一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法与流程

本发明实施例涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法。

背景技术：

发光二极管作为固态光源以其高亮度、长寿命、节能环保以及体积小等优点成为国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。发光二极管结构的内量子效率对其亮度和发光效率有着决定性的影响，因此，发光二极管外延片要提高发光料率，最根本的办法就是要提高外延结构的内量子效率。

在发光二极管中，电子是多数载流子，有效质量小，迁移率高，空穴是少数载流子，有效质量大，迁移率低，空穴与电子在有源区发生复合的效率为发光二极管发光的内量子效率。为了提高内量子效率，也即提高发光效率，需要产生的电子和空穴尽可能多的在有源区发生复合。现有的提高内量子效率的技术方案主要集中在p型GaN侧，通常在有源区与p型之间插入一层高势垒层，也叫电子阻挡层，其结构图与能带示意图分别如图1，2所示，如图1所示，发光二极管外延结构包括衬底101、N型半导体层102、多量子阱有源区103、电子阻挡层104以及P型半导体层105，利用电子阻挡层这一高势垒层限制迁移过快及过多的电子越过有源区、直接进入p型区域，而将其挡在有源区区域，与空穴发生复合产生有源区对应波段的光。

但是，上述技术方案的高势垒层，需要高于量子阱区域带宽的材料，一般为高Al组分的AlGaN组成，由于Al的预反应剧烈，导致高组分的AlGaN的生长难度很大，而且会污染腔体环境。随着高电流密度的大功率LED的发展，高势垒层无论从可行性还是对电子的阻挡作用来讲都会变得非常有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法，以解决现有技术中采用电子阻挡层提高内量子效率可行性较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延结构，包括：

衬底；

第一类型外延层，位于所述衬底上；

电子隧道层，位于所述第一类型外延层上远离所述衬底的一侧，用于控制所述第一类型外延层提供的电子形成隧道效应；

量子阱结构层，位于所述电子隧道层上远离所述第一类型外延层的一侧；

第二类型外延层，位于所述量子阱结构层上远离所述电子隧道层的一侧。

第二方面，本发明实施例还提供了一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长第一类型外延层；

在所述第一类型外延层上远离所述衬底的一侧生长电子隧道层，所述电子隧道层用于控制所述第一类型外延层提供的电子形成隧道效应；

在所述电子隧道层上远离所述第一类型外延层的一侧生长量子阱结构层；

在所述量子阱结构层上远离所述电子隧道层的一侧生长第二类型外延结构。

本发明实施例提供的GaN基发光二极管外延结构及其制备方法，GaN基发光二极管外延结构包括衬底，位于衬底上的第一类型外延层，位于第一类型外延层上远离衬底一侧的电子隧道层，位于电子隧道层上远离第一类型外延层一侧的量子阱结构层以及位于量子阱结构层上远离电子隧道层一侧的第二类型外延层，通过在第一类型外延层和量子阱结构层设置电子隧道层，为第一类型外延层提供的电子开辟了新的通向量子阱结构层的通道与捷径，电子在电子隧道层发生隧道效应后进入量子阱结构层，增加电子和空穴在量子阱结构层内复合的发生几率，避免了过多电子溢出至第二类型外延层的情况发生，提高发光二极管的内量子效率，解决现有技术中采用电子阻挡层提高内量子效率可行性较低的技术问题。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是现有技术中一种发光二极管外延结构的结构示意图；

图2是图1所示的发光二极管外延结构的能带示意图；

图3是本发明实施例一提供的一种GaN基发光二极管外延结构的结构示意图；

图4是图3所示的GaN基发光二极管外延结构的能带示意图；

图5是本发明实施例一提供的另一种GaN基发光二极管外延结构的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法的流程示意图；

图7为本发明实施例二提供的三种不同的发光二极管外延结构的发光图谱对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例一

图3是本发明实施例一提供的一种GaN基发光二极管外延结构的结构示意图，具体的，本发明实施例一提供一种GaN基发光二极管外延结构。如图3所示，所述GaN基发光二极管外延结构可以包括：

衬底10；

第一类型外延层20，位于衬底10上；

电子隧道层30，位于第一类型外延层20上远离衬底10的一侧，用于控制第一类型外延层20提供的电子形成隧道效应；

量子阱结构层40，位于电子隧道层上30远离第一类型外延层20的一侧；

第二类型外延层50，位于量子阱结构层40上远离电子隧道层30的一侧。

示例性的，本发明实施例提供的发光二极管外延结构为GaN基发光二极管外延结构，GaN是制作发光二极管外延结构的材料之一，GaN是极稳定的化合物和坚硬的高熔点材料，也是直接跃迁的宽带隙半导体料，不仅具有良好的物理和化学性质，而且具有电子饱和速率高、热导率好、禁带宽度大和介电常数小等特点和强的抗辐照能力，可用来制备稳定性能好、寿命长、耐腐蚀和耐高温的大功率器件。

可选的，衬底10的材料可以为Si、SiC或者蓝宝石，还可以是其他材料，本发明实施例不对衬底10的材料进行限定。

第一类型外延层20具体可以为N型GaN层，具体可以是在GaN层中通过掺杂杂质得到N型GaN层，例如掺杂Si杂质。可选的，第一类型外延层20中的多子为电子。

电子隧道层30可以用于控制第一类型外延层20提供的过量的、快速迁移的电子在电子隧道层30形成新的通道，疏导电子至量子阱结构层40。具体的，电子隧道层30可以用于控制电子在电子隧道层30形成隧道效应，其工作原理来自于量子力学的隧道效应理论，根据隧道效应理论，微观粒子(电子)运动遇到一个高于粒子能量的势垒，可以解出除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。具体到本发明实施例，在电子隧道层30中电子具有一定的概率，贯穿电子隧道层30，传输至量子阱结构层40。可选的，电子隧道层30的势能小于量子阱结构层40的势能，具体的，电子隧道层30的势能比量子阱结构层40的势能小0.1ev左右。

