一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种氮化镓基发光二极管外延结构，包括衬底，该衬底上从下至上依次设有：应力控制层，硅掺杂的n型GaN层，应力缓冲层，多量子阱有源区，间隔层，电子阻挡层，p型GaN层，以及 p型欧姆接触层，其特征在于，所述多量子阱有源区包括量子阱和不同硅掺杂浓度的量子垒，且靠近p型GaN层一侧量子垒的硅掺杂浓度低于靠近n型GaN层一侧量子垒的硅掺杂浓度。本发明通过在量子垒中掺杂不同浓度的硅来制备发光二极管外延结构，可以有效的改善多量子阱中载流子的输运，使载流子分布更为均匀，提高辐射复合效率，同时降低器件工作电压，提高外量子效率。
【专利说明】
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]本发明属于半导体光电子领域，尤其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]LED (Light Emitting D1de，发光二极管)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电能转化为光能。LED作为一种新的照明光源材料被广泛应用着。白光LED作为一种新型光源，因具有反应速度快、抗震性好、寿命长、节能环保等优点而快速发展。目前已被广泛应用于景观美化及室内外照明等领域。
[0003]外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而多量子阱又是外延层的最重要部分。 现有的外延材料主要为GaN基材料，其具有较强的自发极化效应和压电极化效应，InGaN/ GaN多量子阱有源区结构中存在很强的极化电场。在GaN量子皇中，极化电场导致能带倾斜，形成三角型势皇结构。该三角形势皇阻碍载流子的输运，导致LED工作电压升高。为了降低量子皇中的势皇高度从而降低器件工作电压，传统LED结构的多量子阱有源区中的量子皇多采用均匀的硅掺杂。另外，GaN基材料的空穴有效质量很大，材料中空穴的迀移率很低，因而在GaN基LED工作时，空穴从p型GaN层注入多量子阱后，主要分布在最靠近p型一侧的量子阱中，载流子分布很不均匀。随着工作电流增大，最后一个量子阱中载流子浓度高会导致电子泄漏、俄歇复合加剧等一系列问题，导致辐射复合效率下降、发光效率下降。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术的不足，本发明的一个目的是提供一种氮化镓基发光二极管外延结构。该外延结构可以有效的改善多量子阱中载流子的输运，使载流子分布更为均匀，提高辐射复合效率，同时降低器件工作电压，提高外量子效率。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种氮化镓基发光二极管外延结构，包括衬底，该衬底上从下至上依次设有:应力控制层，硅掺杂的n型GaN层，应力缓冲层， 多量子阱有源区，间隔层，电子阻挡层，P型GaN层，以及p型欧姆接触层，所述多量子阱有源区包括量子阱和不同硅掺杂浓度的量子皇，且靠近P型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度低于靠近n型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度。
[0006]优选地，所述多量子阱有源区包括m个周期的窄带隙InxGai XN量子阱和硅掺杂浓度为〇~2X10lscm3范围内的宽带隙InaAlbGalabN量子皇，其中，2彡m彡20, m为整数， 0 彡 x〈l，0 彡 a〈l，0 彡 b〈l〇
[0007]优选地，所述应力控制层为一层或多层AlxGai XN层，其中，0彡x彡1。
[0008]优选地，所述应力缓冲层为InxGai XN层或InxGai xN/GaN超晶格，其中，0彡x彡1。
[0009]优选地，所述间隔层为InxAlyGai x yN，其中，0彡x〈l，0彡y〈l。[〇〇1〇]优选地，所述InxAlyGai x yN间隔层为Mg掺杂，其中，0彡x〈l，0彡y〈l。
[0011]针对上述现有技术的不足，本发明的另一个目的是提供一种氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法。通过该方法制备出的外延结构可以有效的改善多量子阱中载流子的输运，使载流子分布更为均匀，提高辐射复合效率，同时降低器件工作电压，提高外量子效率。
