基于GaN基量子阱的外延结构及其生长方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于GaN基量子阱的外延结构及其生长方法，外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，所述量子阱层包括InxGa(1-x)N势阱层和GaN势垒层，其特征在于，所述量子阱层上方生长有AlxGa(1-x)N覆盖层。本发明中能够更好把量子阱层中的In局限在一层极薄的薄膜中防止In的扩散，有效缓解因升温带来的In聚集效应，同时还能提高量子阱的晶体质量，提高量子阱中的发光效率和均匀性，从而提高亮度。
【专利说明】基于GaN基量子阱的外延结构及其生长方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体发光器件【技术领域】，特别是涉及一种基于GaN基量子阱的外延结构及其生长方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(Light-Emitting D1de，LED)是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
[0003]GaN(氮化镓)基材料是离子晶体，由于正负电荷不重合，形成自发极化；另外由于InGaN (氮化铟镓)和GaN材料之间的晶格适配，又会引起压电极化，进而形成压电极化场。极化场的存在，一方面使得量子阱的等效禁带宽度减小，发光波长红移；另一方面电子和空穴波函数的交叠会减小，降低其辐射复合几率。
[0004]因此，现有技术中揭示了在GaN基材料上生长InGaN/GaN量子讲结构，但由于在生长量子阱结构时温度较高，In容易扩散并产生聚集效应，从而影响了 InGaN/GaN量子阱的晶体质量，进而对InGaN/GaN量子阱的发光效率和均匀性造成一定的影响。
[0005]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于GaN基量子阱的外延结构及其生长方法。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于GaN基量子阱的外延结构及其生长方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下:
[0008]一种基于GaN基量子阱的外延结构，所述外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，所述量子阱层包括InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层，所述量子讲层上方生长有AlxGa(1_x)N覆盖层。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度为I?2nm。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N覆盖层中的x的取值范围为0.5 %?10%。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述GaN缓冲层包括低温GaN缓冲层和高温GaN缓冲层，所述P型GaN层包括低温P型GaN层和高温P型GaN层。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述低温P型GaN层和高温P型GaN层之间包括AlGaN电流阻挡层。
[0013]相应地，一种基于GaN基量子阱的外延结构的生长方法，所述生长方法包括:
[0014]S1、提供一衬底；
[0015]S2、在衬底上外延生长GaN缓冲层；
[0016]S3、在GaN缓冲层上外延生长N型GaN层；
[0017]S4、在N型GaN层上外延生长量子阱层，量子阱层包括依次生长的InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层；
[0018]S5、在量子阱层上外延生长AlxGa(1_x)N覆盖层；
[0019]S6、在AlxGa(1_x)N覆盖层上外延生长P型GaN层。
[0020]作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度为I?2nm。
[0021]作为本发明的进一步改进，所述步骤S5中AlxGa(1_x)N覆盖层中X的取值范围为
0.5%?10%。
[0022]作为本发明的进一步改进，所述生长方法中以三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga源、Al源、In源和N源进行外延生长。
[0023]本发明具有以下有益效果:
[0024]AlxGa(1_x)N覆盖层能够有效使InGaN势阱层中的In局限在量子阱层内；
[0025]AlxGa(1_x)N覆盖层能够有效缓解因升温导致的In被析出的聚集效应，可以最大程度降低芯片主波长的半宽；
[0026]In均勾分布在量子讲中，可以提尚芯片的发光均勾性，从而提尚芯片的发光壳度；
[0027]精确控制Al组分和AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度可以调整MQW中的能带结构，从而可以精确调整控制量子阱的应力，减小极化效应的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为现有技术中基于GaN基量子阱外延结构的示意图；
