CN111276583A - 一种GaN基LED外延结构及其制备方法、发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN基LED外延结构及其制备方法、发光二极管，涉及半导体技术领域，该GaN基LED外延结构包括由下而上依次设置的衬底、n型掺杂层、量子阱有源层、电子阻挡层和p型掺杂层，n型掺杂层形成在衬底上，量子阱有源层形成在n型掺杂层上，电子阻挡层形成在量子阱有源层上，p型掺杂层形成在电子阻挡层上，其中p型掺杂层的极性与电子阻挡层的极性相反。在p型掺杂层的极性与电子阻挡层的界面处存在高密度净极化负电荷，因此诱导电子阻挡层导带能级抬得更高，产生一个更高的势垒阻挡电子泄漏，同时降低空穴注入的阻挡势垒，实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高了发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法、发光二极管。
背景技术
基于GaN的发光二极管(LED)通常面临在大电流下发光效率下降、发热增加的问题。电子从量子阱结构的有源区泄漏被认为是效率下降的主要原因之一。为了防止电子泄漏，通常在有源区与p型区域间加入一层电子阻挡层，比如说AlGaN层。该电子阻挡层具有比量子垒更高的导带能级，因而可以阻挡电子从有源区泄漏到p型区域。但由于在电子阻挡层与量子垒界面极化电荷的影响，电子阻挡层能带向下弯曲，从而降低了阻挡电子的有效势垒高度。另一方面，电子阻挡层的价带往往也比p型区域和量子垒能级高，因此电子阻挡层在阻挡电子的同时，也会阻挡空穴注入到有源区，导致空穴注入效率降低。提高电子阻挡势垒高度以及降低空穴阻挡高度是提高GaN LED发光效率的有效方法。
在基于AlGaN的电子阻挡层LED结构中，增加AlGaN层中的Al组分来提高电子阻挡势垒高度，但同时也会增加阻挡空穴注入的势垒高度。为了减小极化效应对电子阻挡势垒高度的影响，有研究报道采用极性匹配的AlInN或者AlGaInN层理论上可减小电子阻挡层与量子垒间的极化电荷，从而提高有效电子阻挡势垒，但实际AlInN和AlGaInN材料生长比较困难。目前还未有有效地手段能够在阻挡有源区电子泄漏到发光二极管的p掺杂区域，同时又降低空穴注入的阻挡势垒，实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高。
有鉴于此，设计制造出一种能够实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高发光二极管的发光效率的GaN基LED外延结构就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构，其能够实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高发光二极管的发光效率。
本发明的另一目的在于提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，能够实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高。
本发明的另一目的在于提供一种发光二极管，发光效率高。
本发明是采用以下的技术方案来实现的。
在一方面，本发明提供了一种GaN基LED外延结构，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的n型掺杂层；
形成在所述n型掺杂层上的量子阱有源层；
形成在所述量子阱有源层上的电子阻挡层；
形成在所述电子阻挡层上的p型掺杂层；
其中，所述p型掺杂层的极性与所述电子阻挡层的极性相反。
进一步地，所述量子阱有源层、所述n型掺杂层和所述电子阻挡层的极性相同。
进一步地，所述电子阻挡层为镓面极性，所述p型掺杂层为氮面极性。
进一步地，所述电子阻挡层的能带宽度大于所述量子阱有源层中势垒的能带宽度。
进一步地，所述n型掺杂层的材料为Si掺杂的GaN或者AlGaN或者AlN。
进一步地，所述p型掺杂层的材料为Mg掺杂的GaN或AlGaN。
进一步地，所述量子阱有源层的材料为GaN/InGaN或AlGaN/GaN或AlN/GaN。
进一步地，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、硅或氮化镓。
在另一方面，本发明提供了一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上形成n型掺杂层；
在所述n型掺杂层上形成量子阱有源层；
在所述量子阱有源层上形成电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上形成与电子阻挡层极性相反的p型掺杂层。
