本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种ingan/gan异质外延结构及其生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。
背景技术：
由于具有可调的直接带隙结构，ingan材料已经被成功的应用于显示与照明领域，如蓝光发光二极管(led)等。此外，若将ingan材料用于光伏能源领域，将有望获得光电转换效率较高的多结ingan太阳能电池。目前，所有以pn结为基本结构的ingan基半导体光电器件都是在n型掺杂的gan层上先外延生长ingan有源区，然后再生长p型gan层。众所周知，pn结内的内建电场的方向是由n区指向p区，因此，传统结构pn结内建电场的指向是沿着ingan材料的外延生长方向，即由衬底一侧指向顶层。另一方面，由于ingan材料具有压电极化特性，在gan层上共格生长的ingan材料由于受到压应力的作用会在材料内部形成压电极化电场。该极化电场的方向指向衬底，即与外延生长方向相反，也就与pn结内建电场的方向相反。这种内建电场与极化电场相反的情况会对ingan基光电器件的性能产生很多消极的影响。例如，在ingan基光伏器件中，ingan有源区内的极化电场会阻碍pn结内建电场对光生载流子的收集，从而导致太阳能电池能量转换效率的降低。
一般地，人们试图通过降低极化电场的强度来减弱压电效应对器件性能的不利影响。然而，随着ingan材料中in含量的增多，极化效应会越来越显著，这使得显著地减小或者彻底消除极化效应的影响变得非常困难。另一方面，除了直接地减小极化电场强度外，通过优化材料外延生长结构，减小极化效应对载流子输运效率的影响，从而抑制极化电场所引起的一些不利因素，也可以提高ingan基光电器件的性能。
技术实现要素：
本发明提出了一种ingan/gan异质外延结构及其生长方法，其目的在于通过调整p型和n型层的位置，改变了pn结内建电场的指向，调换了电子/空穴的注入方向，从而优化了有源区内载流子的输运特性，提高了ingan基光电子器件的性能。
本发明提供一种ingan/gan异质外延结构，包括：
一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一gan层，其生长在衬底上；
一ingan有源区，其生长在gan层上；
一gan层，其生长在ingan有源区上。
本发明还提供一种ingan/gan异质外延结构的生长方法，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
步骤2：在该衬底上依次生长gan层、ingan有源区、gan层，完成生长。
本发明有以下有益效果：
1、本发明提出的一种ingan/gan异质外延结构，其可以用于ingan基光伏器件的制备。由于在本发明中调整了p型和n型层的位置，ingan有源区内的极化电场方向与pn结的内建电场方向是相同的，消除了传统ingan基pn结结构中由于极化电场方向与内建电场方向相反而导致的极化电场对光生载流子漂移运动的阻碍作用，提高了载流子的收集效率。因此，采用本发明的外延结构，将显著提高ingan基太阳能电池的能量转换效率。
2、本发明提出的一种ingan/gan异质外延结构，其还可以用于ingan基发光器件的制备。一般地，发光器件的有源区通常采用ingan/gan多量子阱结构。在传统pn结外延生长结构中，电子的注入方向与ingan量子阱内能带的倾斜方向相同，电子只需要越过gan势垒，就可以从ingan阱中逃逸出来。而在本发明中，由于调换了p型和n型层的位置，使得电子的注入方向与ingan阱内能带的倾斜方向相反，从而可以利用ingan阱内的极化电场阻碍电子的扩散运动。这相当于利用ingan阱内极化效应引起的能带倾斜增大了有效的势垒高度，增加了电子越过gan势垒的难度，从而减小了电子的逃逸，增强了ingan阱对电子的捕获能力。相应地，可以减小电子的泄漏电流，使得器件的发光效率获得明显的提升。因此，采用本发明的ingan/gan异质结构将显著优化ingan基发光器件的性能，包括抑制led的droop效应，降低激光器的阈值电流密度等。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明如后，其中：
图1是本发明中ingan/gan异质外延结构示意图。
图2是本发明中ingan/gan异质外延结构生长方法流程图。
图3是本发明实施例中pn结内ingan/gan多量子阱区的能带示意图。
