CN115312641A - 一种氮化物光电器件的外延层结构、生长方法及芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种氮化物光电器件的外延层结构、生长方法及芯片。该外延层结构,其包括:依次层叠的衬底、P型区域层、量子调制层、发光有源区及N型区域层。该外延层结构采用P型倒置的氮化物光电器件,可以获得高质量P型区域,可以高温生长而获得高的晶体质量和掺杂效果。同时简化了外延层结构。

Description

一种氮化物光电器件的外延层结构、生长方法及芯片
技术领域
本发明属于半导体领域,具体涉及一种P型倒置的氮化物光电器件的外延层结构、生长方法及芯片。
背景技术
以氮化镓为代表的氮化物是宽禁带、直接带隙半导体材料,是跨越带隙最宽的材料系,非常适合制作覆盖紫外到红外波段的光电器件。随着上世纪末P型氮化镓活化等关键材料问题的突破,以通用照明的LED应用广泛发展起来了。当前GaN基光电器件的结构为“衬底-N型区域-发光有源区-P型区域”,沿用了传统的PN结结构。如图1所示,为现行的外延全结构“衬底-N型区域-应力释放层(SRL)-发光有源区(MQWs)-电子阻挡层(EBL)-P型区域”。以蓝宝石衬底上GaN基LED为例,能带分析如图2所示,蓝宝石衬底上高温生长N型GaN区域后,发光有源区一般为InGaN/GaN多量子阱结构(MQWs),为了提高其质量会在N型区域之后中温生长应力释放层(SRL),应力释放层一般为较厚的InGaN材料,此处的InGaN材料相比发光有源区的In组分要低,目的是做外延层的应力调控,使得真正生长发光有源区的量子阱应力更小、界面更平整,同时,应力释放层还有个作用就是开V型坑,用来增加发光有源区的面积,提升发光效率。在低温发光有源区后,为了保护量子阱,在中温生长电子阻挡层(EBL),一般为势垒较高的AlGaN材料,作用是阻挡从N型区流向有源区溢出的电子,降低漏电等,之后仍然在中温生长P型GaN区域。但是,发光有源区一般是由InGaN等材料组成,有源区的生长温度较低,而高温也会对有源区形成破坏,引起In析出等现象。所以,当前结构的P型区域生长温度不能高,只能降温生长(一般在950℃);而N型区域由于在发光有源区之前生长,可以在正常生长GaN材料的温度下生长(一般为1050~1100℃)。导致的结果是,N型区域的生长质量好,P型区域的质量差。而N型的掺杂Si元素的激活能很低,P型的掺杂Mg元素的激活能较高,对应P型的激活浓度低而N型的激活浓度高。造成氮化物光电器件存在明显的“N强P弱”的现象,制约着器件向更高性能方向发展。
发明内容
为克服上述缺陷点,本申请的目的在于:提出一种P型倒置的氮化物光电器件。可以高温生长而获得高的晶体质量和掺杂效果,同时,克服了现有的P型区域难以提升光电效率的弊端。
为实现上述目的,本申请采用的技术方案:
一种氮化物光电器件的外延层结构,其特征在于,包括:
衬底、P型区域层、量子调制层、发光有源区及N型区域层,
其中,衬底上层叠P型区域层,P型区域层上层叠量子调制层,量子调制层上层叠发光有源区,发光有源区上层叠N型区域层。该外延层结构采用P型倒置的氮化物光电器件,可以获得高质量P型区域,可以高温生长而获得高的晶体质量和掺杂效果,同时简化了外延层结构。
优选的,该量子调制层包括AlGaN/InGaN组合的循环结构。
优选的,所述循环结构由AlGaN/InGaN经周期性层叠而成,且所述循环结构用以作为所述量子调制层的超晶格或者量子阱结构。
优选的,该循环结构由AlGaN/InGaN经10~50个(如30个)交替周期层叠而成。
优选的,该衬底为蓝宝石衬底或硅衬底或碳化硅衬底。
优选的,该N型区域层键合到散热基板上。
本申请实施例提供一种氮化物光电器件的外延层结构的生长方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1、在衬底上生长P型区域层,
S2、在P型区域层上生长量子调制层,
S3、在量子调制层上生长发光有源区,
S4、在发光有源区上生长N型区域层。
该衬底较佳的选用蓝宝石衬底。
优选的,该步骤S1中包括,在1050℃-1100℃的温度表生长Mg掺杂的P型GaN。
优选的,该步骤S2中生长量子调制层包括,通过高低温组合生长的AlGaN/InGaN的循环结构。
优选的,该高低温组合生长包括:
第一温度区间850℃-1000℃生长一定厚度的AlGaN层后,
再降温至第二温度区间700℃-850℃时生长一定厚度的InGaN材料层。
