CN115036402B - 诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种诱导增强型Micro‑LED同质外延结构及其制备方法。所述诱导增强型Micro‑LED同质外延结构包括：量子阱有源区，包括至少一个周期的量子阱层和量子垒层；极化诱导层，设置在所述量子阱有源区上；所述极化诱导层包括势垒层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气；P型半导体层，设置在所述极化诱导层上，且所述势垒层在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气。本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro‑LED同质外延结构及其制备方法极大的提高了同质Micro‑LED的发光效率。
Description
技术领域
本申请涉及一种LED外延结构，具体涉及一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
在GaN基LED中，由于P型载流子浓度较低，迁移率较小。为了提高发光效率，在蓝宝石衬底等异质外延中，通常采用生长中温的InGaN/GaN应力释放层，进行量子阱前开V型坑的方法，用来增加后期P型注入总面积，最终达到提升效率的目的。
Micro-LED是当前的研究热点，它作为新一代光电子器件，在新型显示、光通讯和光探测等领域得到广泛关注和应用。随着更小芯片尺寸的Micro-LED的研究深入，拥有更高晶体质量的GaN单晶衬底被认为是抑制Micro-LED因缺陷引起过高非辐射复合的有效方法。
例如，传统蓝宝石衬底异质外延结构如图1所示，其需要从衬底生长U型和N型GaN层，为了开V型坑和降低异质外延的应力，需要生长应力释放层，一般为InGaN单层或者InGaN/GaN超晶格结构，有源区发光层（即量子阱有源区）为InGaN量子阱/GaN量子垒结构，接着是AlGaN或者AlGaN/GaN超晶格的电子阻挡层，最后是高掺的P型GaN。但是，传统的异质外延开V型坑的结构并不适合同质，原因在于开V型坑需要基于高密度的穿透位错，而GaN同质衬底的位错密度非常低，所以当前的外延结构并不适合基于GaN同质外延的Micro-LED。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述申请目的，本申请采用的技术方案包括：
本申请实施例的一个方面提供了一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构，包括：
量子阱有源区，包括至少一个周期的量子阱层和量子垒层；
极化诱导层，包括设置在所述量子阱有源区上的势垒层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气；
P型半导体层，设置在所述极化诱导层上，且所述势垒层还在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气。
本申请实施例另一方面还提供了一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，包括：
在氮化物单晶衬底上交替生长至少一个周期的量子阱层和量子垒层，从而形成量子阱有源区；
在所述量子阱有源区上生长极化诱导层，所述极化诱导层包括势垒层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气；
在所述极化诱导层上生长P型半导体层，所述势垒层还在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气。
较之现有技术，本申请至少具有以下优点：
1）本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法，无需进行开V型坑的操作，进而简化了制备工艺；
2）本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法，在不开V型坑的情况下，通过AlN\AlGaN\AlN结构层的极化诱导效应，来增强P型注入和电子空穴载流子在量子阱区域的高度匹配，从而极大的提高了同质Micro-LED的发光效率；
3）本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构，两股高浓度的电子和空穴载流子产生的辐射复合发生在量子阱有源区的最后（可以理解为顶层区域）1-2个量子垒层中，进而使本申请中的量子阱有源区的周期数更少；
4）本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构，AlGaN势垒层兼具了传统结构中电子阻挡层的作用，对于高迁移率的电子的阻挡作用远大于空穴，进而可以保证有效辐射复合发生在量子阱有源区的量子垒层中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1是现有技术中的一种传统蓝宝石衬底异质外延结构的结构示意图；