[0012]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，该方法包括:在衬底上外延生长应力控制层；在应力控制层上外延生长硅掺杂的n型GaN层；在n型GaN层上外延生长应力缓冲层；在应力缓冲层上外延生长多量子阱有源区；在多量子阱有源区外延生长间隔层；在间隔层上外延生长电子阻挡层；在电子阻挡层上外延生长P型GaN层；在p型GaN层上外延生长欧姆接触层；所述多量子阱有源区包括量子阱和不同硅掺杂浓度的量子皇，且靠近P型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度低于靠近n型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度。
[0013]优选地，所述多量子阱有源区包括m个周期的窄带隙InxGalxN量子阱和硅掺杂浓度为〇~2X10lscm3范围内的宽带隙InaAlbGalabN量子皇，其中，2彡m彡20, m为整数， 0 彡 x〈l，0 彡 a〈l，0 彡 b〈l〇
[0014]优选地，所述间隔层为InxAlyGai x yN，其中，0彡x〈l，0彡y〈l。
[0015]优选地，所述InxAlyGai x yN间隔层为Mg掺杂，其中，0彡x〈l，0彡y〈l。
[0016]本发明的有益效果是:本发明通过在量子皇中掺杂不同浓度的硅来制备发光二极管外延结构，可以有效的改善多量子阱中载流子的输运，使载流子分布更为均匀，提高辐射复合效率，同时降低器件工作电压，提高外量子效率。【附图说明】
[0017]图1为本发明提供的一种氣化嫁基LED外延结构不意图；图2为本发明提供的一种氮化镓基LED外延结构制备流程示意图；图3为本发明实施例一中量子皇掺杂的空间分布不意图。【具体实施方式】
[0018]为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
[0019]实施例一如图1所示，本发明提供的一种氮化镓基LED外延结构，该结构从下到上依次为硅衬底 1，应力控制层2, n型GaN层3,应力缓冲层4,多量子阱有源区5,间隔层6,电子阻挡层7, p 型GaN层8,欧姆接触层9,其中多量子阱有源区5包括窄禁带的InGaN量子阱5a和宽禁带的GaN量子皇5b。
[0020]图2为图1 一种氮化镓基LED外延结构制备流程示意图，具体的制备方法如下:采用金属有机化学气相沉积法(M0CVD)进行外延生长，在硅(111)衬底1上外延生长应力控制层2,包括AlN-Ala5Gaa5N-Ala2GaasN的三层结构。生长时，将衬底置于反应室，并将反应室温度设定在800°C ~1200°C，并向反应室中通入三甲基铝(TMA1)、氨气(NH3)，在H2作为载气的条件下，生长一层厚度300nm的A1N层，然后通入三甲基镓(TMGa)，并保持通入三甲基铝和氨气，生长400nm的六1。.56&。.#层。然后通过调节三甲基铝的流量，改变外延层的A1组分，生长400nm的AlQ.2GaQ.sN层。在应力控制层2上外延生长n型GaN层3,包括一层500nm厚的非故意掺杂的GaN层和一层3mm厚的n型GaN层；n型GaN以娃烧(SiH4)作为掺杂剂， 掺杂浓度为8X10lscm3，生长温度在900°C~1100°C。在n型GaN层3上外延生长应力缓冲层4,是将温度降低到750°C ~900°C，以队作为载气，并持续通入TMGa、NH3，间歇性的通入三甲基铟(TMIn)，交替生长总对数为30对的InGaN/GaN (lnm/2nm)超晶格，其中InGaN中的In组分为1%，应力缓冲层4采用硅掺杂，其浓度为1 X 10lscm 3。在应力缓冲层4上生长多量子阱有源区5,包括在750°C ~900°C交替生长9对窄禁带的InGaN量子阱5a和宽禁带的GaN量子皇5b，量子讲/皇的厚度分别为3nm/12nm，其中，量子皇分为三组，前三个量子皇(5b_l、5b_2、5b_3)中掺硅浓度为4 X 1017cm 3，中间三个量子皇(5b_4、5b_5、5b_6)中掺硅浓度为2X1017cm3,最后三个量子皇(5b_7、5b_8、5b_9)中掺硅浓度为1X1017 cm3,其量子皇掺杂的空间分布不意图如图3所不。