CN204809246U - GaN基LED外延结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种GaN基LED外延结构，LED外延结构从下向上依次包括：衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型GaN层。其中，MQW有源层包括InGaN阱层、以及生长在InGaN阱层之上的掺杂垒层，掺杂垒层为AlxGa(1-x)N垒层，AlxGa(1-x)N垒层中Al的摩尔含量从与InGaN阱层接触的下表面到与P型GaN层接触的上表面先递增，再递减。本实用新型采用渐变的AlxGa（ 1-x ）N多量子阱层结构形成能级梯度，与InGaN阱层形成的压应力减小，可以有效释放量子阱中的压应力，改善其极化电场效应，减弱量子阱内的斯托克斯效应，提高电子载流子和空穴载流子符合几率，提高内量子效率，从而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种GaN基LED外延结构。
背景技术
GaN（氮化镓）是制作LED外延片的材料之一。GaN是极稳定的化合物和坚硬的高熔点材料，也是直接跃迁的宽带隙半导体料，不仅具有良好的物理和化学性质，而且具有电子饱和速率高、热导率好、禁带宽度大和介电常数小等特点和强的抗辐照能力，可用来制备稳定性能好、寿命长、耐腐蚀和耐高温的大功率器件。
通常，GaN基LED在蓝宝石衬底上进行外延生长。传统的GaN基LED外延结构一般采用InGaN/GaN的MQW（multiplequantumwell，多量子阱）有源发光层结构。因InN（氮化铟）与GaN之间存在着很大的晶格失配（约为11％），导致GaN基LED发光层的多量子阱InGaN/GaN中也存在着很大的压应力。一方面，压应力会产生压电极化电场，引起量子阱能带的倾斜，使电子和空穴波函数的交叠减少，造成内量子效率的下降，即所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）；另一方面，压应力会影响量子阱中In的有效合并，使其难以形成晶体质量良好的高In组份的量子阱，从而使LED的发光效率较低。所以InGaN量子阱中应力的调制成为提高发光效率的关键因素之一。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种GaN基LED外延结构。
为了实现上述目的，本实用新型一实施方式提供一种GaN基LED外延结构，该LED外延结构从下向上依次包括：衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型GaN层。其中，MQW有源层包括InGaN阱层、以及生长在InGaN阱层之上的掺杂垒层，掺杂垒层为AlxGa(1-x)N垒层，AlxGa(1-x)N垒层中Al的摩尔含量从与InGaN阱层接触的下表面到与P型GaN层接触的上表面先递增，再递减。
作为本实施方式的进一步改进，掺杂垒层与InGaN阱层接触的下表面中，x的取值为0。
作为本实施方式的进一步改进，掺杂垒层与P型GaN层接触的上表面中，x的取值为0。
作为本实施方式的进一步改进，掺杂垒层自下向上包括第一掺杂垒层及第二掺杂垒层，第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，第二掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0。
作为本实施方式的进一步改进，第一掺杂垒层厚度范围为20-80埃。
作为本实施方式的进一步改进，第二掺杂垒层厚度范围为20-80埃。
作为本实施方式的进一步改进，掺杂垒层自下向上包括第一掺杂垒层、第二掺杂垒层及第三掺杂垒层，第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，第二掺杂垒层不掺杂铝或者掺杂恒定浓度的铝，第三掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0。
作为本实施方式的进一步改进，掺杂垒层自下向上包括第一掺杂垒层、第二掺杂垒层及第三掺杂垒层，第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，第二掺杂垒层AlxGa(1-x)N中x为恒定值，x的取值范围为4%到10%，第三掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0。
作为本实施方式的进一步改进，上述第一掺杂垒层厚度20-40埃，第二掺杂垒层厚度40-60埃，第三掺杂垒层厚度20-40埃。
作为本实施方式的进一步改进，AlxGa(1-x)N垒层中Al的摩尔含量从与InGaN阱层接触的下表面到与P型GaN层接触的上表面先线性递增，再线性递减。
与现有技术相比，本实用新型采用渐变的AlxGa（1-x）N多量子阱层结构形成能级梯度，与InGaN阱层形成的压应力减小，可以有效释放量子阱中的压应力，改善其极化电场效应，减弱量子阱内的斯托克斯效应，提高电子载流子和空穴载流子符合几率，提高内量子效率，从而提高LED的发光效率。
附图说明