在另一方面，本发明提供了一种发光二极管，包括P电极、N电极和GaN基LED外延结构，GaN基LED外延结构，包括：衬底；形成在所述衬底上的n型掺杂层；形成在所述n型掺杂层上的量子阱有源层；形成在所述量子阱有源层上的电子阻挡层；形成在所述电子阻挡层上的p型掺杂层；其中，所述p型掺杂层的极性与所述电子阻挡层的极性相反。所述N电极设置在所述n型掺杂层上，所述P电极设置在所述p型掺杂层上。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种GaN基LED外延结构，通过在衬底上形成n型掺杂层，在n型掺杂层上形成量子阱有源层，在量子阱有源层上形成电子阻挡层，在电子阻挡层上形成p型掺杂层，其中p型掺杂层的极性与电子阻挡层的极性相反，从而使得在p型掺杂层的极性与电子阻挡层的界面处存在高密度的净极化负电荷，其密度大于传统结构在同一位置处的净极化电荷，因此诱导电子阻挡层导带能级抬得更高，产生一个更高的势垒阻挡电子泄漏，同时降低空穴注入的阻挡势垒，实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高了发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的GaN基LED外延结构的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的GaN基LED外延结构的能带图；
图3为本发明第一实施例提供的GaN基LED外延结构的制备步骤框图；
图4为本发明第二实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图5为本发明第二实施例提供的发光二极管的电流强度与发光功率的关系示意图；
图6为本发明第二实施例提供的发光二极管的波长与光强的关系示意图。
图标：100-GaN基LED外延结构；110-衬底；130-n型掺杂层；150-量子阱有源层；170-电子阻挡层；190-p型掺杂层；200-发光二极管；210-P电极；230-N电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
正如背景技术中所公开的，在现有技术中，通常通过Al组分渐变的AlGaN电子阻挡层，AlInN电子阻挡层来实现对电子的阻挡。其中，在基于AlGaN的电子阻挡层LED结构中，增加AlGaN层中的Al组分来提高电子阻挡势垒高度，但同时也会增加阻挡空穴注入的势垒高度。为了减小极化效应对电子阻挡势垒高度的影响，也可以采用极化强度匹配的AlInN或者AlGaInN层来作为电子阻挡层，理论上可减小电子阻挡层与量子垒间的极化电荷，从而提高电子阻挡有效势垒，但实际AlInN和AlGaInN材料生长比较困难，且其同样无法解决p型电子阻挡层对电子阻挡效果越明显，空穴注入效率下降就越大的问题。故现有技术中还未有一种能够很好实现p型电子阻挡层对电子阻挡效果好，同时空穴注入效率高的GaN基LED。
本发明采用常规的AlGaN电子阻挡层，同时利用制造工艺的改进将p型掺杂层的极性设置为与电子阻挡层的极性相反，使得在p型掺杂层的极性与电子阻挡层的界面处存在高密度的净极化负电荷，其密度大于传统结构在同一位置处的净极化电荷，因此诱导电子阻挡层导带能级抬得更高，产生一个高的势垒阻挡电子泄漏，同时降低空穴注入的阻挡势垒，实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例中的特征可以相互组合。
第一实施例
结合参见图1和图2，本实施例提供了一种GaN基LED外延结构100，其适用于发光二极管200，能够实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高发光二极管200的发光效率。
本实施例提供的GaN基LED外延结构100，包括由下而上依次设置的衬底110、n型掺杂层130、量子阱有源层150、电子阻挡层170和p型掺杂层190，n型掺杂层130形成在衬底110上，量子阱有源层150形成在n型掺杂层130上，电子阻挡层170形成在量子阱有源层150上，p型掺杂层190形成在电子阻挡层170上，其中p型掺杂层190的极性与电子阻挡层170的极性相反。
本实施例中p型掺杂层190的极性与电子阻挡层170的极性相反，从而使得在p型掺杂层190的极性与电子阻挡层170的界面处存在高密度的净极化负电荷，其密度大于传统结构在同一位置处的净极化电荷，因此诱导电子阻挡层170导带能级抬得更高，产生一个高的势垒阻挡电子泄漏，同时降低空穴注入的阻挡势垒，实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高了发光二极管200的发光效率。具体效果图可参见图2。
需要说明的是，本实施例提供的GaN基LED外延结构100，在外延生长的过程中即通过工艺实现了各层级结构的极性设置，在实际使用时，在n型掺杂层130和p型掺杂层190上分别设置电极，以形成发光二极管200实现发光。其中衬底110在一些情况下可以剥离，也可以直接将衬底110贴设在发光二极管200的基底上。