在多量子讲5上，在750°C ~950°C生长一层5nm不掺杂的GaN间隔层6。在间隔层6上生长电子阻挡层7，包括通入TMA1、TMGa、NH3，以队作为载气，以二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂，在750°C~1000°C生长为厚度20nm的AlQ.2GaasN层， 其中Mg掺杂浓度为1.5X 1019 cm 3。在电子阻挡层7上，在750°C ~1000°C通入TMGa、NH3， 以氏作为载气，生长厚度为lOOnm、掺杂浓度为3 X 10 19cm 3的p型GaN层8。在p型GaN层 8上，在750°C ~1000°C，增加通入反应室的Cp2Mg和TMGa比值，以氏作为载气，生长厚度 20nm，掺杂浓度为2 X 102°cm 3的欧姆接触层9。
[0021]实施例二在蓝宝石衬底上外延生长GaN应力控制层。生长时，将衬底置于反应室，并将反应室温度设定在450°C ~700°C，优选地，温度在500°C ~600°C，向反应室中通入TMGa、NH3，在H2作为载气的条件下，生长一层厚度l〇~50nm的GaN层，优选地，厚度为20~40nm。在GaN应力控制层上外延生长n型GaN层，厚度为3mm，以硅烷(SiH4)作为掺杂剂，掺杂浓度为2 X 1019cm 3。 在n型GaN层上外延生长应力缓冲层，该应力缓冲层为交替生长的总对数为20对的InGaN/ GaN(2nm/5nm)超晶格，其中InGaN中的In组分为10%。在应力缓冲层上生长多量子阱有源区，该多量子阱有源区是在750°C ~900°C交替生长15对窄禁带的InGaN量子阱和宽禁带的 GaN量子皇。从n型GaN —侧往p型GaN —侧方向，量子皇中的硅掺杂浓度由2 X 10lscm 3逐次线性递减到0,最后一个量子皇中不掺杂。在多量子阱有源区上外延生长一层50nm厚的 Mg掺杂的InGaN间隔层，其中In组分约为0.5%。在InGaN间隔层上生长8对AlGaN/InGaN (3nm/3nm)电子阻挡层，其中A1组分大于或等于10%，且小于或等于30%，In组分大于或等于1%，且小于或等于10%，Mg掺杂浓度大于或等于5 X101S cm3,且小于或等于2 X102° cm3。 在电子阻挡层上生长掺杂浓度为6X 1019cm 3,厚度为200nm的p型GaN层。在p型GaN层上生长厚度5nm，掺杂浓度为3 X 102°cm 3欧姆接触层。
[0022]实施例三在硅(111)衬底上外延生长应力控制层，包括AlN-Ala5Gaa5N-Ala2GaasN的三层结构， 生长时，将衬底置于反应室，并将反应室温度设定在800°C ~1200°C，并向反应室中通入三甲基铝(TMA1)、氨气(NH3)，在H2作为载气的条件下，生长一层厚度300nm的A1N层，然后通入三甲基镓(TMGa)，并保持通入三甲基铝和氨气，生长300nm的Ala 5Gaa 5N层。然后通过调节三甲基铝的流量，改变外延层的A1组分，生长200nm的41。.#&。.以层。在应力控制层上外延生长n型GaN层，包括一层lum厚的非故意掺杂的GaN层和一层3mm厚的n型GaN层；n 型GaN以硅烷(S%)作为掺杂剂，掺杂浓度为1.2X 10lscm 3，生长温度在900°C ~1100°C。在n型GaN层上外延生长应力缓冲层，是将温度降低到750°C ~900°C，以队作为载气，并持续通入三乙基镓(TEGa)、NH3，间歇性的通入三甲基铟(TMIn)，交替生长总对数为20对的 InGaN/GaN (lnm/2nm)超晶格，其中InGaN中的In组分为5%，应力缓冲层采用硅掺杂，其浓度为8X 1017cm 3。在应力缓冲层上生长多量子阱有源区，包括在750°C ~900°C交替生长 6对窄禁带的InGaN量子阱和宽禁带的GaN量子皇，量子阱/皇的厚度分别为3nm/5nm，其中，除最后一个量子皇外，其他量子皇中的硅掺杂从4 X 1017cm 3渐变递减到5 X 10 16cm 3。在多量子阱有源区上，在750°C ~950°C生长一层5nm的GaN间隔层，GaN间隔层Mg掺杂浓度为5X 1017cm 3。在GaN间隔层上生长电子阻挡层，包括通入TMA1、TMGa、NH3,以N2作为载气，以二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂，在750°C ~1000°C生长为厚度50nm的AlQ.Q7Gaa93N层，其中Mg掺杂浓度为3X1019 cm3。在电子阻挡层上，在750°C~1000°C通入TMGa、NH3，以氏作为载气，生长厚度为50nm、掺杂浓度为1.5 X 1019cm 3的p型GaN层。在p型GaN层上，在 750°C ~1000°C，增加通入反应室的Cp2Mg和TMGa比值，以氏作为载气，生长厚度20nm，掺杂浓度为2X 102°cm 3的欧姆接触层。