[0030]图2为本发明一【具体实施方式】中基于GaN基量子阱外延结构的示意图；
[0031]图3a为现有技术中MQW (量子阱层)的电镜图；
[0032]图3b为本发明一【具体实施方式】中MQW (量子阱层)的电镜图。
【具体实施方式】
[0033]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0034]此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。
[0035]本发明公开了一种基于GaN基量子讲的外延结构，该外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，量子阱层包括InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层，星子讲层上方生长有AlxGa(1_x)N覆盖层。
[0036]优选地，AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度为I?2nm，AlxGa(1_x)N中的x的取值范围为
0.5%?10%。
[0037]本发明还公开了一种基于GaN基量子阱的外延结构的生长方法，该生长方法包括:
[0038]S1、提供一衬底；
[0039]S2、在衬底上外延生长GaN缓冲层；
[0040]S3、在GaN缓冲层上外延生长N型GaN层；
[0041]S4、在N型GaN层上外延生长量子阱层，量子阱层包括依次生长的InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层；
[0042]S5、在量子阱层上外延生长AlxGa(1_x)N覆盖层；
[0043]S6、在AlxGa(1_x)N覆盖层上外延生长P型GaN层。
[0044]以下结合【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0045]参图1所示，现有技术中的外延结构依次包括:
[0046]衬底10，衬底可以为蓝宝石、S1、SiC、GaN、ZnO等；
[0047]GaN缓冲层20，缓冲层可以为一层结构，也可以为多层结构；
[0048]N型GaN层30，位于GaN缓冲层20上；
[0049]量子阱层40，量子阱层为InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构，包括InxGa(1_x)N(0〈X〈l)势阱层41和GaN势皇层42 ；
[0050]P型GaN层60，位于量子阱层40上。
[0051]参图2所示，在本发明的一【具体实施方式】中，外延结构依次包括:
[0052]衬底10，衬底可以为蓝宝石、S1、SiC、GaN、ZnO等，本实施方式中选用蓝宝石衬底；
[0053]GaN缓冲层20，缓冲层可以为一层结构，也可以为多层结构。优选地，本实施方式中GaN缓冲层为两层结构，包括低温GaN缓冲层和高温GaN缓冲层；
[0054]N型GaN层30，位于GaN缓冲层20上；
[0055]量子阱层40，量子阱层为InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构，包括InxGa(1_x)N(0〈X〈l)势阱层41和GaN势皇层42。本实施方式中仅包含一层InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层，在其他实施方式中也可以是多层InxGa(1_x)N势阱层/GaN势皇层结构，各层In组分含量从下向上逐渐增大。
[0056]AlxGa(1_x)N覆盖层50，本实施方式中AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度为I?2nm，AlxGa(1_x)N中X的取值范围为0.5%?10%。
[0057]P型GaN层60，P型GaN层可以为一层结构，也可以为多层结构。优选地，本实施方式中P型GaN层为两层结构，P型GaN层包括低温P型GaN层和高温P型GaN层，进一步地，低温P型GaN层和高温P型GaN层之间包括AlGaN电流阻挡层。
[0058]与现有技术相比，本实施方式中在InxGa(1_x)N势阱层/GaN势皇层结构上增加了一层AlxGa(1_x)N覆盖层，通过控制Al组分的比例(x介于0.5% -10%之间)，能够更好把量子阱层中的In局限在一层极薄的薄膜中防止In的扩散，有效缓解因升温带来的In聚集效应，同时还能提高量子阱的晶体质量，提高量子阱中的发光效率和均匀性，从而提高亮度。
[0059]相应地，本实施方式中外延结构的生长方法具体包括:
[0060]S1、提供一蓝宝石衬底。
[0061 ] S2、在蓝宝石衬底上外延生长GaN缓冲层。
[0062]本实施方式中首先控制温度在450°C?650°C之间，生长15nm?35nm厚的低温GaN缓冲层；然后控制温度在1000°C?1200°C之间，生长厚度为0.8um?4um间的高温GaN缓冲层。
[0063]S3、在GaN缓冲层上外延生长N型GaN层。
[0064]S4、在N型GaN层上外延生长量子阱层，量子阱层包括依次生长的InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层。
[0065]优选地，本实施方式中InxGa(1_x)N势阱层中In的组份保持不变，在10%?50%之间，势阱层的厚度在2nm?5nm之间，生长温度在720V?820°C之间；GaN势皇层的生长温度在820°C?920°C之间。