下面依次介绍各层级结构的组成结构，在本实施例中，衬底110为与主体外延结构(n型掺杂层130等)同质或者异质的材料，从而作为主体外延结构生长的基板，例如蓝宝石、碳化硅、硅或者氮化镓等。关于衬底110的材料在此不作具体限定，但凡是能够实现主体外延结构生长的材料均在本发明的保护范围之内。
在衬底110上生长形成的n型掺杂层130，包含n型掺杂的具有电子导电属性的三族氮化物半导体材料，例如掺杂Si的GaN或者AlGaN或者AlN，本实施例中优选为AlGaN材料，易于生长。
在n型掺杂层130上生长形成的量子阱有源层150，其包含基于三族氮化物半导体材料的量子阱结构，包括交替设置的量子阱和量子垒，可为单量子阱或多量子阱，本实施例中为多量子阱，多个量子阱和多个量子垒交替设置，具体地，量子阱有源层150的材料为GaN/InGaN或AlGaN/GaN或AlN/GaN，优选地，量子垒的材料的GaN。
在量子阱有源层150上生长形成的电子阻挡层170，其能带宽度大于或等于量子阱有源层150结构中势垒的能带宽度，即大于量子垒的能带宽度。本实施例中在量子垒为GaN的情况下，电子阻挡层170的材料为AlGaN。
在电子阻挡层170上生长形成的p型掺杂层190，其包含p型掺杂的具有空穴导电属性的三族氮化物半导体材料，例如掺杂Mg的GaN或者AlGaN，具有与电子阻挡层170相反的极化方向。本实施例中优选为GaN，易于生长控制。
在本实施例中，量子阱有源层150、n型掺杂层130和电子阻挡层170的极性相同，方便生长时同一极性进行生长。具体地，电子阻挡层170为镓面极性，即量子阱有源层150、n型掺杂层130均为镓面极性。此外，p型掺杂层190为氮面极性，从而实现与电子阻挡层170的极性方向相反。
值得注意的是，本实施例中量子阱有源层150、n型掺杂层130和电子阻挡层170的极化方向相同，例如均为[0001]方向极化，即均为镓面极性。同时p型掺杂层190具有与电子阻挡层170相反的极化方向，例如为[000-1]方向极化，即为氮面极性。通过镓面极性的电子阻挡层170和氮面极性的p型掺杂层190，从而使得本实施例结构在p掺杂层与电子阻挡层170的界面处存在高密度的净极化负电荷，其密度大于传统结构在p掺杂层与电子阻挡层170的界面处的净极化电荷，因此诱导电子阻挡层170导带能级抬得更高，产生一个更高的势垒阻挡电子泄漏；界面处高密度的净极化负电荷也会同时诱导电子阻挡层价带能级向上弯曲，在界面处产生高浓度的空穴，在增加p区空穴浓度的同时又降低了空穴注入到有源区的势垒。
需要说明的是，GaN主要有两种极性，即镓面(Ga)极性和氮面(N)极性，其中镓面极性的极化方向为[0001]，氮面极性的极化方向为[000-1]。研究表明极性对单晶材料的表面形貌、生长过程中的RHEED图形、二维电子器的浓度和迁移率以及高电子迁移率晶体管的性能都有着极为重要的影响。
还需要说明的是，GaN材料的极性受很多因素的影响，例如生长方法(MOVPE或MBE)、生长速率、缓冲层和生长时Ⅴ/Ⅲ比等，本实施例中可以通过控制生长方法的方式来实现各层级结构极性的设置，具体可参见现有技术中GaN材料极性转换的原理，在此不作具体介绍。
参见图3，本实施例还提供了一种GaN基LED外延结构100的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底110上形成n型掺杂层130。
具体地，通过在衬底110上沉积形成n型掺杂层130。在较佳的实施例中，可以在衬底110上首先生长形成缓冲层，再在缓冲层上生长形成n型掺杂层130。
S2：在n型掺杂层130上形成量子阱有源层150。
具体地，在n型掺杂层130上沉积形成量子阱有源层150，量子阱有源层150为多量子阱结构，其重复周期和厚度可根据实际出光需求而定，例如重复周期为2-10，单周期厚度在3-12nm之间。
S3：在量子阱有源层150上形成电子阻挡层170。
具体地，在量子阱有源层150上沉积形成电子阻挡层170，其中电子阻挡层170也为p型掺杂的AlGaN，且电子阻挡层170的能带宽度大于或等于量子阱有源层150结构中势垒的能带宽度。
S4：在电子阻挡层170上形成与电子阻挡层170极性相反的p型掺杂层190。
具体地，在电子阻挡层170上沉积形成与电子阻挡层170极性相反的p型掺杂层190，其中p型掺杂层190的和电子阻挡层170的极性设置可通过生长方法进行控制。
需要说明的是，本实施例中n型掺杂层130、量子阱有源层150、电子阻挡层170和p型掺杂层190均采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)法的外延生长而形成，当然此处也可以采用其他生长方式。