[0023]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种氮化镓基发光二极管外延结构，包括衬底，该衬底上从下至上依次设有:应力 控制层，硅掺杂的n型GaN层，应力缓冲层，多量子阱有源区，间隔层，电子阻挡层，p型GaN 层，以及P型欧姆接触层，其特征在于，所述多量子阱有源区包括量子阱和不同硅掺杂浓度 的量子皇，且靠近P型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度低于靠近n型GaN层一侧量子皇的 硅掺杂浓度。2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述多量 子阱有源区包括m个周期的窄带隙InxGai XN量子阱和硅掺杂浓度为0~2X 10lscm 3范围内 的宽带隙InaAlbGai abN量子皇，其中，2彡m彡20，m为整数，0彡x〈l，0彡a〈l，0彡b〈l。3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述应力 te制层为一层或多层Al^Gai XN层，其中，1。4.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述应力 缓冲层为InxGai XN层或InxGai xN/GaN超晶格，其中，0彡x彡1。5.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述间隔 层为 InxAlyGai x yN，其中，0 彡 x〈l，0 彡 y〈l。6.根据权利要求5所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构，其特征在于，所述 InxAlyGai x yN间隔层为Mg掺杂，其中，0彡x〈 1，0彡y〈 1。7.—种氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，该方法包括:在衬底上外延生长应力控制层；在应力控制层上外延生长硅掺杂的n型GaN层；在n型GaN层上外延生长应力缓冲层；在应力缓冲层上外延生长多量子阱有源区；在多量子阱有源区外延生长间隔层；在间隔层上外延生长电子阻挡层；在电子阻挡层上外延生长P型GaN层；在p型GaN层上外延生长p型欧姆接触层；其特征在于，所述多量子阱有源区包括量子阱和不同硅掺杂浓度的量子皇，且靠近P 型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度低于靠近n型GaN层一侧量子皇的硅掺杂浓度。8.根据权利要求7所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，其特 征在于，所述多量子阱有源区包括m个周期的窄带隙InxGalxN量子阱和硅掺杂浓度为 0~2X10lscm3范围内的宽带隙InaAlbGalabN量子皇，其中，2彡m彡20，m为整数，0彡x〈l， 0 彡 a〈l，0 彡 b〈l〇9.根据权利要求7所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，其特征在 于，所述间隔层为InxAlyGai x yN，其中，0彡x〈l，0彡y〈l。10.根据权利要求9所述的一种氮化镓基发光二极管外延结构的制备方法，其特征在 于，所述Ir^AlyGai x yN间隔层为Mg掺杂，其中，0彡x〈l，0彡y〈l。
【文档编号】H01L33/00GK105990479SQ201510070359
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月11日
【发明人】孙钱, 李增成, 黄应南, 孙秀建, 鲁德, 刘小平
【申请人】晶能光电（常州）有限公司