图2是本申请一典型实施案例中提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构的结构示意图；
图3是本申请一典型实施案例中提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构的原理和效果示意图；
图4是本申请一典型实施案例中提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构中极化诱导层的能带结构和效果示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法，基于高晶体质量的GaN单晶衬底同质外延位错密度低、不易开V型坑来提高P型注入的特点，提出以同质外延低位错高平整度的特点下，在量子阱后引入空穴加强层为创新点的新型同质外延结构。
本申请实施例的一个方面提供了一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构，包括：
量子阱有源区，包括至少一个周期的量子阱层和量子垒层；
极化诱导层，包括设置在所述量子阱有源区上的势垒层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气；
P型半导体层，设置在所述极化诱导层上，且所述势垒层还在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气。
在一具体实施方式中，所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构还包括电力调控层，所述电力调控层设置在氮化物单晶衬底上，并至少用于实现应力及电子输运的调控。
在一具体实施方式中，所述电力调控层包括层叠设置在氮化物单晶衬底上的至少一周期单元，所述周期单元包括依次叠设的一应力调控层及一N型半导体层。
在一具体实施方式中，所述应力调控层的厚度为0.5-2.5nm。
在一具体实施方式中，所述N型半导体层的厚度为40-80nm。
在一具体实施方式中，所述N型半导体层的掺杂浓度为5E16-1E17cm-3。
在一具体实施方式中，所述电力调控层包括3-5个周期单元。
在一具体实施方式中，所述电力调控层的总厚度为100-200nm。
在一具体实施方式中，所述氮化物单晶衬底包括但不限于GaN单晶衬底，所述应力调控层的材质包括但不限于InGaN等，所述N型半导体层的材质包括但不限于N型GaN等。
在一具体实施方式中，所述量子阱层的材质包括但不限于InGaN等，所述量子阱层的厚度为1-3nm，所述量子垒层的材质包括但不限于GaN等，所述量子垒层的厚度为6-10nm。
在一具体实施方式中，所述量子阱有源区的周期数量为1-5。
在一具体实施方式中，所述极化诱导层还包括第一插入层和/或第二插入层，所述第一插入层设置在所述势垒层与量子阱有源区之间，所述第二插入层设置在所述势垒层与P型半导体层之间。
在一具体实施方式中，所述势垒层的材质包括AlGaN，所述势垒层中的Al含量为20at.%-50at.%。
在一具体实施方式中，所述势垒层的厚度为15-30nm。
在一具体实施方式中，所述第一插入层、第二插入层的材质包括但不限于AlN等。
在一具体实施方式中，所述第一插入层、第二插入层的厚度为0.5-1.0nm。
在一具体实施方式中，所述P型半导体层包括但不限于P型GaN等。
本申请实施例另一方面还提供了一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，包括：
在氮化物单晶衬底上交替生长至少一个周期的量子阱层和量子垒层，从而形成量子阱有源区；
在所述量子阱有源区上生长极化诱导层，所述极化诱导层包括势垒层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气；
在所述极化诱导层上生长P型半导体层，所述势垒层还在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气。
在一具体实施方式中，所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法包括：先在氮化物单晶衬底上生长电力调控层，所述电力调控层至少用于实现应力及电子输运的调控；再在所述电力调控层上形成量子阱有源区。
在一具体实施方式中，所述电力调控层包括层叠设置在氮化物单晶衬底上的至少一周期单元，所述周期单元包括依次叠设的一应力调控层及一N型半导体层。
在一具体实施方式中，所述氮化物单晶衬底包括GaN单晶衬底，所述应力调控层包括InGaN层，所述N型半导体层包括N型GaN层，其中，所述InGaN层的厚度为0.5-2.5nm。
在一具体实施方式中，所述N型GaN层的厚度为40-80nm、掺杂浓度为5E16-1E17cm-3。
在一具体实施方式中，所述电力调控层包括3-5个周期单元。
在一具体实施方式中，所述电力调控层的总厚度为100-200nm。
在一具体实施方式中，所述量子阱层的材质包括InGaN，所述量子阱层的厚度为1-3nm，所述量子垒层的材质包括GaN，所述量子垒层的厚度为6-10nm。
