基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法，外延結(jié)構(gòu)依次包括襯底、GaN緩沖層、N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，所述量子阱層包括InxGa(1-x)N勢阱層和GaN勢壘層，其特征在于，所述量子阱層上方生長有AlxGa(1-x)N覆蓋層。本發(fā)明中能夠更好把量子阱層中的In局限在一層極薄的薄膜中防止In的擴(kuò)散，有效緩解因升溫帶來的In聚集效應(yīng)，同時(shí)還能提高量子阱的晶體質(zhì)量，提高量子阱中的發(fā)光效率和均勻性，從而提高亮度。
【專利說明】基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light-Emitting D1de，LED)是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。這種電子元件早在1962年出現(xiàn)，早期只能發(fā)出低光度的紅光，之后發(fā)展出其他單色光的版本，時(shí)至今日能發(fā)出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當(dāng)?shù)墓舛?。而用途也由初時(shí)作為指示燈、顯示板等；隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)光二極管已被廣泛的應(yīng)用于顯示器、電視機(jī)采光裝飾和照明。
[0003]GaN(氮化鎵)基材料是離子晶體，由于正負(fù)電荷不重合，形成自發(fā)極化；另外由于InGaN (氮化銦鎵)和GaN材料之間的晶格適配，又會(huì)引起壓電極化，進(jìn)而形成壓電極化場。極化場的存在，一方面使得量子阱的等效禁帶寬度減小，發(fā)光波長紅移；另一方面電子和空穴波函數(shù)的交疊會(huì)減小，降低其輻射復(fù)合幾率。
[0004]因此，現(xiàn)有技術(shù)中揭示了在GaN基材料上生長InGaN/GaN量子講結(jié)構(gòu)，但由于在生長量子阱結(jié)構(gòu)時(shí)溫度較高，In容易擴(kuò)散并產(chǎn)生聚集效應(yīng)，從而影響了 InGaN/GaN量子阱的晶體質(zhì)量，進(jìn)而對InGaN/GaN量子阱的發(fā)光效率和均勻性造成一定的影響。
[0005]因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)依次包括襯底、GaN緩沖層、N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，所述量子阱層包括InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層，所述量子講層上方生長有AlxGa(1_x)N覆蓋層。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度為I?2nm。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N覆蓋層中的x的取值范圍為0.5 %?10%。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述GaN緩沖層包括低溫GaN緩沖層和高溫GaN緩沖層，所述P型GaN層包括低溫P型GaN層和高溫P型GaN層。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述低溫P型GaN層和高溫P型GaN層之間包括AlGaN電流阻擋層。
[0013]相應(yīng)地，一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)的生長方法，所述生長方法包括:
[0014]S1、提供一襯底；
[0015]S2、在襯底上外延生長GaN緩沖層；
[0016]S3、在GaN緩沖層上外延生長N型GaN層；
[0017]S4、在N型GaN層上外延生長量子阱層，量子阱層包括依次生長的InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層；
[0018]S5、在量子阱層上外延生長AlxGa(1_x)N覆蓋層；
[0019]S6、在AlxGa(1_x)N覆蓋層上外延生長P型GaN層。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S5中AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度為I?2nm。
[0021]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述步驟S5中AlxGa(1_x)N覆蓋層中X的取值范圍為
0.5%?10%。
[0022]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述生長方法中以三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦和氨氣分別作為Ga源、Al源、In源和N源進(jìn)行外延生長。
[0023]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0024]AlxGa(1_x)N覆蓋層能夠有效使InGaN勢阱層中的In局限在量子阱層內(nèi)；
[0025]AlxGa(1_x)N覆蓋層能夠有效緩解因升溫導(dǎo)致的In被析出的聚集效應(yīng)，可以最大程度降低芯片主波長的半寬；
[0026]In均勾分布在量子講中，可以提尚芯片的發(fā)光均勾性，從而提尚芯片的發(fā)光殼度；
[0027]精確控制Al組分和AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度可以調(diào)整MQW中的能帶結(jié)構(gòu)，從而可以精確調(diào)整控制量子阱的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0029]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中基于GaN基量子阱外延結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0030]圖2為本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中基于GaN基量子阱外延結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0031]圖3a為現(xiàn)有技術(shù)中MQW (量子阱層)的電鏡圖；
