一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在氮化镓(GaN)基发光二极管(Light-emitting d1de，LED)中，GaN的P型掺杂相对困难，导致P型掺杂浓度远低于N型掺杂浓度。同时，空穴的有效质量远大于电子的有效质量，导致空穴的迀移率远小于电子的迀移率。这两方面因素使得空穴向多量子阱区域的注入率远小于电子的注入率，造成了电子与空穴注入的不匹配，造成了 LED的发光效率受限制以及大电流下发光效率衰减的问题。增强空穴的注入，对提升LED的发光性能具有十分重要的意义。
[0003]增强空穴注入有两类方法。第一种方法是改进GaN材料P型掺杂的技术，在掺杂剂、杂质激活工艺等技术细节上实施改进。尽管有许多研究者对GaN材料的P型掺杂技术进行了研究，但是未见有突破性进展的报道。目前通用的掺杂技术仍是Mg作为掺杂元素，通过热退火工艺进行杂质激活。第二种方法是对LED外延结构进行设计，通过改变能带结构来控制LED内载流子的输运过程，在施加电压下将更多的空穴引导注入到多量子阱区域中。第二种方法更具有可操作性，并且对LED性能的提升效果十分明显。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种增强空穴注入的氮化镓基发光二极管外延结构。
[0005]为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下:
[0006]—种氮化镓基发光二极管外延结构，自下至上依次包括:衬底、形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层、P型III族氮化物叠层；
[0007]所述P型111族氮化物叠层由P型GaN层和P型InxGa^xN层依次交替层叠而成，其中，x = 0.01-0.3o
[0008]作为优选，所述P型GaN层和/或P型InxGa1-XN层的厚度为20_1000nm。
[0009]作为优选，所述衬底为蓝宝石、S1、SiC、GaN、Zn0、LiGa02、LaSrAlTa06、Al和Cu中的一种。
[0010]作为优选，所述多量子阱有源区由y个多量子阱势皇层和y-ι个多量子阱势阱层依次交替层叠而成，所述y为大于2的整数。
[0011]作为优选，所述多量子阱势皇层的材料为GaN、InGaN、AlGaN和AlInGaN中的一种。
[0012]作为优选，所述多量子阱势阱层的材料为InGaN。
[0013]作为优选，所述电子阻挡层的材料为AlGaN、InAlN或AlInGaN。
[0014]上述氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，包括步骤如下:
[0015]I)在衬底上依次生长形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区、电子阻挡层；
[0016]2)在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型InxGapxN层，χ = 0.(Π-0.3，得到P型III族氮化物叠层；
[0017]其中，所述P型GaN层的生长方法如下:将反应室温度控制在900-1100°C，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层或P型InxGahN层上生长P型GaN层，掺杂浓度为 3-9 X 1017cm—3;
[0018]其中，所述P型InxGa1-xN层的生长方法如下:反应室温度保持900-1100°C，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型InxGa1IN层，掺杂浓度为 3-9 X 1017cm—3 0
[0019]作为优选，步骤2)中，在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型In0.2Ga0.sN层，
[0020]其中，所述P型GaN层的生长方法如下:将反应室温度控制在950°C，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层上生长P型GaN层，厚度为20-40nm，掺杂浓度为5XlO17Cnf3;
[0021]其中，所述P型In0.2Ga0.8N层的生长方法如下:反应室温度控制在950°C，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型In0.2Ga0.8N层，厚度为150-200nm，掺杂浓度为 5 X 1017cm—3。
[0022]作为优选，步骤I)中，具体操作步骤如下:
[0023]a)衬底处理:将(0001)晶向蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，反应室温度升高到1000-1300°C，通入氢气，对衬底进行高温烘烤；
[0024]b)生长形核层:将反应室温度控制在400_700°C，通入氨气、氢气和三甲基镓，在衬底上生长GaN形核层，形核层厚度< Inm;
[0025]c)生长缓冲层:将反应室温度控制在400_700°C，通入氨气、氢气和三甲基镓，在形核层上生长缓冲层，缓冲层厚度为100-300nm;
[0026 ] d)生长N型GaN层:将反应室温度控制在1000_1500°C，通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在缓冲层上生长N型GaN层，厚度为2-4μπι，掺杂浓度为3_9 X 118Cnf3;
[0027]e)生长多量子阱有源区:在N型GaN层上依次层叠生长多量子阱势皇层和多量子阱势阱层;该多量子阱有源区最下层和最上层均为多量子阱势皇层；