图1是本实用新型一实施方式中GaN基LED外延结构的结构示意图；
图2是本实用新型一实施方式中GaN基LED外延结构的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。
如图1所示，本实用新型提供的GaN基LED外延结构，该LED外延结构从下向上依次包括：衬底10，N型GaN层20，MQW有源层30，P型GaN层40。
本实用新型一实施方式中，衬底10的材料为蓝宝石衬底，当然，在本实用新型的其他实施方式中，衬底10也可以为其他衬底材料，如Si、SiC等。
本实用新型一实施方式中，N型GaN层20优选高温N型GaN层。
本实用新型一实施方式中，MQW有源层30包括：从下向上依次生成的InGaN阱层31、以及生长在InGaN阱层之上的掺杂垒层33。
本实用新型一实施方式中，掺杂垒层33为AlxGa(1-x)N掺杂垒层，该AlxGa(1-x)N掺杂垒层中Al的摩尔含量从与InGaN阱层31接触的下表面到与P型GaN层40接触的上表面方向先逐渐增加，再逐渐减小。
本发明一实施方式中，掺杂垒层33中Al的摩尔含量从与InGaN阱层31接触的下表面到与P型GaN层40接触的上表面方向先线性递增，再线性递减。
进一步的，掺杂垒层33自下向上包括第一掺杂垒层及第二掺杂垒层。其中，第一掺杂垒层在GaN中掺杂自下向上含量逐渐升高的铝，且铝的摩尔含量由0渐升至10%，即，第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，第一掺杂垒层厚度范围为20-80埃。第二掺杂垒层在GaN中掺杂自下向上含量逐渐降低的铝，且铝的摩尔含量由10%渐减至0，即，第二掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0，第二掺杂垒层厚度20-80埃。
又或者，掺杂垒层33自下向上包括第一掺杂垒层、第二掺杂垒层及第三掺杂垒层。其中，第一掺杂垒层自下向上掺杂含量逐渐升高的铝，且铝的摩尔含量由0渐升至10%，即，第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，第一掺杂垒层厚度20-40埃；第二掺杂垒层不掺杂铝或者掺杂恒定浓度的铝，若掺杂铝，其摩尔含量为4%到10%，即，第二掺杂垒层AlxGa(1-x)N中，x的取值范围为4%到10%，第二掺杂垒层厚度40-60埃；第三掺杂垒层掺杂自下向上含量逐渐降低的铝，且铝的摩尔含量由10%渐减至0，即，第三掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0，第三掺杂垒层厚度20-40埃。
本实用新型一实施方式中，AlxGa(1-x)N掺杂垒层33与InGaN阱层31接触的下表面中，x的取值为0；
AlxGa(1-x)N掺杂垒层33与P型GaN层40接触的上表面中，x的取值为0。
如此，采用渐变的AlxGa（1-x）N多量子阱层结构形成能级梯度，在与InGaN接触的表面上不掺杂Al，使该表面因晶格材料差异形成的压应力减小，可以有效释放量子阱中的压应力，改善其极化电场效应，减弱量子阱内的斯托克斯效应，提高电子载流子和空穴载流子符合几率，提高内量子效率。
本实用新型一实施方式中，P型GaN层40优选高温P型GaN。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本实用新型一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的成核层701。
其中，成核层701优选低温GaN成核层，并将TMGa作为Ga源。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本实用新型一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的氮化物缓冲层703。
氮化物缓冲层703可为GaN缓冲层或AlN缓冲层；本实用新型优选实施方式中，氮化物缓冲层703为厚度为0.5-1um间的高温GaN缓冲层；当然，在本实用新型的其他实施方式中，GaN缓冲层还可以包括高温条件下生长的高温GaN缓冲层和低温条件下生长的低温GaN缓冲层，在此不做详细赘述。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本实用新型一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的非掺杂GaN层705；本实用新型优选实施方式中，非掺杂GaN层705为非掺杂高温u-GaN层。
当然，在上述图1所示LED外延结构的基础上，在本实用新型的其他实施方式中，上述成核层701、氮化物缓冲层703、非掺杂GaN层705还可以任意组合加入到LED外延结构中，例如：LED外延结构从下向上依次包括：衬底10、成核层701、氮化物缓冲层703、非掺杂GaN层705、N型GaN层20、MQW有源层30、P型GaN40层，在此不做详细赘述。
在上述图1所示LED外延结构的基础上，本实用新型一实施方式中，LED外延结构还包括：生长于P型GaN层40上的欧姆接触层50，本实用新型优选实施方式中，欧姆接触层50为P型GaN接触层，进一步的，欧姆接触层50为高压p型InGaN层，在此不做详细赘述。
