高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光領(lǐng)域，涉及一種高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED，Light Emitting D1de)由于具有壽命長(zhǎng)、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其隨著其照明性能指標(biāo)日益大幅提高，LED在照明領(lǐng)域常用作發(fā)光裝置。其中，以氮化鎵(GaN)為代表的II1-V族化合物半導(dǎo)體，尤其是InGaN/GaN(氮化鎵銦/氮化鎵)基LED由于具有帶隙寬、發(fā)光效率高、電子飽和漂移速度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在高亮度藍(lán)光發(fā)光二極管、藍(lán)光激光器等光電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。
[0003]然而，由于InGaN/GaN結(jié)構(gòu)存在很大的晶格和熱膨脹系數(shù)失配，導(dǎo)致量子阱內(nèi)存在極化電場(chǎng)。這種極化電場(chǎng)容易造成了量子阱傾斜，導(dǎo)致量子阱內(nèi)電子和空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，從而使電子和空穴的復(fù)合效率降低。雖然，當(dāng)前InGaN/GaN LED的發(fā)光效率已經(jīng)有了顯著地改善，但對(duì)于大功率GaN基LED來說，仍然存在著嚴(yán)重的量子效率下降(efficiency droop)問題，即在大電流注入的情況下，LED的內(nèi)量子效率會(huì)迅速下降。
[0004]為了降低該內(nèi)建極化電場(chǎng)的負(fù)面效應(yīng)，一種解決方案為將勢(shì)阱中的銦組分的含量漸變來實(shí)現(xiàn)晶格失配的減小。然后，由于銦原子受熱易從外延材料中揮發(fā)，上述方法很難按設(shè)定的值來實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中由于InGaN/GaN結(jié)構(gòu)存在很大的晶格和熱膨脹系數(shù)失配而導(dǎo)致的量子阱內(nèi)電子和空穴波函數(shù)在空間上發(fā)生分離，從而使電子和空穴的復(fù)合效率降低，進(jìn)而使得LED量子效率下降的問題，以及通過將勢(shì)阱中的銦組分的含量漸變來減小晶格失配時(shí)存在的銦原子易揮發(fā)，難以按設(shè)定的組分含量實(shí)現(xiàn)的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)，所述外延結(jié)構(gòu)包括:依次層疊的成核層、未摻雜GaN層、N型GaN層、超晶格結(jié)構(gòu)、多量子阱結(jié)構(gòu)、AlGaN層、低溫P型AlInGaN層、P型電子阻擋層及P型GaN層；其中，所述多量子阱結(jié)構(gòu)由第一 InGaN勢(shì)阱與第一 GaN勢(shì)皇交替組成，所述第一 InGaN勢(shì)阱分三步生長(zhǎng)而成。
[0007]優(yōu)選地，所述成核層的厚度為15nm?50nm ;所述未摻雜GaN層及所述N型GaN層的總厚度為1.5μηι?4.5μηι ;所述N型GaN層內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為lel8cm 3?3el9cm
[0008]優(yōu)選地，所述超晶格結(jié)構(gòu)由第二 InGaN勢(shì)阱與第二 GaN勢(shì)皇交替組成，一個(gè)所述第二 InGaN勢(shì)阱與一個(gè)所述第二 GaN勢(shì)皇構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述第二 GaN勢(shì)皇位于所述第二 InGaN勢(shì)阱之上；所述超晶格結(jié)構(gòu)包括3?30個(gè)所述周期對(duì)；所述超晶格結(jié)構(gòu)中In組分的摩爾含量為I %?5%，所述第二 InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為1.0nm?4.0nm,所述第二 GaN勢(shì)皇的厚度范圍為1.0nm?9.0nm0