[0028]其中，多量子阱势皇层的生长方法如下:将反应室温度控制在800_900°C，通入氨气、氮气和三甲基镓，在N型GaN层或多量子阱势阱层上生长多量子阱势皇层，厚度为12-18nm；
[0029]其中，多量子阱势阱层的生长方法如下:将反应室温度控制在700_780°C，通入氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在GaN多量子阱势皇层上生长多量子阱势阱层，厚度为2-4nm；
[0030]f)生长电子阻挡层:将反应室温度控制在900_1100°C，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铝，在多量子阱有源区上生长电子阻挡层，厚度为80-200nm，掺杂浓度3-9XlO17Cnf30
[0031]相比现有技术，本发明的有益效果在于:
[0032]I)本发明通过P型GaN与InGaN交替的氮化物叠层，叠层A与叠层B相互接触构成了异质结，在两个叠层的界面处会形成价带上的低势皇区域，从而产生空穴聚集的效果；
[0033]2)本发明提供的氮化镓基发光二极管外延结构，与传统LED在同等电流条件下的电压基本一致，说明P型III族氮化物叠层的引入不会对LED的导电性带来消极影响。
[0034]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
【附图说明】
[0035]图1为实施例1的结构示意图；
[0036]图1中，各附图标记:1、衬底；2、形核层;3、缓冲层;4、N型GaN层;5、多量子阱有源区；51、多量子阱势皇层;52、多量子阱势阱层;6、电子阻挡层;7、P型III族氮化物叠层;71、P型 GaN 层；72、卩型 InxGapxN 层；
[0037]图2为对比例I的能带图；
[0038]图3为实施例1的能带图；
[0039]图4为对比例I的空穴浓度图；
[0040]图5为实施例1的空穴浓度图；
[0041 ]图6为实施例1和对比例I的电流-电压曲线对比图；
[0042]图7为实施例1和对比例I的光功率-电流曲线对比图。
【具体实施方式】
[0043]本发明中，如未特殊说明，所记载的“上”、“下”等方位指示词应该理解为对附图的方位指示。
[0044]本发明提供一种氮化镓基发光二极管外延结构，如图1所示，自下至上依次包括:衬底1、形核层2、缓冲层3、N型GaN层4、多量子阱有源区5、电子阻挡层6和P型III族氮化物叠层7;
[0045]所述P型111族氮化物叠层由P型GaN层和P型InxGapxN层依次交替层叠而成，其中，x = 0.01-0.3o
[0046]本发明中，具体地，如图1所示，所述P型GaN层层叠于电子阻挡层或P型InxGaiiN层上，所述P型InxGai—xN层层叠于P型GaN层上;卩型III族氮化物叠层在P型GaN层与P型InxGapxN层之间形成GaN/InGaN异质结，异质结处的价带产生一个低势皇区域，引发空穴聚集的效果O
[0047]所述多量子阱有源区由y个多量子阱势皇层51和y-Ι个多量子阱势阱层52依次层叠而成，其中，多量子阱势皇层层叠于N型GaN层上或多量子阱势阱层上，多量子阱势阱层叠于多量子阱势皇层上；
[0048]所述电子阻挡层层叠于多量子阱有源区的N型GaN层上。
[0049]制备氮化镓基发光二极管外延结构，包括以下步骤:
[0050]I)在衬底上依次生长形核层、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源区和电子阻挡层；[0051 ] 2)在电子阻挡层上依次交替生长P型GaN层和P型InxGai—xN层，x = 0.01-0.3，得到P型III族氮化物叠层；
[0052]其中，所述P型GaN层的生长方法如下:将反应室温度控制在900-1100°C，通入二茂镁、氨气、氮气和三甲基镓，在所述的电子阻挡层或P型InxGahN层上生长P型GaN层，掺杂浓度为3-9 X 117Ciif3; 8卩P型III族氮化物叠层以P型GaN层起始；
[0053]其中，所述P型InxGa1-xN层的生长方法如下:反应室温度保持900-1100°C，通入二茂镁、氨气、氮气、三甲基镓和三甲基铟，在上述P型GaN层上生长P型InxGa1IN层，掺杂浓度为 3-9 X 1017cm—3 0
[0054]实施例1
[0055]如图1所示，一种氮化镓基发光二极管外延结构，自下至上依次包括:衬底1、形核层2、缓冲层3、N型GaN层4、多量子阱有源区5、电子阻挡层6和P型III族氮化物叠层7;
[0056]所述P型III族氮化物叠层由P型GaN层和P型In0.2Ga0.sN层依次交替层叠而成。
[0057]制备上述氮化镓基发光二极管外延结构的方法，包括以下步骤:
[0058]I)衬底I处理:将(0001)晶向蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，反应室温度升高到1050°C，通入氢气，对衬底进行高温烘烤；
[0059]2)生长形核层2:将反应室温度控制在530°C，通入氨气、氢气和三甲基镓，在衬底上生长GaN形核层，形核层厚度为Inm;
[0060]3)生长缓冲层3:将反应室温度控制在530°C，通入氨气、氢气和三甲基镓，在步骤
2)所述的形核层上生长缓冲层，缓冲层厚度为200nm;
[0061]4)生长N型GaN层:通入硅烷、氨气、氢气和三甲基镓，在步骤3)得到的缓冲层3上生长N型GaN层，厚度为3μπι，掺杂浓度为5 X 1018cm"3 ；
[0062]5)生长多量子阱有源区:在步骤4)得到的N型GaN层上依次层叠生长11个多量子阱势皇层和10个多量子阱势阱层;该多量子阱有源区最下层和最上层均为多量子阱势皇层；
[0063]其中，多量子阱势皇层的生长方法如下:将反应室温度控制在810°C，通入氨气、氮气和三甲基镓，在步骤4)得到的N型GaN层或多量子阱势阱层上生长多量子阱势皇层，厚度为I2nm；
[0064]其中，多量子阱势阱层的生长方法如下:将反应室温度控制在7