综上所述，本实施例提供的一种GaN基LED外延结构100，通过镓面极性的电子阻挡层170和氮面极性的p型掺杂层190，从而使得本实施例结构在p掺杂层与电子阻挡层170的界面处存在高密度负的净极化电荷，其密度大于传统结构在p掺杂层与电子阻挡层170的界面处的净极化电荷，因此诱导电子阻挡层170导带能级抬得更高，产生一个更高的势垒阻挡电子泄漏，有利于空穴注入多量子阱有源区，从而实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高了发光二极管200的发光效率。
第二实施例
参见图4，本实施例提供了一种发光二极管200，包括P电极210、N电极230和GaN基LED外延结构100，其中GaN基LED外延结构100的基本结构和原理及产生的技术效果和第一实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。
本实施例提供的发光二极管200包括P电极210、N电极230和GaN基LED外延结构100，GaN基LED外延结构100包括衬底110、形成在衬底110上的n型掺杂层130、形成在n型掺杂层130上的量子阱有源层150、形成在量子阱有源层150上的电子阻挡层170、形成在电子阻挡层170上的p型掺杂层190，其中，p型掺杂层190的极性与电子阻挡层170的极性相反。N电极230设置在n型掺杂层130上，P电极210设置在p型掺杂层190上。
具体地，本实施例中发光二极管200为常规的平面型结构，在使用时无需剥离衬底110，P电极210设置在p型掺杂层190的上表面，N电极230设置在n型掺杂层130的上表面，其具体制造工艺在此不做详细介绍。在其他较佳的实施例中，发光二极管200也可以是垂直型结构，N电极230设置在n型掺杂层130的下表面，此时需要剥离衬底110使用，具体制造工艺在此不做详细介绍。
参见图5和图6，图5和图6表明了本申请提供的发光二极管200的发光效率与传统结构比较而产生的技术效果。具体地，通过镓面极性的电子阻挡层170和氮面极性的p型掺杂层190，从而使得本实施例结构在p掺杂层与电子阻挡层170的界面处存在高密度负的净极化电荷，其密度大于传统结构在p掺杂层与电子阻挡层170的界面处的净极化电荷，因此诱导电子阻挡层170导带能级抬得更高，产生一个高的势垒阻挡电子泄漏，有利于空穴注入多量子阱有源区，从而实现电子阻挡效率和空穴注入效率的提高，从而提高了发光二极管200的发光效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的n型掺杂层；
形成在所述n型掺杂层上的量子阱有源层；
形成在所述量子阱有源层上的电子阻挡层；
形成在所述电子阻挡层上的p型掺杂层；
其中，所述p型掺杂层的极性与所述电子阻挡层的极性相反。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述量子阱有源层、所述n型掺杂层和所述电子阻挡层的极性相同。
3.根据权利要求1或2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层为镓面极性，所述p型掺杂层为氮面极性。
4.根据权利要求1或2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层的能带宽度大于所述量子阱有源层中势垒的能带宽度。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述n型掺杂层的材料为Si掺杂的GaN或者AlGaN或者AlN。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述p型掺杂层的材料为Mg掺杂的GaN或AlGaN。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述量子阱有源层的材料为GaN/InGaN或AlGaN/GaN或AlN/GaN。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、硅或氮化镓。
9.一种GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上形成n型掺杂层；
在所述n型掺杂层上形成量子阱有源层；
在所述量子阱有源层上形成电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上形成与所述电子阻挡层极性相反的p型掺杂层。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括P电极、N电极和如权利要求1-8任一项所述的GaN基LED外延结构，所述N电极设置在所述n型掺杂层上，所述P电极设置在所述p型掺杂层上。
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2020
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