在一具体实施方式中，所述量子阱有源区的周期数量为1-5。
在一具体实施方式中，所述制备方法具体包括：在所述量子阱有源区和势垒层之间生长形成第一插入层和/或在所述势垒层与P型半导体层之间生长形成第二插入层，从而形成极化诱导层；
其中，所述势垒层采用厚度为15-30nm的AlGaN层，所述AlGaN层中的Al含量为20at.%-50at.%；所述第一插入层、第二插入层均采用厚度为0.5-1.0nm的AlN层。
在一具体实施方式中，所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法具体包括：
S1、将GaN单晶衬底置入生长腔室内，在保护性气氛中，以氢气对所述衬底进行清洗；
S2、于所述GaN单晶衬底上交替生长至少一InGaN层和至少一N型GaN层，从而形成电力调控层；
S3、于所述电力调控层上生长至少一InGaN量子阱层、至少一GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层和GaN量子垒层的生长依次交替进行，从而形成量子阱有源区；
S4、于所述量子阱有源区上依次生长一AlN层、一AlGaN层和另一AlN层，从而形成极化诱导层；
S5、于所述极化诱导层生长P型GaN层。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，除非特别说明的之外，本申请实施例所采中的半导体外延生长设备可以是本领域技术人员已知的。
在一些较为典型的实施方案中，一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构的结构如图2和图3所示，该诱导增强型Micro-LED同质外延结构包括依次叠层叠设置在N型GaN单晶衬底100上的电力调控层200、量子阱有源区300、极化诱导层400和P型GaN层500。
在本实施例中，所述电力调控层200至少用于实现应力及电子输运的调控，并且，所述电力调控层200包括层叠设置在N型GaN单晶衬底100上的至少一周期单元，所述周期单元包括依次叠设的一InGaN应力调控层210及一N-GaN层220。
在本实施例中，该诱导增强型Micro-LED同质外延结构是基于N型GaN单晶衬底，其上的同质外延层具有低残余应力的特性，故而生长的电力调控层的应力释放的作用被弱化，更多的在于电子输运的调控，在InGaN/GaN结构中，不同于传统结构，该InGaN层作为应力调控层，其厚度非常薄，且厚度控制在0.5-2.5nm，而N-GaN层作为主体，N-GaN层的厚度为40-80nm，并且掺杂SiH4，掺杂浓度为5E16-1E17cm-3，作用是调控来自衬底的载流子电子的速度，加快其向发光有源区量子阱的迁移速率。
示例性的，所述电力调控层200包括3-5个周期单元，所述电力调控层200的总厚度为100-200nm。
在本实施例中，所述量子阱有源区300包括InGaN/GaN超晶格结构，所述量子阱有源区300包括至少一个周期单元，每一周期单元包括叠层设置的InGaN量子阱层310和GaN量子垒层320，其中，InGaN量子阱层310的厚度为1-3nm，GaN量子垒层320的厚度为6-10nm，比传统结构会更薄，示例性的，所述量子阱有源区300的周期数量为1-5，同样量子阱有源区300的总厚度也会相对传统结构更薄些。
在本实施例中，所述极化诱导层400包括依次叠层设置在所述量子阱有源区300上的第一AlN插入层410、AlGaN势垒层420和第二AlN插入层430，所述第一AlN插入层410与所述量子阱有源区300中的一个GaN量子垒层320邻近设置，所述AlGaN势垒层420至少能够在所述GaN量子垒层320中诱导出二维电子气（2DEG）。
在本实施例中，所述AlGaN势垒层420中的Al含量为20at.%-50at.%，所述AlGaN势垒层420的厚度为15-30nm，所述第一AlN插入层410、第二AlN插入层430的厚度为0.5-1.0nm。
如图4所示，由于同质外延的高平整度特性，在极化诱导层400的下方量子阱有源区300区域，高Al组分的AlGaN势垒层420与量子阱有源区300的最后一个GaN量子垒层320将形成极化，在GaN量子垒层320诱导出高浓度的二维电子气。同时，由于内建电场的对称性和AlN插入层的能带提升作用，可以在靠近P型GaN层500的表面区域会同样诱导出高浓度的二维空穴气（2DHG）。在电流注入的情况下，两股高浓度的电子和空穴载流子就会在量子阱有源区产生大量的辐射复合，这就是极化诱导层的作用机理。
需要说明的是，本发明中的极化诱导层与量子阱有源区的GaN量子垒层、P型GaN层形成的外延结构与HEMT器件中的AlGaN/GaN异质结有所不同，HEMT器件只需要考虑高浓度的二维电子气的横向运动，而Micro-LED考虑是电子和空穴在纵向上的复合效率，以提高发光强度。
具体来说，AlGaN势垒层与量子阱有源区最后一个GaN量子垒层形成极化，在垒层诱导出高浓度的二维电子气，与之对应的，由于内建电场的对称性，在P型GaN层的表面区域会同样诱导出二维空穴气，在AlN能带提高的作用下（AlN能带大于GaN能带），在P型GaN层的表面区域诱导出高浓度的二维空穴气；而在高浓度二维空穴气的高浓度作用下，可产生隧穿效应，提高量子阱有源区中电子和空穴的复合效率，从而提高Mirco-LED的发光效率。