[0032]圖3b為本發(fā)明一【具體實(shí)施方式】中MQW (量子阱層)的電鏡圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033]為了使本【技術(shù)領(lǐng)域】的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034]此外，在不同的實(shí)施例中可能使用重復(fù)的標(biāo)號(hào)或標(biāo)示。這些重復(fù)僅為了簡單清楚地?cái)⑹霰景l(fā)明，不代表所討論的不同實(shí)施例及/或結(jié)構(gòu)之間具有任何關(guān)聯(lián)性。
[0035]本發(fā)明公開了一種基于GaN基量子講的外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)依次包括襯底、GaN緩沖層、N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，量子阱層包括InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層，星子講層上方生長有AlxGa(1_x)N覆蓋層。
[0036]優(yōu)選地，AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度為I?2nm，AlxGa(1_x)N中的x的取值范圍為
0.5%?10%。
[0037]本發(fā)明還公開了一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)的生長方法，該生長方法包括:
[0038]S1、提供一襯底；
[0039]S2、在襯底上外延生長GaN緩沖層；
[0040]S3、在GaN緩沖層上外延生長N型GaN層；
[0041]S4、在N型GaN層上外延生長量子阱層，量子阱層包括依次生長的InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層；
[0042]S5、在量子阱層上外延生長AlxGa(1_x)N覆蓋層；
[0043]S6、在AlxGa(1_x)N覆蓋層上外延生長P型GaN層。
[0044]以下結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0045]參圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中的外延結(jié)構(gòu)依次包括:
[0046]襯底10，襯底可以為藍(lán)寶石、S1、SiC、GaN、ZnO等；
[0047]GaN緩沖層20，緩沖層可以為一層結(jié)構(gòu)，也可以為多層結(jié)構(gòu)；
[0048]N型GaN層30，位于GaN緩沖層20上；
[0049]量子阱層40，量子阱層為InGaN/GaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，包括InxGa(1_x)N(0〈X〈l)勢阱層41和GaN勢皇層42 ；
[0050]P型GaN層60，位于量子阱層40上。
[0051]參圖2所示，在本發(fā)明的一【具體實(shí)施方式】中，外延結(jié)構(gòu)依次包括:
[0052]襯底10，襯底可以為藍(lán)寶石、S1、SiC、GaN、ZnO等，本實(shí)施方式中選用藍(lán)寶石襯底；
[0053]GaN緩沖層20，緩沖層可以為一層結(jié)構(gòu)，也可以為多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，本實(shí)施方式中GaN緩沖層為兩層結(jié)構(gòu)，包括低溫GaN緩沖層和高溫GaN緩沖層；
[0054]N型GaN層30，位于GaN緩沖層20上；
[0055]量子阱層40，量子阱層為InGaN/GaN多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)，包括InxGa(1_x)N(0〈X〈l)勢阱層41和GaN勢皇層42。本實(shí)施方式中僅包含一層InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層，在其他實(shí)施方式中也可以是多層InxGa(1_x)N勢阱層/GaN勢皇層結(jié)構(gòu)，各層In組分含量從下向上逐漸增大。
[0056]AlxGa(1_x)N覆蓋層50，本實(shí)施方式中AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度為I?2nm，AlxGa(1_x)N中X的取值范圍為0.5%?10%。
[0057]P型GaN層60，P型GaN層可以為一層結(jié)構(gòu)，也可以為多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，本實(shí)施方式中P型GaN層為兩層結(jié)構(gòu)，P型GaN層包括低溫P型GaN層和高溫P型GaN層，進(jìn)一步地，低溫P型GaN層和高溫P型GaN層之間包括AlGaN電流阻擋層。
[0058]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施方式中在InxGa(1_x)N勢阱層/GaN勢皇層結(jié)構(gòu)上增加了一層AlxGa(1_x)N覆蓋層，通過控制Al組分的比例(x介于0.5% -10%之間)，能夠更好把量子阱層中的In局限在一層極薄的薄膜中防止In的擴(kuò)散，有效緩解因升溫帶來的In聚集效應(yīng)，同時(shí)還能提高量子阱的晶體質(zhì)量，提高量子阱中的發(fā)光效率和均勻性，從而提高亮度。
[0059]相應(yīng)地，本實(shí)施方式中外延結(jié)構(gòu)的生長方法具體包括:
[0060]S1、提供一藍(lán)寶石襯底。
[0061 ] S2、在藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN緩沖層。
[0062]本實(shí)施方式中首先控制溫度在450°C?650°C之間，生長15nm?35nm厚的低溫GaN緩沖層；然后控制溫度在1000°C?1200°C之間，生長厚度為0.8um?4um間的高溫GaN緩沖層。
[0063]S3、在GaN緩沖層上外延生長N型GaN層。