结合图2所示，前述LED外延结构的制备方法包括：
S1、提供一衬底，
S2、在所述衬底上生长N型GaN层，
S3、在所述N型GaN层上生长InGaN阱层，
S4、在所述InGaN阱层上生长掺杂垒层，
S5、在所述掺杂垒层上生长P型GaN层，
其中，所述掺杂垒层为AlxGa(1-x)N垒层，所述AlxGa(1-x)N垒层中Al的摩尔含量从与InGaN阱层接触的下表面到与P型GaN层接触的上表面方向先逐渐增加，再逐渐减小。
在本实用新型一实施方式中，所述步骤S1后，所述方法还包括:S61、在所述N型GaN层上生长成核层；
S62、在所述成核层上生长氮化物缓冲层；
S63、在所述氮化物缓冲层上生长非掺杂GaN层；
当然，本实用新型一实施方式中，所述步骤S61、S62、S63还可以任意组合：
例如：所述步骤S1后，所述方法还包括：S61、在所述N型GaN层上生长成核层；
或S62、在所述N型GaN层上生长氮化物缓冲层；
或S63、在所述氮化物缓冲层上生长非掺杂GaN层；在此不做详细赘述。
在本实用新型一实施方式中，所述步骤S5后，所述方法还包括:
S7、在所述P型GaN层上生长欧姆接触层。
需要说明的是，通过上述方法制备出的衬底、成核层、氮化物缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN阱层、掺杂垒层、P型GaN层、欧姆接触层的具体组分可以参考前述GaN基LED外延结构，在此不做详细赘述。
以下结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例一
在本实施例中，LED外延结构的制备方法具体包括：
M1、提供一衬底；
所述衬底为蓝宝石衬底，在氢气气氛里进行退火，清洁蓝宝石衬底表面，温度控制在1050-1100℃之间，然后进行氮化处理1-3min。
M2、在所述N型GaN层上生长成核层；
将温度下降到500-550℃之间，在所述N型GaN层上生长15-25nm厚的低温GaN成核层，生长压力控制在500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在80-120之间，石墨盘转速稳定在600转/分钟，并将TMGa作为Ga源。
M3、在所述成核层上生长成氮化物缓冲层；
进行原位退火处理，在所述成核层上生长厚度为0.5-1um间的高温GaN缓冲层。
M4、在所述氮化物缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在所述氮化物缓冲层上生长一层非掺杂高温u-GaN层。
M5、在所述氮化物缓冲层上生长N型GaN层；
在所述氮化物缓冲层上生长一层高温N型GaN层。
M6、在所述N型GaN层上生长InGaN阱层；
在所述高温N型GaN层生长结束后，生长至少一个InGaN的阱层，生长压力100-400torr，生长温度750-790℃。
M7、在所述InGaN阱层上生长掺杂垒层；
具体的，先生长一层Al组分逐渐升高的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，在AlxGa(1-x)N垒层与InGaN阱层接触的下表面中，所述x的取值为0，并且在AlxGa(1-x)N垒层远离InGaN阱层的方向上，x渐增至最大值10%。
然后，其上再生长一层Al组分逐渐降低的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，x由最大值10%开始降低，在AlxGa(1-x)N垒层与P型GaN层接触的上表面中，所述x的取值降低为0。
M8、在所述掺杂垒层上生长P型GaN层；
在所述掺杂垒层上生长高温P型GaN。
M9、在所述P型GaN层上生长欧姆接触层；
在所述P型GaN层上生长高压P型GaN接触层。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，M7被如下步骤代替：
M7’、在所述InGaN阱层上生长掺杂垒层；
具体的，先生长一层Al组分逐渐升高的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，在AlxGa(1-x)N垒层与InGaN阱层接触的下表面中，所述x的取值为0，并且在AlxGa(1-x)N垒层远离InGaN阱层的方向上，x渐增至最大值10%。
然后，再生长一层Al组分不变的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，x取值范围为4%-10%。
最后，其上再生长一层Al组分逐渐降低的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，x由最大值10%开始降低，在AlxGa(1-x)N垒层与P型GaN层接触的上表面中，所述x的取值降低为0。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于，M7被如下步骤代替：
M7”、在所述InGaN阱层上生长掺杂垒层；