[0009]優(yōu)選地，一個(gè)所述第一 InGaN勢(shì)阱與一個(gè)所述第一 GaN勢(shì)皇構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述第一 GaN勢(shì)皇位于所述第一 InGaN勢(shì)阱之上，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括5?18個(gè)所述周期對(duì)；所述多量子阱結(jié)構(gòu)中In組分的摩爾含量為15%?20%，所述第一 InGaN勢(shì)講的厚度范圍為2.0nm?4.0nm，所述第一 GaN勢(shì)皇的厚度范圍為3.0nm?15nm。
[0010]優(yōu)選地，所述AlGaN層中Al組分的摩爾含量為2%?20%，所述AlGaN層的厚度范圍為20nm?35nm。
[0011]優(yōu)選地，所述P型電子阻擋層為P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)；所述P型電子阻擋層的總厚度范圍為30nm?80nm，所述P型電子阻擋層中的摻雜兀素為Mg，Mg慘雜濃度范圍為5el8cm 3?3.5el9cm 3。
[0012]優(yōu)選地，所述P型GaN層的厚度為30nm?150nm ;所述P型GaN層中的摻雜元素為Mg，Mg摻雜濃度范圍為5el8cm_3?le20cm
[0013]本發(fā)明還提供一種高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
[0014]提供生長(zhǎng)襯底，在所述生長(zhǎng)襯底上由下至上依次生長(zhǎng)成核層、未摻雜GaN層及N型GaN 層；
[0015]在所述N型GaN層上生長(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)；
[0016]在所述超晶格結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)多量子阱結(jié)構(gòu)，所述多量子阱結(jié)構(gòu)由第一 InGaN勢(shì)阱與第一 GaN勢(shì)皇交替組成；其中，所述第一 InGaN勢(shì)阱分三步生長(zhǎng)；
[0017]在所述多量子阱結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)AlGaN層；
[0018]在所述AlGaN層上生長(zhǎng)低溫P型Al InGaN層；
[0019]在所述低溫P型AlInGaN層上生長(zhǎng)P型電子阻擋層；
[0020]在所述P型電子阻擋層上生長(zhǎng)P型GaN層。
[0021]優(yōu)選地，所述生長(zhǎng)襯底為藍(lán)寶石襯底、GaN襯底、硅襯底或碳化硅襯底。
[0022]優(yōu)選地，所述成核層的生長(zhǎng)溫度為450°C?650°C，生長(zhǎng)厚度為15nm?50nm;所述未摻雜GaN層及所述高溫N型GaN層的生長(zhǎng)溫度為1000 °C?1200 °C ;總生長(zhǎng)厚度為1.5μηι?4.5μηι ;所述高溫N型GaN層內(nèi)的摻雜元素為Si，Si的摻雜濃度為lel8cnT3?3el9cm3。
[0023]優(yōu)選地，所述超晶格結(jié)構(gòu)由第二 InGaN勢(shì)阱與第二 GaN勢(shì)皇交替組成，一個(gè)所述第二 InGaN勢(shì)阱與一個(gè)所述第二 GaN勢(shì)皇構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述第二 GaN勢(shì)皇位于所述第二 InGaN勢(shì)阱之上；所述超晶格結(jié)構(gòu)包括3?30個(gè)所述周期對(duì)；所述超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)溫度為700°C?900°C ;所述超晶格結(jié)構(gòu)中In組分的摩爾含量為1%?5%，所述第二 InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為1.0nm?4.0nm,所述第二 GaN勢(shì)皇的厚度范圍為1.0nm?9.0nm0
[0024]優(yōu)選地，一個(gè)所述第一 InGaN勢(shì)講與一個(gè)所述第一 GaN勢(shì)皇構(gòu)成一個(gè)周期對(duì)，在同一周期對(duì)內(nèi)，所述第一 GaN勢(shì)皇位于所述第一 InGaN勢(shì)阱之上，所述多量子阱結(jié)構(gòu)包括5?18個(gè)所述周期對(duì)；所述多量子阱結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)溫度為700°C?900°C;所述多量子阱結(jié)構(gòu)中In組分的摩爾含量為15%?20%，所述第一 InGaN勢(shì)阱的厚度范圍為2.0nm?4.0nm，所述第一 GaN勢(shì)皇的厚度范圍為3.0nm?15nm。