具体的，本发明中P型GaN层下表面诱导出的空穴浓度大于传统P-GaN的空穴浓度，具体地，P型GaN层下表面诱导出的空穴浓度大致为1E18cm-3,而传统的P-GaN的平均空穴浓度为1E17cm-3。
本申请实施例提供的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，复合发生在量子阱有源区的最后1-2个量子垒中，这也是本申请量子阱有源区周期数比传统结构可以更少的原因之一。同时， AlGaN势垒层还兼具了传统结构中电子阻挡层的作用，对于高迁移率的电子阻挡作用远大于了空穴，起到了保证有效复合发生在量子阱有源区的作用，因此可降低Mirco-LED的厚度的整体厚度。
下面将结合本申请实施例，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
一种Micro-LED外延结构的制备方法包括：
首先将N型GaN单晶衬底放入MOCVD系统的生长腔室内，在氨气保护下，将生长腔室内的温度升温到1050℃，压强控制在200torr，向生长腔室内通入H2，以对N型GaN单晶衬底进行热清洗5分钟。
接着将生长腔室内的温度降温到900℃，以在N型GaN单晶衬底上交替生长InGaN层和N型GaN层，从而形成电力调控层；所述电力调控层总共3个周期，每一周期包括一InGaN层和一N型GaN层，且控制所述InGaN层的厚度为1.5nm，N型GaN层的厚度为48.5nm，同时对N型GaN层进行SiH4掺杂，且控制掺杂浓度为1E17cm-3。
然后将生长腔室内的温度降温至780℃，以在电力调控层上进行InGaN量子阱层的生长，所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm，之后将生长腔室内的温度升温至850℃，以在InGaN量子阱层上进行GaN量子垒层的生长，所GaN量子垒层的厚度为8.5nm；重复三次，从而获得具有3个周期的蓝光发光量子阱有源区。
然后将生长腔室内的温度升温到990℃，压强降压强到100torr，于所述量子阱有源区的最后一个GaN量子垒层上依次生长一AlN层、一AlGaN层和另一AlN层，从而形成极化诱导层；且控制所述AlN层的厚度为1nm，AlGaN层的厚度为25nm，Al含量为35 at.%。
最后将生长腔室内的压强升高到200torr，在极化诱导层顶层上进行重掺的P型GaN层的生长，P型GaN层的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5E20cm-3，将获得的Micro-LED记为样品A。
对比例1
一种Micro-LED外延结构的制备方法包括：
首先将蓝宝石衬底放入MOCVD系统的生长腔室内，在H2气氛下将生长腔室内的温度升温到1050℃，同样以H2对蓝宝石衬底表面进行热清洗5分钟。
然后将生长腔室内的温度降温到550℃，压强升高到500torr，以在蓝宝石衬底上进行缓冲层的生长，且控制所述缓冲层的厚度为20nm，关闭Ga源，在氨气保护下将生长腔室内的温度升温到1025℃，进行热退火工艺，打开Ga源，在缓冲层上进行3D层的生长，且控制3D层的厚度为0.5um。
接着，将生长腔室内的压强降低到200torr，温度升温到1065℃，在3D层上进行恢复层和非掺杂GaN层的生长，厚度为1.5um。
接着，在非掺杂GaN层进行N型GaN层的生长，且控制N型GaN层的厚度为2um，Si掺杂浓度为5E18cm-3。
将生长腔室内的温度降温到880℃，在N型GaN层上进行InGaN层和GaN层的超晶格生长，生长周期数量为30，从而形成应力释放层的生长，其中，InGaN层的厚度为2nm，GaN层的厚度为3nm。
将生长腔室内的温度降温到780℃，在应力释放层上依次交替生长10个周期的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，从而形成有源区量子阱，其中，InGaN量子阱层的厚度为3nm， GaN量子垒层的厚度为12nm。
同样将生长腔室内的压强降压到100torr，以在有源区量子阱上进行电子阻挡层的生长，所述电子阻挡层为厚度为30nm的AlGaN层，AlGaN层中的Al的含量为20 at.%。
最后将生长腔室内的压强升高到200torr后，在电子阻挡层上进行重掺的P型GaN层的生长，P型GaN层的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5E20cm-3，将获得的Micro-LED记为样品B。
实施例2
一种Micro-LED外延结构的制备方法包括：
首先将N型GaN单晶衬底放入MOCVD系统的生长腔室内，在氨气保护下，将生长腔室内的温度升温到1050℃，压强控制在200torr，向生长腔室内通入H2，以对N型GaN单晶衬底进行热清洗5分钟。
