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，但是由于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，极大的提高了空穴注入效率，但是V型坑(Pits)侧壁上生长的量子皇(QB)依会形成势皇，影响空穴向量子阱(QW)中的注入效率，从而影响了发光效率；而且P-GaN层材料较低的空穴浓度依然难以解决。
【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，通过在具有V型坑的多量子阱层中形成双六角锥空穴注入层，可以有效降低半导体材料中的点缺陷密度和位错密度，提供更高浓度的空穴，提高注入效率，改善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、具有V型坑的多量子阱层、空穴注入层以及第二导电类型半导体层，其特征在于:所述空穴注入层呈双六角锥，填满所述V型坑并嵌入第二导电类型半导体层。
[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，所述空穴注入层材质为InxGalxN (0〈x彡1)，多量子阱层材质为IriyAl.Gaj y ZN (0<y ( 1,0 ^ z ^ l，0〈y+z ( 1)，其中 x、y 满足关系式 0〈x〈y ( 1。
[0010]优选地，所述空穴注入层的吸收波长短于多量子阱层的发光波长。
[0011]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；
(4)在所述超晶格上生长具有V型坑的多量子阱层；
(5)在所述V型坑中生长空穴注入层，填满并高出V型坑，直至形成双六角锥空穴注入层；
(6)在所述多量子阱层的顶表面及空穴注入层上生长第二导电类型半导体层。
[0012]优选地，在所述衬底上生长缓冲层，材质优选InAlGaN。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]优选地，所述空穴注入层材质为InxGalxN (0〈x彡1)，多量子阱层材质为IriyAl.Gaj y ZN (0<y ( 1,0 ^ z ^ l，0〈y+z ( 1)，其中 x、y 满足关系式 0〈x〈y ( 1。
[0016]优选地，所述空穴注入层的吸收波长短于多量子阱层的发光波长。
[0017]优选地，还包括在所述多量子阱层的顶表面生长电子阻挡层。
[0018]优选地，所述步骤(5)中双六角锥空穴注入层的生长方法包括:采用三维外延生长，反应压力MOOtor，温度为750~850°C，无H2环境，生长速率为0.1-0.5 μ m/h。
[0019]优选地，在所述步骤(6)之前，还包括:在所述多量子阱层的顶表面或电子阻挡层的顶表面形成掩膜材料层，然后在所述V型坑中生长双六角锥空穴注入层，再去除掩膜材料层。
[0020]优选地，所述形成掩膜材料层的方法为:采用小角度15° )的镀膜沉积方法，避免在V型坑内形成。
[0021]优选地，所述掩膜材料层材质为氮化镁(MgxNy)或氮化娃(SixNy)或氧化娃(Six0y)或氧化钛(Tix0y)或氧化锆(Zrx0y)或氧化铪(Hfx0y)或氧化钽(Tax0y)或其组合。
[0022]本发明相对于现有技术，至少包括以下技术效果:
(1)在具有V型坑的多量子阱层中高压三维外延生长空穴注入层，有效降低半导体材料中的点缺陷密度和位错密度；
(2)双六角锥空穴注入层嵌入V型坑及第二导电类型半导体层，有效增大空穴注入面积，提高空穴注入效率。
【附图说明】
[0023]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。
[0024]图中标示:1:衬底；2:缓冲层；3:U_GaN层(未掺杂或非故意掺杂GaN层);4:N-GaN层；5:超晶格；6:多量子阱层；7:电子阻挡层；8:空穴注入层；9:P-GaN层；10:接触层；11:掩膜材料层。
[0025]图1为本发明实施例1制作的LED外延结构的剖视示意图。
[0026]图2为图1中的双六角锥空穴注入层的立体示意图。
[0027]图3~图12为本发明实施例2制作的LED外延结构的工艺步骤流程图。
[0028]图13为本发明实施例3制作的LED外延结构的剖视示意图。
【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、具有V型坑的多量子阱层6及电子阻挡层7、双六角锥空穴注入层8、包括P-GaN层9和接触层10的第二导电类型半导体层，其中双六角锥空穴注入层8填满所述V型坑并嵌入第二导电类型半导体层。
[0031]具体来说，本实施例的衬底1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，形成在衬底1上，以减少由于衬底1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1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。
[0034]超晶格5形成于第一导电类型半导体层上，采用重复地交替堆叠InGaN层和GaN层大约15次至大约25次。
[0035]具有V型坑的多量子阱层6