本申请实施例提供一种芯片,其特征在于,具有上述方法制成的外延层结构。
优选的,该N型区域层直接键合于散热基板上。
有益效果
与现有技术相比,本申请实施方式中的P型倒置的氮化物光电器件的外延层结构,该结构下将P型区域先生长在衬底上,以获得高质量P型区域,通过高温生长而获得高的晶体质量和掺杂效果。克服现有的P型区域因晶体质量不高导致的载流子浓度低、难以提升光电效率的弊端。该外延结构特别适合垂直结构芯片场合,比如Micro-LED等,此时的N型区域可直接键合到散热基板上。
附图说明
图1为现有的外延层全结构的示意图;
图2为现有的蓝宝石衬底结构的外延层结构的能带分析示意图;
图3为本申请实施例的外延层全结构的示意图;
图4为本申请实施例的外延层全结构的能带分析示意图;
图5为本申请实施例的外延层全结构与现有外延层全结构的EL光谱叠加示意图;
图6为本申请实施例的外延层全结构的生长方法流程示意。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解,这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整,未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本申请提供一种氮化物光电器件的外延层结构,其包括:依次层叠的衬底、P型区域层、量子调制层、发光有源区及N型区域层。该外延层结构采用P型倒置的氮化物光电器件,可以获得高质量P型区域,可以高温生长而获得高的晶体质量和掺杂效果,同时简化了外延层结构。
如图3所示为本申请提出的氮化物光电器件的外延结构的示意,
该氮化物光电器件包括:
衬底1、P型区域层2、量子调制层3、发光有源区4及N型区域层5,
其中,衬底1上层叠P型区域层2,P型区域层2上层叠量子调制层3,量子调制层3上层叠发光有源区4,发光有源区4上层叠N型区域层5。该氮化物光电器件相比于现行的外延全结构“衬底-N型区域-应力释放层(SRL)-发光有源区(MQWs)-电子阻挡层(EBL)-P型区域”,可获得高质量P型区域层,克服了P型层在下方难以提升光电效率的弊端。本申请实施方式的氮化物光电器件可以在高温环境下生长高晶体质量和高激活效率的P型区域,能带分析见图4。
该量子调制层(QML)为高低温组合生长的AlGaN/InGaN的循环结构。循环结构为由AlGaN/InGaN经周期性(较佳的,介于10~50个交替周期,如30个周期)层叠成的AlGaN/InGaN/AlGaN/InGaN…,并将其循环结构作为该量子调制层的超晶格或者量子阱结构,其作用是为了实现较大能带差异的高低势垒阱的生长。高势垒用以阻挡溢出电子、低势阱用于应力驰豫,集合了应力释放层和电子阻挡层的功能,并可以通过AlGaN/InGaN中AlGaN的厚度和Al组分以及InGaN的厚度和In组分等的调整来调节势垒和势阱的高度以及外延层中应力调控,达到对不同芯片工况下的电子流进行阻挡,以及对不同量子阱结构进行前期的应力释放,具有非常高的可操作性。通过该量子调制层解决P型倒置后电子溢出需要阻挡和生长高In组分有源区前需要应力释放的双重技术难题。
之后低温生长高质量InGaN/GaN有源区结构,
然后在中温生长N型GaN区域。由于不需要生长电子阻挡层,故对有源区结构的破坏更少,适合生长高In组分、长波长段的LED。
在一实施方式中,该器件用于垂直结构芯片场合时,N型区域可直接键合到散热基板上。
本申请提出一种上述氮化物光电器件的外延结构的生长方法,该方法包括如下步骤(参见图6):
S1、在衬底上生长P型区域层,
S2、在P型区域层上生长量子调制层,
S3、在量子调制层上生长发光有源区,
S4、在发光有源区上生长N型区域层。
该衬底较佳的选用蓝宝石衬底。在其他的实施方式中,衬底为硅衬底或碳化硅衬底。
步骤S1中包括,在1080℃生长Mg掺杂的P型GaN。
步骤S2中生长量子调制层包括,通过高低温组合生长的AlGaN/InGaN的循环结构。具体的包括,第一温度区间850℃-1000℃生长一定厚度的AlGaN层后再降温至第二温度区间700℃-850℃生长一定厚度的InGaN材料层,如此循环生长。当应力释放比较大InGaN的生长温度偏低时,此时循环可拆成三段生长,AlGaN/InGaN/AlGaN的形式,其中第二个AlGaN的生长温度介于第一个AlGaN和InGaN的温度之间进行生长。目的是为了保护高In组分InGaN,提高其晶体质量。通过高低温组合生长的AlGaN/InGaN的循环结构,其实现了大能带差异的高低势垒阱的生长,高势垒用以阻挡溢出电子、低势阱用于应力驰豫,集合了应力释放层和电子阻挡层的功能。这样解决了P型生长于衬底,电子溢出需要阻挡和生长高In组分有源区前需要应力释放的双重技术难题。