图4是用于比较的传统外延结构pn结内多量子阱区的能带示意图
具体实施方式
本发明提供的一种ingan/gan异质外延结构，请参阅图1所示，包括：
一衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一gan层12，其生长在衬底11上。该gan层12的厚度为1-3μm；
一ingan有源区13，其生长在gan层12上。该ingan有源区13的总厚度为10-100nm；
一gan层14，其生长在有源区14上。该gan层14的厚度为100-800nm；
其中，所述的gan层12为故意掺杂的p型层，其mg的掺杂浓度大于1×1019/cm3。所述的ingan有源区13为非故意掺杂区，其本底杂质浓度小于5×1017/cm3。所述的gan层14为故意掺杂的n型层，其si的掺杂浓度大于1×1018/cm3。
所述的ingan有源区13为周期性重复排列的ingan/gan多量子阱结构，其中，ingan阱层厚度为1-5nm，in含量为10％-50％，gan垒层厚度为10-30nm。
本发明还提供了一种ingan/gan异质外延结构的生长方法，请参阅图2所示，包括以下步骤：
步骤1：取一衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。将所述衬底11在1000-1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5-20mins，然后进行氮化处理。
步骤2：在该衬底11上依次生长gan层12(生长温度为850-1050℃，生长时间为80-300mins，p型mg掺杂浓度大于1×1019/cm3)、ingan有源区13(非故意掺杂的本底载流子浓度小于5×1017/cm3)、gan层14(生长温度为1000-1200℃，生长时间为4-50mins，si掺杂浓度大于1×1018/cm3)，随后，将反应室的温度降至800℃以下，在氮气气氛退火10-20mins，再降至室温，完成生长。
其中，所述的ingan有源区13由重复生长的多个周期排列的ingan阱层(生长温度为650-850℃，生长时间为20-200s，in含量为10％-50％)和gan垒层(生长温度为850-1050℃，生长时间为200-800s)组成。生长的ingan/gan多量子阱结构的周期数至少大于2，可根据实际需要适当增加周期数，以及调整阱/垒层的厚度及in含量的大小。
本实施例以高纯氢气(h2)或氮气(n2)作为载气，以三甲基镓(tmga)、三乙基镓(tega)、三甲基铝(tmal)、三甲基铟(tmin)和氨气(nh3)分别作为ga、al、in和n源，用硅烷(sih4)和二茂镁(cp2mg)分别作为n、p型掺杂剂。
采用本实施例获得的多量子阱结构的ingan有源区13的能带示意图，如图3所示。其中箭头方向为材料外延生长方向，左侧p型区表示p型gan层12，右侧n型区表示n型gan层14，中间区域表示周期性重复排列的ingan/gan多量子阱结构的ingan有源区13。若该结构应用于ingan基光伏器件中时，在内建电场的作用下，光生的电子和空穴会分别向n型和p型材料一侧运动，然后再被外电路收集。从图中可以看到，由于在本发明中调整了p型和n型层的位置，ingan阱层内的极化电场方向与pn结的内建电场方向是相同的，即二者的能带倾斜方向是相同的。因此，在ingan阱内不存在极化电场对光生载流子漂移运动的阻碍。相反地，由于极化电场与内建电场方向相同，ingan量子阱内光生载流子的漂移运动还会得到增强，从而提高了载流子的收集效率，有助于获得较高的太阳能电池能量转换效率。而当该结构用于发光器件中时，大量电子会由n型区一侧逆着材料外延生长方向注入多量子阱结构的有源区13中。从图中可以看到，电子的注入方向与ingan阱内能带的倾斜方向是相反的，因此，在ingan阱内电子的扩散运动受到抑制。由于有了ingan阱内极化电场的阻碍作用，增加了电子越过势垒的难度，相当于增大了有效的势垒高度，从而增强了ingan阱对电子的捕获能力，减小了电子的逃逸。相应地，减小了器件的电子泄漏电流，提高了发光效率。这将有助于抑制led的droop效应，或降低激光器的阈值电流密度等。最后，为了便于与传统外延生长结构比较，传统结构pn结中多量子阱有源区的能带图被示于图4中。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均属于本发明要求保护的范围。