结构层的In组分y相同，或至少部分所述周期结构层的In组分y不同。
5.如权利要求4所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述周期结构层的In组分x呈渐变式变化；所述周期结构层的In组分y呈渐变式变化。
6.如权利要求5所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述周期结构层的In组分x呈递增或递减变化；所述周期结构层的In组分y呈递增或递减变化。
7.如权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，In组分x在0.06～0.18之间，In组分y在0.18～0.30之间。
8.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlInN层具有粗糙表面。
9.如权利要求8所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlInN层的粗糙表面为孔状结构。
10.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，，其特征在于，所述非掺杂外延层的厚度为2.0um～4.0um。
11.如权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlInN层的厚度在20nm～50nm之间，所述GaN层的厚度在40nm～100nm之间。
12.一种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；
在所述衬底上生长非掺杂外延层，所述非掺杂外延层包括周期层叠的AlInN层和GaN层；
在所述非掺杂外延层上生长第一类型外延层；
在所述第一类型外延层上生长量子阱层；以及
在所述量子阱层上生长第二类型外延层。
13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂外延层包括至少一个Al1- xInxN/GaN/Al1-yInyN/GaN的周期结构层，其中，0<x≤y<1。
14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂外延层包括两个以上的所述周期结构层。
15.如权利要求14所述的制备方法，其特征在于，所有的所述周期结构层的In组分x相同，或至少部分所述周期结构层的In组分x不同；所有的所述周期结构层中的In组分y相同，或至少部分所述周期结构层中的In组分y不同。
16.如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述周期结构层的In组分x呈渐变式变化；所述周期结构层的In组分y呈渐变式变化。
17.如权利要求16所述的制备方法，其特征在于，所述周期结构层的In组分x呈递增或递减变化；所述周期结构层的In组分y呈递增或递减变化。
18.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，In组分x在0.06～0.18之间，In组分y在0.18～0.30之间。
19.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述AlInN层具有粗糙表面。
20.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述AlInN层的粗糙表面为孔状结构。
21.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂外延层的生长温度在650摄氏度～1200摄氏度之间。
22.如权利要求21所述的制备方法，其特征在于，所述AlInN层的生长温度在650摄氏度～950摄氏度之间。
23.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂外延层的生长压力在50Torr～600Torr之间。
24.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，在生长所述非掺杂外延层时，V族源和III族源的流量摩尔比在2000～8000，其中，三甲基铟和三甲基铝的流量摩尔比在2～8之间。
25.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述非掺杂外延层的厚度为2.0um～4.0um。
26.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述AlInN层的厚度在20nm～50nm之间，所述GaN层的厚度在40nm～100nm之间。
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