[0025]優(yōu)選地，三步生長(zhǎng)所述第一 InGaN勢(shì)阱的具體方法為:第一步，提供Ga源及In源，打開所述Ga源及所述In源，同時(shí)通入Ga及In以生長(zhǎng)部分所述第一 InGaN勢(shì)阱；第二步，關(guān)閉所述Ga源，只通入In ;第三步，再次打開Ga源，再次同時(shí)通入Ga及In以繼續(xù)生長(zhǎng)所述第一 InGaN勢(shì)阱。
[0026]優(yōu)選地，第一步中In的通入流量為10sccm?300sccm，生長(zhǎng)的部分所述第一InGaN勢(shì)阱的厚度為0.4nm?1.5nm ;第二步中In的通入量為第一步中In通入量的3?5倍，通入時(shí)間為1s?60s ;第三步中In的通入流量為500sccm?600sccm，繼續(xù)生長(zhǎng)的所述第一 InGaN層的厚度為1.8nm?3.5nm。
[0027]優(yōu)選地，所述AlGaN層的生長(zhǎng)溫度為850°C?900°C;所述AlGaN層中Al組分的摩爾含量為2%?20%，所述AlGaN層的厚度范圍為20nm?35nm。
[0028]優(yōu)選地，所述低溫P型AlInGaN層的生長(zhǎng)溫度為700°C?800°C ;所述P型電子阻擋層的生長(zhǎng)溫度為900°C?950°C;所述P型電子阻擋層為P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)；所述P型電子阻擋層的總厚度范圍為30nm?80nm，所述P型電子阻擋層中Mg慘雜濃度范圍為5el8cm 3?3.5el9cm 3。
[0029]優(yōu)選地，所述P型GaN層的生長(zhǎng)溫度為950°C?1000°C，生長(zhǎng)厚度為30nm?150nm ；所述P型GaN層中的摻雜元素為Mg，Mg摻雜濃度范圍為5el8cm_3?le20cm_3。
[0030]如上所述，本發(fā)明的高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)及其制作方法，具有以下有益效果:所述多量子阱結(jié)構(gòu)分三步生長(zhǎng)，一方面可以較小電子和空穴波函數(shù)的空間分離，提高輻射性復(fù)合效率；另一方面兩層InGaN生長(zhǎng)中途中斷，僅通In，可以改善量子效率下降；在量子阱生長(zhǎng)過程中通一段時(shí)間In源，可以使勢(shì)阱中In分布更加均勻，從而進(jìn)一步提高了發(fā)光效率。通過三步生長(zhǎng)多量子阱結(jié)構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)了亮度的提高和量子效率下降的改善。
【附圖說明】
[0031]圖1顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中提供的高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖2顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中提供的高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)中超晶格結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖3顯示為本發(fā)明實(shí)施例一中提供的高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)中多量子阱結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖4顯示為本發(fā)明實(shí)施例二中提供的高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法的流程圖。
[0035]圖5至圖11顯示為本發(fā)明實(shí)施例二中提供的高亮度GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法各步驟中的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]元件標(biāo)號(hào)說明
[0037]I生長(zhǎng)襯底
[0038]2成核層
[0039]31未摻雜GaN層
[0040]32N 型 GaN 層
[0041]4超晶格結(jié)構(gòu)
[0042]41第二 InGaN 勢(shì)阱
[0043]42第二 GaN 勢(shì)皇
[0044]5多量子講結(jié)構(gòu)
[0045]51第一 InGaN 勢(shì)阱
[0046]52第一 GaN 勢(shì)皇
[0047]6AlGaN 層
[0048]7低溫 P 型 Al InGaN 層
[0049]8P型電子