[0064]S4、在N型GaN層上外延生長量子阱層，量子阱層包括依次生長的InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層。
[0065]優(yōu)選地，本實(shí)施方式中InxGa(1_x)N勢阱層中In的組份保持不變，在10%?50%之間，勢阱層的厚度在2nm?5nm之間，生長溫度在720V?820°C之間；GaN勢皇層的生長溫度在820°C?920°C之間。
[0066]S5、在量子阱層上外延生長AlxGa(1_x)N覆蓋層。
[0067]量子阱層長完后，在溫度升高至勢皇層的溫度的同時(shí)，生長一層I?2nm的AlxGa(1_x)N覆蓋層，通過控制Al源來控制Al組分的比例(x介于0.5%?10%之間)。
[0068]AlxGa(1_x)N覆蓋層能夠更好把量子阱層中的In局限在一層極薄的薄膜中防止In的擴(kuò)散，有效緩解因升溫帶來的In聚集效應(yīng)，同時(shí)還能提高量子阱的晶體質(zhì)量，提高量子阱中的發(fā)光效率和均勻性，從而提高亮度。
[0069]S6、在AlxGa(1_x)N覆蓋層上外延生長P型GaN層。
[0070]量子阱層生長結(jié)束后，生長厚度1nm?10nm之間的低溫P型GaN層，生長溫度在500°C?800°C之間，生長時(shí)間在5分鐘?20分鐘之間。在生長低溫P型GaN層的過程中，隊(duì)作為載氣，并摻雜介質(zhì)二茂鎂；
[0071]低溫P型GaN層生長結(jié)束后，將溫度升至900°C?1100°C之間，生長厚度1nm?10nm之間的P型AlGaN電流阻擋層；
[0072]P型AlGaN電流阻擋層生長結(jié)束后，生長一層厚度0.1um?0.9um之間的高溫P型GaN層，其生長溫度在850°C?1090°C之間，生長時(shí)間在5?20min之間。
[0073]本實(shí)施方式中以高純氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga源、Al源、In源和N源進(jìn)行外延生長，在其他實(shí)施方式中也可以采用其他Ga源等進(jìn)行生長。
[0074]參圖3a、3b所示分別為現(xiàn)有技術(shù)和本實(shí)施方式中MQW(量子阱層)的電鏡圖，由圖中可以看出，現(xiàn)有技術(shù)中存在明顯的In聚集效應(yīng)，而本實(shí)施方式中通過增加了 AlxGa(1_x)N覆蓋層，In聚集效應(yīng)得到了明顯的改善。
[0075]由上述實(shí)施方式可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0076]AlxGa(1_x)N覆蓋層能夠有效使InGaN勢阱層中的In局限在量子阱層內(nèi)；
[0077]AlxGa(1_x)N覆蓋層能夠有效緩解因升溫導(dǎo)致的In被析出的聚集效應(yīng)，可以最大程度降低芯片主波長的半寬；
[0078]In均勾分布在量子講中，可以提尚芯片的發(fā)光均勾性，從而提尚芯片的發(fā)光殼度；
[0079]精確控制Al組分和AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度可以調(diào)整MQW中的能帶結(jié)構(gòu)，從而可以精確調(diào)整控制量子阱的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)的影響。
[0080]對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。
[0081]此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
【權(quán)利要求】
1.一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)依次包括襯底、GaN緩沖層、N型GaN層、量子阱層、P型GaN層，所述量子阱層包括InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層，其特征在于，所述量子阱層上方生長有AlxGa(1_x)N覆蓋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度為I?2nm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述AlxGa(1_x)N覆蓋層中的x的取值范圍為0.5%?10%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述GaN緩沖層包括低溫GaN緩沖層和高溫GaN緩沖層，所述P型GaN層包括低溫P型GaN層和高溫P型GaN層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述低溫P型GaN層和高溫P型GaN層之間包括AlGaN電流阻擋層。
6.一種基于GaN基量子阱的外延結(jié)構(gòu)的生長方法，其特征在于，所述生長方法包括: 51、提供一襯底； 52、在襯底上外延生長GaN緩沖層； 53、在GaN緩沖層上外延生長N型GaN層； 54、在N型GaN層上外延生長量子阱層，量子阱層包括依次生長的InxGa(1_x)N勢阱層和GaN勢皇層； 55、在量子阱層上外延生長AlxGa(1_x)N覆蓋層； 56、在AlxGa(1_x)N覆蓋層上外延生長P型GaN層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生長方法，其特征在于，所述步驟S5中AlxGa(1_x)N覆蓋層的厚度為I?2nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生長方法，其特征在于，所述步驟S5中AlxGa(1_x)N覆蓋層中X的取值范圍為0.5%?10%。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的生長方法，其特征在于，所述生長方法中以三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦和氨氣分別作為Ga源、Al源、In源和N源進(jìn)行外延生長。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK104518059SQ201410624040
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】陳偉, 陳立人 申請人:聚燦光電科技(蘇州)有限公司