一种GaN基LED的电子阻挡层结构及其外延生长方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种GaN基LED外延生长方法。
【背景技术】
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[0002]以GaN为基本材料的III族氮化物是最重要的宽带隙半导体材料体系之一，它们特有的带隙范围，优良的光、电学性质和优异的材料机械性质使其在光学器件，电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域有着广泛的应用前景。早在上世纪70年代，研宄者们就对GaN基半导体材料进行了大量的研宄，到了 20世纪90年代，GaN材料的研宄在生长和P型掺杂方面都取得了巨大的突破，这使得对其研宄也引起了更大的兴趣，目前已成为国际上的一大热门研宄课题。目前传统的GaN基LED外延生长结构过程为:先在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层，然后接着高温下生长一层未掺杂GaN，接着生长一层η型掺杂层，掺杂材料一般为硅烷，提供LED复合发光所需要的电子，然后接着生长几个周期的厚度分别为3nm和15nm左右的InGaN/GaN量子阱和量子皇作为LED的发光层，η掺杂区的电子和P掺杂区的空穴在这个区域复合发光，接着继续生长一层掺杂镁的AlGaN层，Al组分一般较高且含量恒定。起到阻挡电子的作用，最后生长一层掺杂镁的GaN层，这一层提供复合发光的空穴。
[0003]目前LED外延生长过程中，采用掺杂镁的P型AlGaN层作为电子阻挡层(EBL)，避免多余的电子直接发射到P层从而影响电子和空穴的有效复合效率，通过生长P型AlGaN层，能够阻挡住多余发射电子进入P层，可提升发光效率。但是这种生长方法同时引入一些问题，如直接生长高Al的P型AlGaN层会使得材料界面产生严重晶格失配和大的应力，从而影响发光层能带发生较大畸变，造成电子和空穴复合量降低；同时目前的高Al组分P型AlGaN层会使得P层空穴的注入势能变高，不利于空穴向量子阱有源区的注入，不但会降低光效，还会使电压升高。
【发明内容】
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[0004]为了解决目前生长的P型AlGaN电子阻挡层(EBL)产生的不利影响，本发明就EBL层提出一种新的生长结构和方法。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种GaN基LED的电子阻挡层外延生长方法，所述电子阻挡层为P型AlGaN电子阻挡层，在InGaN/GaN量子讲皇结构层上外延生长，有别于现有技术的是:在P层AlGaN电子阻挡层的生长过程中控制Al组分的含量先升后降形成双向渐变，即Al组分含量的时域曲线具有凸起(一个峰值)。
[0007]基于以上方案，本发明还作了如下参数优化限定:
[0008]P型AlGaN电子阻挡层中Al组分含量的峰值为30% — 50%。
[0009]P型AlGaN电子阻挡层厚度为30_50nm，其中Al组分含量的峰值维持厚度占整个P型AlGaN电子阻挡层厚度的5% -15%，以2_5nm为佳。
[0010]双向渐变的含量升高阶段与含量降低阶段相对称。
[0011]Al组分双向渐变采用均匀渐变或梯度渐变的形式。均匀渐变是由O线性增加再线性减小到O ;梯度变化例如:从0-20之间的某值开始持续生长一段时间，然后下一个梯度以20-40之间的某值持续生长一段时间，以此类推，直至到峰值梯度，再梯度递减。
[0012]升高阶段的起点和降低阶段的终点的Al组分含量可相同，也可不同。对于均匀渐变方式，最好都由O开始均匀增加，然后增大到某值再均匀减小到0，其中从O增加到某值的增加速率和从某值减小到O的减小速率可以相同也可以不同。对于梯度渐变方式，最好自0-20之间的某值开始生长，到最后以0-20之间的某值结束生长，某值可以相同，也可以不同。
[0013]相应的，本发明还提供一种按照上述方法制得的GaN基LED的外延结构，包括在蓝宝石衬底上依次生长的低温GaN缓冲层、高温无掺杂GaN、掺杂硅烷的η型GaN层、InGaN/GaN量子讲皇结构层、P型AlGaN电子阻挡层以及掺杂镁的ρ型GaN层；所述ρ层AlGaN电子阻挡层中Al组分双向渐变，在中间阶段层达到含量峰值。
[0014]上述Al组分双向渐变最好采用均匀渐变或梯度渐变的形式。
[0015]应当认识到，该GaN基LED的外延结构只是应用上述方法的一种产品示例，并非是对本发明适用产品结构的限定。
[0016]本发明具有以下有益效果:
[0017]通过生长双向Al组分变化的ρ型AlGaN电子阻挡层(DGEBL)，能够更好的减少电子阻挡层和之前材料的界面极化和晶格适配，并且能够降低P层空穴的注入势能，极大的增大了有源区量子阱层的电子和空穴有效发光复合几率，提升发光效率，同时也降低了正向电压。
【附图说明】
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[0018]图1为外延整体结构示意图。
[0019]图2为双向Al组分均匀渐变型DGEBL的生长示意图。
[0020]图3为双向Al组分梯度变化型DGEBL的生长示意图。
【具体实施方式】
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[0021]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详述。
[0022]本发明利用现有的金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)设备和外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源，其中硅烷和镁源分别用于η层和ρ层的掺杂。
[0023]先在蓝宝石衬底上530°C左右生长一层低温GaN缓冲层，接着在高温下1020°C左右生长一层未掺杂的GaN，接着在1050°C左右生长一层掺杂硅烷的η型GaN层，然后生长8个周期左右的InGaN/GaN量子阱皇结构层，然后接着生长双向Al组分变化ρ型AlGaN电子阻挡层(DGEBL);最后生长一层掺杂镁的ρ型GaN层。其中，ρ型AlGaN电子阻挡层生长过程优选以下两种模式:
[0024]一种是均匀渐变:生长的ρ层AlGaN电子阻挡层Al组分均匀逐渐升高然后再均匀逐渐降低。
[0025]另一种是梯度渐变:生长的ρ层AlGaN电子阻挡层Al组分是梯度变化，先几个梯度的上升再几个梯度减小。
[0026]实例一
[0027]如图2，双向Al组分均匀渐变型DGEBL外延结构生长方法:
[0028]1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100°C烘烤8分钟。
[0029]2.在温度530°C生长一层厚度25nm的低温GaN层，生长压力为500torr。
[0030]3.升温到1020°C生长一层高温厚度1.0um的未掺杂GaN层，生长压力为300torr。
[0031]4.在温度