接着将生长腔室内的温度降温到900℃，以在N型GaN单晶衬底上交替生长InGaN层和N型GaN层，从而形成电力调控层；所述电力调控层总共3个周期，每一周期包括一InGaN层和一N型GaN层，且控制所述InGaN层的厚度为1.5nm，N型GaN层的厚度为48.5nm，同时对N型GaN层进行SiH4掺杂，且控制掺杂浓度为1E17cm-3。
然后将生长腔室内的温度降温至780℃，以在电力调控层上进行InGaN量子阱层的生长，所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm，之后将生长腔室内的温度升温至850℃，以在InGaN量子阱层上进行GaN量子垒层的生长，所GaN量子垒层的厚度为8.5nm；重复三次，从而获得具有3个周期的蓝光发光量子阱有源区。
然后将生长腔室内的温度升温到990℃，压强降压强到100torr，于所述量子阱有源区的最后一个GaN量子垒层上依次生长一AlGaN层和一AlN层，从而形成极化诱导层；且控制所述AlN层的厚度为1nm，AlGaN层的厚度为25nm，Al的含量为35 at.%。
最后将生长腔室内的压强升高到200torr，在极化诱导层顶层上进行重掺的P型GaN层的生长，P型GaN层的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5E20cm-3，将获得的Micro-LED记为样品C。
实施例3
一种Micro-LED外延结构的制备方法包括：
首先将N型GaN单晶衬底放入MOCVD系统的生长腔室内，在氨气保护下，将生长腔室内的温度升温到1050℃，压强控制在200torr，向生长腔室内通入H2，以对N型GaN单晶衬底进行热清洗5分钟。
接着将生长腔室内的温度降温到900℃，以在N型GaN单晶衬底上交替生长InGaN层和N型GaN层，从而形成电力调控层；所述电力调控层总共3个周期，每一周期包括一InGaN层和一N型GaN层，且控制所述InGaN层的厚度为1.5nm，N型GaN层的厚度为48.5nm，同时对N型GaN层进行SiH4掺杂，且控制掺杂浓度为1E17cm-3。
然后将生长腔室内的温度降温至780℃，以在电力调控层上进行InGaN量子阱层的生长，所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm，之后将生长腔室内的温度升温至850℃，以在InGaN量子阱层上进行GaN量子垒层的生长，所GaN量子垒层的厚度为8.5nm；重复三次，从而获得具有3个周期的蓝光发光量子阱有源区。
然后将生长腔室内的温度升温到990℃，压强降压强到100torr，于所述量子阱有源区的最后一个GaN量子垒层上依次生长一AlN层、一AlGaN层和另一AlN层，从而形成极化诱导层；且控制所述AlN层的厚度为1nm，AlGaN层的厚度为25nm，Al的含量为20 at.%。
最后将生长腔室内的压强升高到200torr，在极化诱导层顶层上进行重掺的P型GaN层的生长，P型GaN层的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5E20cm-3，将获得的Micro-LED记为样品D。
实施例4
一种Micro-LED外延结构的制备方法包括：
首先将N型GaN单晶衬底放入MOCVD系统的生长腔室内，在氨气保护下，将生长腔室内的温度升温到1050℃，压强控制在200torr，向生长腔室内通入H2，以对N型GaN单晶衬底进行热清洗5分钟。
接着将生长腔室内的温度降温到900℃，以在N型GaN单晶衬底上交替生长InGaN层和N型GaN层，从而形成电力调控层；所述电力调控层总共3个周期，每一周期包括一InGaN层和一N型GaN层，且控制所述InGaN层的厚度为1.5nm，N型GaN层的厚度为48.5nm，同时对N型GaN层进行SiH4掺杂，且控制掺杂浓度为1E17cm-3。
然后将生长腔室内的温度降温至780℃，以在电力调控层上进行InGaN量子阱层的生长，所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm，之后将生长腔室内的温度升温至850℃，以在InGaN量子阱层上进行GaN量子垒层的生长，所GaN量子垒层的厚度为8.5nm；重复三次，从而获得具有3个周期的蓝光发光量子阱有源区。
然后将生长腔室内的温度升温到990℃，压强降压强到100torr，于所述量子阱有源区的最后一个GaN量子垒层上依次生长一AlN层、一AlGaN层和另一AlN层，从而形成极化诱导层；且控制所述AlN层的厚度为1nm，AlGaN层的厚度为25nm，Al的含量为50 at.%。
最后将生长腔室内的压强升高到200torr，在极化诱导层顶层的AlN层上进行重掺的P型GaN层的生长，P型GaN层的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5E20cm-3，将获得的Micro-LED记为样品E。
实施例5
一种Micro-LED外延结构的制备方法包括：
首先将N型GaN单晶衬底放入MOCVD系统的生长腔室内，在氨气保护下，将生长腔室内的温度升温到1050℃，压强控制在200torr，向生长腔室内通入H2，以对N型GaN单晶衬底进行热清洗5分钟。