[0066]S5、在量子阱层上外延生长AlxGa(1_x)N覆盖层。
[0067]量子阱层长完后，在温度升高至势皇层的温度的同时，生长一层I?2nm的AlxGa(1_x)N覆盖层，通过控制Al源来控制Al组分的比例(x介于0.5%?10%之间)。
[0068]AlxGa(1_x)N覆盖层能够更好把量子阱层中的In局限在一层极薄的薄膜中防止In的扩散，有效缓解因升温带来的In聚集效应，同时还能提高量子阱的晶体质量，提高量子阱中的发光效率和均匀性，从而提高亮度。
[0069]S6、在AlxGa(1_x)N覆盖层上外延生长P型GaN层。
[0070]量子阱层生长结束后，生长厚度1nm?10nm之间的低温P型GaN层，生长温度在500°C?800°C之间，生长时间在5分钟?20分钟之间。在生长低温P型GaN层的过程中，队作为载气，并掺杂介质二茂镁；
[0071]低温P型GaN层生长结束后，将温度升至900°C?1100°C之间，生长厚度1nm?10nm之间的P型AlGaN电流阻挡层；
[0072]P型AlGaN电流阻挡层生长结束后，生长一层厚度0.1um?0.9um之间的高温P型GaN层，其生长温度在850°C?1090°C之间，生长时间在5?20min之间。
[0073]本实施方式中以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga源、Al源、In源和N源进行外延生长，在其他实施方式中也可以采用其他Ga源等进行生长。
[0074]参图3a、3b所示分别为现有技术和本实施方式中MQW(量子阱层)的电镜图，由图中可以看出，现有技术中存在明显的In聚集效应，而本实施方式中通过增加了 AlxGa(1_x)N覆盖层，In聚集效应得到了明显的改善。
[0075]由上述实施方式可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0076]AlxGa(1_x)N覆盖层能够有效使InGaN势阱层中的In局限在量子阱层内；
[0077]AlxGa(1_x)N覆盖层能够有效缓解因升温导致的In被析出的聚集效应，可以最大程度降低芯片主波长的半宽；
[0078]In均勾分布在量子讲中，可以提尚芯片的发光均勾性，从而提尚芯片的发光壳度；
[0079]精确控制Al组分和AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度可以调整MQW中的能带结构，从而可以精确调整控制量子阱的应力，减小极化效应的影响。
[0080]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0081]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【权利要求】
1.一种基于GaN基量子阱的外延结构，所述外延结构依次包括衬底、GaN缓冲层、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，所述量子阱层包括InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层，其特征在于，所述量子阱层上方生长有AlxGa(1_x)N覆盖层。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度为I?2nm0
3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述AlxGa(1_x)N覆盖层中的x的取值范围为0.5%?10%。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述GaN缓冲层包括低温GaN缓冲层和高温GaN缓冲层，所述P型GaN层包括低温P型GaN层和高温P型GaN层。
5.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述低温P型GaN层和高温P型GaN层之间包括AlGaN电流阻挡层。
6.一种基于GaN基量子阱的外延结构的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括: 51、提供一衬底； 52、在衬底上外延生长GaN缓冲层； 53、在GaN缓冲层上外延生长N型GaN层； 54、在N型GaN层上外延生长量子阱层，量子阱层包括依次生长的InxGa(1_x)N势阱层和GaN势皇层； 55、在量子阱层上外延生长AlxGa(1_x)N覆盖层； 56、在AlxGa(1_x)N覆盖层上外延生长P型GaN层。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S5中AlxGa(1_x)N覆盖层的厚度为I?2nm。
8.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述步骤S5中AlxGa(1_x)N覆盖层中X的取值范围为0.5%?10%。
9.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述生长方法中以三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为Ga源、Al源、In源和N源进行外延生长。
【文档编号】H01L33/06GK104518059SQ201410624040
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】陈伟, 陈立人 申请人:聚灿光电科技(苏州)有限公司