高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体发光领域，涉及一种高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED，Light Emitting D1de)由于具有寿命长、耗能低等优点，已被广泛应用于各个领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的II1-V族化合物半导体，尤其是InGaN/GaN(氮化镓铟/氮化镓)基LED由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
[0003]然而，由于InGaN/GaN结构存在很大的晶格和热膨胀系数失配，导致量子阱内存在极化电场。这种极化电场容易造成了量子阱倾斜，导致量子阱内电子和空穴波函数在空间上发生分离，从而使电子和空穴的复合效率降低。虽然，当前InGaN/GaN LED的发光效率已经有了显著地改善，但对于大功率GaN基LED来说，仍然存在着严重的量子效率下降(efficiency droop)问题，即在大电流注入的情况下，LED的内量子效率会迅速下降。
[0004]为了降低该内建极化电场的负面效应，一种解决方案为将势阱中的铟组分的含量渐变来实现晶格失配的减小。然后，由于铟原子受热易从外延材料中挥发，上述方法很难按设定的值来实现。
【发明内容】
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法，用于解决现有技术中由于InGaN/GaN结构存在很大的晶格和热膨胀系数失配而导致的量子阱内电子和空穴波函数在空间上发生分离，从而使电子和空穴的复合效率降低，进而使得LED量子效率下降的问题，以及通过将势阱中的铟组分的含量渐变来减小晶格失配时存在的铟原子易挥发，难以按设定的组分含量实现的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高亮度GaN基LED外延结构，所述外延结构包括:依次层叠的成核层、未掺杂GaN层、N型GaN层、超晶格结构、多量子阱结构、AlGaN层、低温P型AlInGaN层、P型电子阻挡层及P型GaN层；其中，所述多量子阱结构由第一 InGaN势阱与第一 GaN势皇交替组成，所述第一 InGaN势阱分三步生长而成。
[0007]优选地，所述成核层的厚度为15nm?50nm ;所述未掺杂GaN层及所述N型GaN层的总厚度为1.5μηι?4.5μηι ;所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为lel8cm 3?3el9cm
[0008]优选地，所述超晶格结构由第二 InGaN势阱与第二 GaN势皇交替组成，一个所述第二 InGaN势阱与一个所述第二 GaN势皇构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二 GaN势皇位于所述第二 InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3?30个所述周期对；所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为I %?5%，所述第二 InGaN势阱的厚度范围为1.0nm?4.0nm,所述第二 GaN势皇的厚度范围为1.0nm?9.0nm0
[0009]优选地，一个所述第一 InGaN势阱与一个所述第一 GaN势皇构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一 GaN势皇位于所述第一 InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5?18个所述周期对；所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15%?20%，所述第一 InGaN势讲的厚度范围为2.0nm?4.0nm，所述第一 GaN势皇的厚度范围为3.0nm?15nm。
[0010]优选地，所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2%?20%，所述AlGaN层的厚度范围为20nm?35nm。
[0011]优选地，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm?80nm，所述P型电子阻挡层中的掺杂兀素为Mg，Mg惨杂浓度范围为5el8cm 3?3.5el9cm 3。
[0012]优选地，所述P型GaN层的厚度为30nm?150nm ;所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为5el8cm_3?le20cm
[0013]本发明还提供一种高亮度GaN基LED外延结构的制作方法，包括以下步骤:
[0014]提供生长衬底，在所述生长衬底上由下至上依次生长成核层、未掺杂GaN层及N型GaN 层；
[0015]在所述N型GaN层上生长超晶格结构；
[0016]在所述超晶格结构上生长多量子阱结构，所述多量子阱结构由第一 InGaN势阱与第一 GaN势皇交替组成；其中，所述第一 InGaN势阱分三步生长；
