一种led外延结构及制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种LED外延结构及制作方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(英文为Light Emitting D1de，简称LED)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。现阶段InGaN/GaN发光二极管被视为当今最有潜力的发光源，但是因为P-GaN材料较低的空穴浓度和较低的空穴迀移率，在多量子阱(MQW)中注入深度比较有限，严重限制了 GaN基LED发光效率的进一步提升。
[0003]目前越来越多理论研究和试验结果，证实V型缺陷是GaN基LED中非常重要的空穴注入通道，极大地提高了空穴注入效率。常规结构自然形成的V型坑(Pits)的原理是超晶格生长层温度较低，氮化物(如GaN)侧向外延能力较差，此时穿透位错会形成V型坑(Pits)，但是通过TEM和AFM分析可以发现V型坑(Pits)的形成初始位置比较一致，V型坑(Pits)的尺寸也比较一致，导致在特定的量子阱(QW)位置空穴注入效率较高，而其它量子阱(QW)注入效率较低，从而影响了发光效率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于:提供一种LED外延结构及制作方法，通过在超晶格生长过程中插入至少一层颗粒介质层，以形成不同宽度和深度的V型坑，从而明显改善LED中空穴注入效率和空穴在MQW中的空间分布，提高所有QW对空穴的利用效率及LED的发光效率。
[0005]本发明的第一方面，提供一种高空穴注入效率LED外延结构，该外延结构从下至上依次包括:衬底、第一导电类型半导体层、超晶格、多量子阱层以及第二导电类型半导体层，其特征在于:在所述超晶格中至少插入一层颗粒介质层，所述颗粒介质层用于在所述超晶格中形成不同宽度和深度的V型坑，多量子阱层填充所述V型坑并位于超晶格顶表面上。
[0006]优选地，在所述衬底上形成缓冲层，材质优选InAlGaN。
[0007]优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。
[0008]优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。
[0009]优选地，所述颗粒介质层的粒径为0.5~5nm，所述V型坑的宽度为50~500nm。
[0010]优选地，所述V型坑深度H取决于超晶格总厚Tl、多量子阱层总厚T2及颗粒介质层在超晶格层中的位置，并满足T2〈H〈T1+T2。
[0011]优选地，所述颗粒介质层的密度为与V型坑密度基本对应，密度介于I X 107cm 2至I X 109cm 2O
[0012]优选地，所述颗粒介质层材质为氮化镁(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化钛(TixOy)或氧化锆(ZrxOy)或氧化铪(HfxOy)或氧化钽(TaxOy)或其组合。
[0013]本发明的第二方面，再提供一种LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤:
(1)提供一衬底；
(2)在所述衬底上生长第一导电类型半导体层；
(3)在所述第一导电类型半导体层上生长超晶格，在超晶格生长过程中至少插入一层颗粒介质层，所述颗粒介质层用于在所述超晶格中形成不同宽度和深度的V型坑；
(4)在所述V型坑及所述超晶格顶表面上生长多量子阱层；
(5)在所述多量子阱层上生长第二导电类型半导体层。
[0014]优选地，在所述衬底上生长缓冲层，材质优选InAlGaN。
[0015]优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。
[0016]优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。
[0017]优选地，所述颗粒介质层的粒径为0.5~5nm，所述V型坑的宽度为50~500nm。
[0018]优选地，所述V型坑深度H取决于超晶格总厚Tl、多量子阱层总厚T2及颗粒介质层在超晶格层中的位置，并满足T2〈H〈T1+T2。
[0019]优选地，所述颗粒介质层密度与V型坑密度基本对应，密度介于IX 107cm 2至I X 109cm 2O
[0020]优选地，所述颗粒介质层材质为氮化镁(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化钛(TixOy)或氧化锆(ZrxOy)或氧化铪(HfxOy)或氧化钽(TaxOy)或其组合。
[0021]优选地，所述超晶格的生长温度为700~900°C。
[0022]优选地，所述步骤(3)中，在超晶格生长过程中至少插入一层颗粒介质层，由于超晶格的生长温度较低，侧向外延能力较弱，容易自外延表面于颗粒介质层处形成V型坑。
[0023]本发明相对于现有技术，至少包括以下技术效果:本发明通过在超晶格生长过程中引入并控制颗粒介质层的层数、位置和生长条件，来调整微颗粒的产生次数、位置、密度，从而控制V型坑的不同深度和密度的匹配，以改变空穴的注入效果，有效提高空穴注入效率以及在所有量子阱(QW)中的分布均匀性，提高LED的发光效率。
【附图说明】
[0024]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
[0025]图中标示:1:衬底；2:缓冲层；3:U-GaN 层；4:N_GaN 层；5:超晶格;6 (6A、6B、6C):颗粒介质层；7:多量子阱层；8:电子阻挡层；9:P-GaN层；10:接触层。
[0026]图1为本发明制作的LED外延结构的剖视示意图。
[0027]图2为本发明制作的LED外延结构的俯视示意图。
[0028]图3为不同深度V型坑空穴注入在MQW中的位置示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
[0030]实施例1
请参照图1和图2，本实施例提供一种LED外延结构，从下至上依次包括:衬底1、缓冲层2、包括U-GaN层3和N-GaN层4的第一导电类型半导体层、超晶格5、多量子阱层7以及包括电子阻挡层8、P-GaN层9以及接触层10的第二导电类型半导体层，在所述超晶格中至少插入一层颗粒介质层6，所述颗粒介质层6用于在所述超晶格中形成不同宽度和深度的V型坑，多量子阱层7填充V型坑并位于所述超晶格之上。
[0031]具体来说，本实施例的衬底I选用蓝宝石(A1203)、SiC、GaAs, GaN、ZnO, S1、GaP,InP以及Ge中的至少一种，优选平片蓝宝石衬底，尽管图中未示出，但是蓝宝石衬底也可以是图形化蓝宝石衬底(PSS)，因此，实施例不限于此。
[0032]缓冲层2材质选用InAlGaN半导体材料，形成于衬底I上，以减少由于衬底I和第一导电类型半导体层之间的晶格常数差而导致的晶格错配，改善外延生长质量。
[0033]U-GaN层3和N-GaN层4构成第一导电类型半导体层，依次形成于缓冲层2上，U-GaN层3能够减少由于衬底I和N-GaN层4之间的晶格常数差导致的晶格错配。而且，U-GaN层3能够增强形成在该层上的半导体层结晶性能。
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