然后将生长腔室内的温度降温至780℃，以在N型GaN单晶衬底上进行InGaN量子阱层的生长，所述InGaN量子阱层的厚度为1nm，之后将生长腔室内的温度升温至850℃，以在InGaN量子阱层上进行GaN量子垒层的生长，所GaN量子垒层的厚度为6nm；重复四次，从而获得具有四个周期的蓝光发光量子阱有源区。
然后将生长腔室内的温度升温到990℃，压强降压强到100torr，于所述量子阱有源区的最后一个GaN量子垒层上依次生长一AlN层、一AlGaN层和另一AlN层，从而形成极化诱导层；且控制所述AlN层的厚度为0.5nm，AlGaN层的厚度为30nm，Al含量为50 at.%。
最后将生长腔室内的压强升高到200torr，在极化诱导层顶层的AlN层上进行重掺的P型GaN层的生长，P型GaN层的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为5E20cm-3，将获得的Micro-LED记为样品F。
对实施例1-实施例5以及对比例1中的Micro-LED外延结构进行同样的芯片工艺制作形成芯片并进行测试，测试结果如表1所示。
表1 基由实施例以及对比例中的Micro-LED外延结构获得的芯片的测试结果
由表1可以看出，采用样品A、样品C、样品D、样品E、样品F获得的Micro-LED芯片的量子效率更高，发光强度也有了提升，同时其他性能方面也不输由样品B获得的Micro-LED芯片。
本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构及其制备方法，无需进行开V型坑的操作，进而简化了制备工艺，并且，在不开V型坑的情况下，通过AlN\AlGaN\AlN结构层的极化诱导效应，来增强P型注入和电子空穴载流子在量子阱区域的高度匹配，从而极大的提高了同质Micro-LED的发光效率。
本申请实施例提供的一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构，两股高浓度的电子和空穴载流子产生的辐射复合发生在量子阱有源区的最后（可以理解为顶层区域）1-2个量子垒层中，进而使本申请中的量子阱有源区的周期数更少，以及，其中的AlGaN势垒层兼具了传统结构中电子阻挡层的作用，对于高迁移率的电子的阻挡作用远大于了空穴，进而可以保证有效辐射复合发生在量子阱有源区的量子垒层中。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的保护范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (25)
1.一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于包括：
N型GaN单晶衬底；
电力调控层，设置在所述N型GaN单晶衬底上，所述电力调控层包括N型半导体层；
量子阱有源区，包括设置在电力调控层上的至少一个周期的量子阱层和量子垒层，所述量子垒层的材质包括GaN；
极化诱导层，包括设置在所述量子阱有源区上的势垒层以及第一插入层和/或第二插入层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气，所述第一插入层设置在所述势垒层与量子阱有源区之间，所述第二插入层设置在所述势垒层与P型半导体层之间，所述势垒层的材质包括AlGaN，所述第一插入层、第二插入层的材质包括AlN；
P型半导体层，设置在所述极化诱导层上，且所述势垒层还在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气，所述P型半导体层包括P型GaN。
2.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述电力调控层至少用于实现应力及电子输运的调控。
3.根据权利要求2所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述电力调控层包括层叠设置在N型GaN单晶衬底上的至少一周期单元，所述周期单元包括依次叠设的一应力调控层及一N型半导体层。
4.根据权利要求3所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述应力调控层的厚度为0.5-2.5nm。
5.根据权利要求1或3所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述N型半导体层的厚度为40-80nm。
6.根据权利要求1或3所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述N型半导体层的掺杂浓度为5E16-1E17cm-3。
7.根据权利要求3所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述电力调控层包括3-5个周期单元。
8.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述电力调控层的总厚度为100-200nm。