具体的，先生长一层Al组分逐渐升高的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，在AlxGa(1-x)N垒层与InGaN阱层接触的下表面中，所述x的取值为0，并且在AlxGa(1-x)N垒层远离InGaN阱层的方向上，x渐增至最大值10%。
然后，再生长一层不掺杂Al的GaN垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。
最后，其上再生长一层Al组分逐渐降低的AlxGa(1-x)N垒层，生长压力100-400torr,生长温度820-860℃。其中，x由最大值10%开始降低，在AlxGa(1-x)N垒层与P型GaN层接触的上表面中，所述x的取值降低为0。
综上所述，本实用新型的GaN基LED外延结构，采用渐变的AlxGa（1-x）N多量子阱层结构形成能级梯度，与InGaN形成的压应力更小，可以有效释放量子阱中的压应力，改善其极化电场效应，减弱量子阱内的斯托克斯效应，提高电子载流子和空穴载流子符合几率，提高内量子效率，从而提高LED的发光效率。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构从下向上依次包括：
衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型GaN层；所述MQW有源层包括InGaN阱层、以及生长在InGaN阱层之上的掺杂垒层，所述掺杂垒层为AlxGa(1-x)N垒层，所述AlxGa(1-x)N垒层中Al的摩尔含量从与所述InGaN阱层接触的下表面到与所述P型GaN层接触的上表面先递增，再递减。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，
所述掺杂垒层与InGaN阱层接触的下表面中，所述x的取值为0。
3.根据权利要求2所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，
所述掺杂垒层与P型GaN层接触的上表面中，所述x的取值为0。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述掺杂垒层自下向上包括第一掺杂垒层及第二掺杂垒层，所述第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，所述第二掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0。
5.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一掺杂垒层厚度范围为20-80埃。
6.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第二掺杂垒层厚度范围为20-80埃。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述掺杂垒层自下向上包括第一掺杂垒层、第二掺杂垒层及第三掺杂垒层，所述第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，所述第二掺杂垒层不掺杂铝或者掺杂恒定浓度的铝，所述第三掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述掺杂垒层自下向上包括第一掺杂垒层、第二掺杂垒层及第三掺杂垒层，所述第一掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐升高，且x的取值范围为0到10%，所述第二掺杂垒层AlxGa(1-x)N中x为恒定值，x的取值范围为4%到10%，所述第三掺杂垒层AlxGa(1-x)N自下向上x值逐渐降低，且x的取值范围为10%到0。
9.根据权利要求7或8任一所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一掺杂垒层厚度20-40埃，所述第二掺杂垒层厚度40-60埃，所述第三掺杂垒层厚度20-40埃。
10.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlxGa(1-x)N垒层中Al的摩尔含量从与所述InGaN阱层接触的下表面到与所述P型GaN层接触的上表面先线性递增，再线性递减。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104916745A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-09-16 | 聚灿光电科技股份有限公司 | GaN基LED外延结构及其制备方法 |
| CN109950371A (zh) * | 2019-03-13 | 2019-06-28 | 深圳市洲明科技股份有限公司 | 紫外led外延结构及其制备方法 |
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2015
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |