GaN基LED外延结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管(LED)是由II1-1V族化合物，如GaAs (砷化镓)、GaP (磷化镓)、GaAsP (磷砷化镓)等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P_N结的1-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。
[0003]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。
[0004]由于LED外延结构与衬底之间存在较大的晶格常数及热膨胀系数失配(如蓝宝石衬底与GaN材料:16%失配)，使得外延结构生长过程中产生很多缺陷。这些缺陷成为电子与空穴非辐射性复合中心，降低内量子效率，而内量子效率对LED外延结构的亮度起着决定性的影响。传统的提高外延结构结晶质量的方法有很多，如使用GaN作为衬底来进行外延生长，但是GaN衬底成本昂贵，应用受限。
[0005]基于以上原因，提供一种可以减少晶格失配造成的缺陷，提升外延结构亮度的LED外延结构及制备方法实属必要。
【发明内容】
[0006]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GaN基LED外延结构及其制备方法，用于解决现有技术中由于晶格常数及热膨胀系数失配使得外延结构生长过程中产生很多缺陷的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括步骤:步骤1)，提供一生长衬底，于所述生长衬底上形成A1N薄膜；步骤2)，于所述A1N薄膜上形成缓冲层，所述缓冲层为A1N结构、AlN/GaN超晶格结构、或A1N到AlxGal-xN的渐变结构中的一种，其中0 ( x〈l，x逐渐减小；步骤3)，于所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层以及N型GaN层；步骤4)，于所述N型GaN层上生长InGaN/GaN浅量子阱超晶格结构；步骤5)，于所述InGaN/GaN浅量子阱超晶格结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；以及步骤6)，于所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上依次生长P型电子阻挡层及P型GaN层。
[0008]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述生长衬底包括蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底及碳化硅衬底中的一种。
[0009]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤I)形成的AlN薄膜的厚度范围为5?50nm ;步骤2)形成的缓冲层的厚度范围为15?50nm。
[0010]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，所述未掺杂的GaN层及N型GaN层生长温度范围为1000?1200°C，总生长厚度范围为1.5?4.5um，所述N型GaN层中，Si掺杂浓度范围为lel8?3el9/cm3。
[0011]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，所述InGaN/GaN浅量子阱超晶格结构的生长温度范围为700?900°C，所述InGaN/GaN浅量子阱超晶格结构的周期对数量范围为3?30，InGaN势阱中In组分的原子比范围为I?5%，InGaN势讲的厚度范围为1.0?4.0nm, GaN势皇的厚度范围为1.0?9.0nm。
[0012]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度范围为700?900°C，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构含有的势皇势阱周期对数量范围为5?18，InGaN势阱中In的组分的原子比范围为15?20%，InGaN势阱的厚度范围为2.0?4.0nm，GaN势皇的厚度范围为3?15nm。
[0013]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤6)中，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型Al InGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构中的一种，所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30?80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5el8?3.5el9/cm3。
[0014]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤6)中，所述P型GaN层中Mg掺杂浓度范围为5el8?le20/cm3，所述P型GaN层的厚度范围为30?150nmo
[0015]本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构包括依次层叠的AlN薄膜、缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN浅量子阱超晶格结构、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、P型电子阻挡层以及P型GaN层，其中，所述缓冲层包括AlN结构、AlN/GaN超晶格结构、或AlN到AlxGal-xN的渐变结构，其中O彡x〈l，x逐渐减小。
[0016]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述GaN基LED外延结构形成于包括蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底以及碳化硅衬底之一的生长衬底上。
[0017]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述AlN薄膜的厚度范围为5?50nm，所述缓冲层的厚度范围为15?50nm。
[0018]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述未掺杂的GaN层及N型GaN层的总厚度范围为1.5?4.5um，所述N型GaN层中，Si掺杂浓度范围为lel8?3el9/
3
cm ο
[0019]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述InGaN/GaN浅量子阱超晶格结构的周期对数量范围为3?30，InGaN势阱中In组分的原子比范围为I?5 %，InGaN势阱的厚度范围为1.0?4.0nm, GaN势皇的厚度范围为1.0?9.0nm0
[0020]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构含有的势皇势阱周期对数量范围为5?18，InGaN势阱中In的组分的原子比范围为15?20%，InGaN势阱的厚度范围为2.0?4.0nm，GaN势皇的厚度范围为3?15nm。
[0021]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述P型电子阻挡层包括P型AlGaN、P型AlInGaN及P型AlGaN/GaN超晶格结构中的一种，所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30?80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5el8?3.5e 19/cm3。
[0022]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述P型GaN层中Mg掺杂浓度范围为5el8?le20/cm3，所述P型GaN层的厚度范围为30?150nm。
[0023]如上所述，本发明的GaN基LED外延结构及其制备方法，具有以下有益效果:本发明提出了一种提高晶体生长质量的高亮度GaN基LED外延结构及其制备方法，本发明先在衬底上镀一层A1N薄膜，然后再生长A1N结构、AlN/GaN超晶格结构、或A1N到AlxGal-xN的渐变结构缓冲层来调节衬底与外延层之间的晶格及热膨胀失配，从而改善了外延底层的应力。本发明可以使外延底层晶体缺陷减少，质量提高，同时，较传统的外延生长方法，本发明具有明显的亮度提升效果，在LED生产制造领域具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0024]图1显示为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的步骤流程示意图。
[0025]图2?图7分别显示为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法各步骤所呈现的结构不意图，其中，图7显不为本发明的GaN基LED外延结构的结构不意图。
[0026]元件标号说明
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