量子调制层生长后再生长预设周期(如5个周期)的InGaN/GaN量子阱结构的发光有源区。然后再降温生长一定厚度的Si掺杂的N型GaN层。
下面结合具体实施方式来验证本申请提出的氮化物光电器件的效果。
试验以基于蓝宝石衬底,进行了传统外延结构和本申请外延结构的两个蓝光波段LED外延生长的对比实验。
现有技术的方案为:“衬底-N型区域-应力释放层(SRL)-发光有源区(MQWs)-电子阻挡层(EBL)-P型区域”外延结构。根据现有技术方案,在蓝宝石衬底上通过缓冲层和三维生长、直到二维GaN体材料生长后,在1060℃生长Si掺杂的N型GaN层约2um,接着在900℃生长150nm的InGaN材料,然后降温到750℃和830℃分别生长3nmInGaN和12nmGaN作为量子阱和量子垒,重复生长5个周期,然后升温到960℃生长Mg掺杂的P型AlGaN层100nm和P型GaN层100nm。为了方便表述,将以此现有技术工艺生成的的外延结构记为样品A。
本方案采用“衬底-P型区域-量子调制层(QML)-发光有源区(MQWs)-N型区域”外延结构。材料GaN体生长条件一致,在1060℃生长Mg掺杂的P型GaN约2um,接着分别在950℃、760℃和830℃,各生长1.5nm的AlGaN、2nm的InGaN和1.5nm的AlGaN材料,共生长30个周期,然后以样品A的条件同样生长5个周期的InGaN/GaN量子阱结构,然后降温到960℃生长Si掺杂的N型GaN层200nm。为了方便表述,将本方案生成的的外延结构记为样品B。
分别对样品A、样品B电致发光测试,测试的驱动电流为200mA,光谱如图5所示,图5中显示了两者的EL光谱叠加,可以明显的看到样品B的强度有所提升。因此本申请提出的P型倒置结构的氮化物光电器件在光效上较当前结构具有一定的优势。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施,并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰,都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮化物光电器件的外延层结构,其特征在于,包括:
衬底、P型区域层、量子调制层、发光有源区及N型区域层,
其中,所述衬底上层叠P型区域层,所述P型区域层上层叠量子调制层,所述量子调制层上层叠发光有源区,所述发光有源区上层叠N型区域层。
2.如权利要求1所述的氮化物光电器件的外延层结构,其特征在于,
所述量子调制层包括:AlGaN与InGaN交替组合的循环结构。
3.如权利要求1所述的氮化物光电器件的外延层结构,其特征在于,
所述衬底为蓝宝石衬底或硅衬底或碳化硅衬底。
4.如权利要求1所述的氮化物光电器件的外延层结构,其特征在于,
所述N型区域层键合到散热基板上。
5.一种氮化物光电器件的外延层结构的生长方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1、在衬底上生长P型区域层,
S2、在P型区域层上生长量子调制层,
S3、在量子调制层上生长发光有源区,
S4、在发光有源区上生长N型区域层。
6.如权利要求5所述的氮化物光电器件的外延层结构的生长方法,其特征在于,
所述步骤S1中包括,在1050℃-1100℃的温度生长Mg掺杂的P型GaN。
7.如权利要求5所述的氮化物光电器件的外延层结构的生长方法,其特征在于,
步骤S2中生长量子调制层包括,通过高低温组合生长的AlGaN/InGaN的循环结构。
8.如权利要求7所述的氮化物光电器件的外延层结构的生长方法,其特征在于,
高低温组合生长包括:
第一温度区间850℃-1000℃生长一定厚度的AlGaN层后,
再降温至第二温度区间700℃-850℃内时生长一定厚度的InGaN材料层。
9.一种芯片,其特征在于,具有如权利要求5-8中任一项方法制成的外延层结构。
10.如权利要求9所述的芯片,其特征在于,所述N型区域层直接键合于散热基板上。
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