9.根据权利要求3所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述应力调控层的材质包括InGaN，所述N型半导体层的材质包括N型GaN。
10.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述量子阱层的材质包括InGaN，所述量子阱层的厚度为1-3nm，所述量子垒层的厚度为6-10nm。
11.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述量子阱有源区的周期数量为1-5。
12.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述势垒层中的Al含量为20at.%-50at.%。
13.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述势垒层的厚度为15-30nm。
14.根据权利要求1所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构，其特征在于：所述第一插入层、第二插入层的厚度为0.5-1.0nm。
15.一种诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于包括：
在N型GaN单晶衬底上生长电力调控层，所述电力调控层包括N型半导体层；
在电力调控层上交替生长至少一个周期的量子阱层和量子垒层，从而形成量子阱有源区，所述量子垒层的材质包括GaN；
在所述量子阱有源区上生长势垒层，以及，在所述量子阱有源区和势垒层之间生长形成第一插入层和/或在所述势垒层与P型半导体层之间生长形成第二插入层，从而形成极化诱导层，所述势垒层与所述量子阱有源区中的一个量子垒层形成极化，并至少在所述量子垒层中诱导出二维电子气，所述势垒层采用AlGaN层，所述第一插入层、第二插入层均采用AlN层；
在所述极化诱导层上生长P型半导体层，所述势垒层在所述P型半导体层的表面区域诱导出二维空穴气，所述P型半导体层包括P型GaN。
16.根据权利要求15所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述电力调控层至少用于实现应力及电子输运的调控。
17.根据权利要求15所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述电力调控层包括层叠设置在N型GaN单晶衬底上的至少一周期单元，所述周期单元包括依次叠设的一应力调控层及一N型半导体层。
18.根据权利要求17所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述应力调控层包括InGaN层，所述N型半导体层包括N型GaN层，其中，所述InGaN层的厚度为0.5-2.5nm。
19.根据权利要求18所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述N型GaN层的厚度为40-80nm、掺杂浓度为5E16-1E17cm-3。
20.根据权利要求17所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述电力调控层包括3-5个周期单元。
21.根据权利要求17所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述电力调控层的总厚度为100-200nm。
22.根据权利要求15所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述量子阱层的材质包括InGaN，所述量子阱层的厚度为1-3nm，所述量子垒层的厚度为6-10nm。
23.根据权利要求15所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述量子阱有源区的周期数量为1-5。
24. 根据权利要求15所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于：所述AlGaN层的厚度为15-30nm，所述AlGaN层中的Al含量为20at.%-50at.%；所述AlN层的厚度为0.5-1.0nm 。
25.根据权利要求15所述的诱导增强型Micro-LED同质外延结构的制备方法，其特征在于，具体包括：
S1、将N型GaN单晶衬底置入生长腔室内，在保护性气氛中，以氢气对所述衬底进行清洗；
S2、于所述N型GaN单晶衬底上交替生长至少一InGaN层和至少一N型GaN层，从而形成电力调控层；
S3、于所述电力调控层上生长至少一InGaN量子阱层、至少一GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层和GaN量子垒层的生长依次交替进行，从而形成量子阱有源区；
S4、于所述量子阱有源区上依次生长一AlN层、一AlGaN层和另一AlN层，从而形成极化诱导层；
S5、于所述极化诱导层生长P型GaN层。
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