[0017]在所述多量子阱结构上生长AlGaN层；
[0018]在所述AlGaN层上生长低温P型Al InGaN层；
[0019]在所述低温P型AlInGaN层上生长P型电子阻挡层；
[0020]在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
[0021]优选地，所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
[0022]优选地，所述成核层的生长温度为450°C?650°C，生长厚度为15nm?50nm;所述未掺杂GaN层及所述高温N型GaN层的生长温度为1000 °C?1200 °C ;总生长厚度为1.5μηι?4.5μηι ;所述高温N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为lel8cnT3?3el9cm3。
[0023]优选地，所述超晶格结构由第二 InGaN势阱与第二 GaN势皇交替组成，一个所述第二 InGaN势阱与一个所述第二 GaN势皇构成一个周期对，在同一周期对内，所述第二 GaN势皇位于所述第二 InGaN势阱之上；所述超晶格结构包括3?30个所述周期对；所述超晶格结构的生长温度为700°C?900°C ;所述超晶格结构中In组分的摩尔含量为1%?5%，所述第二 InGaN势阱的厚度范围为1.0nm?4.0nm,所述第二 GaN势皇的厚度范围为1.0nm?9.0nm0
[0024]优选地，一个所述第一 InGaN势讲与一个所述第一 GaN势皇构成一个周期对，在同一周期对内，所述第一 GaN势皇位于所述第一 InGaN势阱之上，所述多量子阱结构包括5?18个所述周期对；所述多量子阱结构的生长温度为700°C?900°C;所述多量子阱结构中In组分的摩尔含量为15%?20%，所述第一 InGaN势阱的厚度范围为2.0nm?4.0nm，所述第一 GaN势皇的厚度范围为3.0nm?15nm。
[0025]优选地，三步生长所述第一 InGaN势阱的具体方法为:第一步，提供Ga源及In源，打开所述Ga源及所述In源，同时通入Ga及In以生长部分所述第一 InGaN势阱；第二步，关闭所述Ga源，只通入In ;第三步，再次打开Ga源，再次同时通入Ga及In以继续生长所述第一 InGaN势阱。
[0026]优选地，第一步中In的通入流量为10sccm?300sccm，生长的部分所述第一InGaN势阱的厚度为0.4nm?1.5nm ;第二步中In的通入量为第一步中In通入量的3?5倍，通入时间为1s?60s ;第三步中In的通入流量为500sccm?600sccm，继续生长的所述第一 InGaN层的厚度为1.8nm?3.5nm。
[0027]优选地，所述AlGaN层的生长温度为850°C?900°C;所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2%?20%，所述AlGaN层的厚度范围为20nm?35nm。
[0028]优选地，所述低温P型AlInGaN层的生长温度为700°C?800°C ;所述P型电子阻挡层的生长温度为900°C?950°C;所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm?80nm，所述P型电子阻挡层中Mg惨杂浓度范围为5el8cm 3?3.5el9cm 3。
[0029]优选地，所述P型GaN层的生长温度为950°C?1000°C，生长厚度为30nm?150nm ；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为5el8cm_3?le20cm_3。
[0030]如上所述，本发明的高亮度GaN基LED外延结构及其制作方法，具有以下有益效果:所述多量子阱结构分三步生长，一方面可以较小电子和空穴波函数的空间分离，提高辐射性复合效率；另一方面两层InGaN生长中途中断，仅通In，可以改善量子效率下降；在量子阱生长过程中通一段时间In源，可以使势阱中In分布更加均匀，从而进一步提高了发光效率。通过三步生长多量子阱结构的方法实现了亮度的提高和量子效率下降的改善。
【附图说明】
[0031]图1显示为本发明实施例一中提供的高亮度GaN基LED外延结构的剖面结构示意图。
[0032]图2显示为本发明实施例一中提供的高亮度GaN基LED外延结构中超晶格结构的剖面结构示意图。
[0033]图3显示为本发明实施例一中提供的高亮度GaN基LED外延结构中多量子阱结构的剖面结构示意图。
[0034]图4显示为本发明实施例二中提供的高亮度GaN基LED外延结构的制作方法的流程图。
[0035]图5至图11显示为本发明实施例二中提供的高亮度GaN基LED外延结构的制作方法各步骤中的剖面结构示意图。
[0036]元件标号说明
[0037]I生长衬底
[0038]2成核层
[0039]31未掺杂GaN层
[0040]32N 型 GaN 层
[0041]4超晶格结构
[0042]41第二 InGaN 势阱
[0043]42第二 GaN 势皇
[0044]5多量子讲结构
[0045]51第一 InGaN 势阱
[0046]52第一 GaN 势皇
[0047]6AlGaN 层
[0048]7低温 P 型 Al InGaN 层
[0049]8P型电子