可选的，电子隧道层30可以包括电子震荡层301和应力控制层302，电子震荡层301用于控制电子形成震荡的亚稳态结构，应力控制层302用于对量子阱结构层40进行应力控制。具体的，电子震荡层301可以用于为应力控制层302进行界面的预处理，俘获第一类型外延层20提供的电子，并控制电子在此形成震荡的亚稳态结构；应力控制层302可以用于为量子阱结构层40做应力释放并控制电子在此处积蓄势能，形成与电子震荡层301的波函数的叠加，配合其上层的量子阱结构层40提高隧道效应发生的概率，控制电子在应力控制层302受激发射，直接进入量子阱结构层40，与第二类型外延层50提供的空穴在量子阱结构层40内发生复合，提升内量子效率。需要注意的是，本发明实施例中的应力控制层302与现有技术中的应力释放层不同，这里的应力控制层302的作用是与电子震荡层301形成波函数的叠加，使电子在电子震荡层301处束缚形成亚稳态，不仅仅是简单地应力释放作用，而是整个GaN基发光二极管外延结构中能带工程的重要组成部分。具体的，图4是图3所示的GaN基发光二极管外延结构的能带示意图，如图4所示，电子在电子隧道层30发生隧道效应，与第二类型外延层50提供的空穴在量子阱结构层40发生复合，产生光子。

可选的，电子震荡层301的厚度小于应力控制层302的厚度，举例而言，电子震荡层301的厚度可以为25-35nm，应力控制层302的厚度可以为150-180nm。

可选的，电子震荡层301的禁带宽度小于应力控制层302的禁带宽度。

可选的，电子震荡层301的势阱能量大于应力控制层302的势阱能量，举例而言，电子震荡层301的势阱能量可以比应力控制层302的势阱能量大0.05-0.1ev。

可选的，电子震荡层301可以为单层InGaN结构，或者InGaN层和GaN层的循环结构；应力控制层302的结构可以与电子震荡层301相同，例如同样可以为单层InGaN结构，或者InGaN层和GaN层的循环结构，但是，电子震荡层301与应力控制层302中In的固态组分不同，具体为电子震荡层301和应力控制层302中In的固态组分呈递增状态，例如，电子震荡层301中In的固态组分可以为0.5％-3.5％，应力控制层302中In的固态组分可以为3.5％-8.0％。可选的，电子震荡层301和应力控制层302的组分中还可以微掺Al，例如，电子震荡层301和应力控制层302可以为单层(Al)InGaN结构，或者(Al)InGaN层和GaN层的循环结构，电子震荡层301和应力控制层302的组分中微掺Al是为了配合能带工程，更好保证电子在电子隧道层30发生隧道效应。可选的，Al的组分可以为1％左右。

可选的，当电子震荡层301或者应力控制层302为InGaN层和GaN层的循环结构时，InGaN层与GaN层之间的厚度比例范围可以为0.5-3。

综上，通过设置GaN基发光二极管外延结构包括电子隧道层，并设置电子隧道层包括电子震荡层和应力控制层，控制电子在电子隧道层发生隧道效应，其对电子的作用体现在通过电子隧道层疏导电子至量子阱结构层，其对电子的作用更多在于“疏”；区别于现有技术中通过在量子阱结构层和第二类型外延层之间设置电子阻挡层，对电子进行“堵”。通过设置电子隧道层，并对电子隧道层的电子震荡层和应力控制层进行设计与优化，使其可以与整个GaN基发光二极管外延结构的能带工程进行匹配，提高隧道效应的发生概率，进一步提升内量子效率，提升发光二极管的发光效率。

量子阱结构层40作为电子与空穴发生复合的有源区，其结构可以包括InGaN势阱层和GaN势垒层的循环结构。可选的，量子阱结构层40可以为蓝绿光量子阱结构层，其结构可以包括InGaN势阱层和GaN势垒层的循环结构。需要说明的是，量子阱结构层40还可以为紫光量子阱结构层或者其他颜色的量子阱结构层，本发明实施例不对量子阱结构层的具体类型进行限定，只需根据不同的量子阱结构层类型，设置不同的量子阱结构。

第二类型外延层50具体可以为P型GaN层，具体可以是在GaN层中通过掺杂杂质得到P型GaN层，例如掺杂Mg杂质。可选的，第二类型外延层50中的多子为空穴。

综上，本发明实施例一提供的GaN基发光二极管外延结构，GaN基发光二极管外延结构包括衬底，位于衬底上的第一类型外延层，位于第一类型外延层上远离衬底一侧的电子隧道层，位于电子隧道层上远离第一类型外延层一侧的量子阱结构层以及位于量子阱结构层上远离电子隧道层一侧的第二类型外延层，通过在第一类型外延层和量子阱结构层设置电子隧道层，为第一类型外延层提供的电子开辟了新的通向量子阱结构层的通道与捷径，电子在电子隧道层发生电子隧道效应后进入量子阱结构层，增加电子和空穴在量子阱结构层内复合的发生几率，避免了过多电子溢出至第二类型外延层的情况发生，提高发光二极管的内量子效率，解决现有技术中采用电子阻挡层提高内量子效率可行性较低的技术问题。

图5是本发明实施例一提供的另一种GaN基发光二极管外延结构的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的GaN基发光二极管外延结构还可以包括非掺杂GaN层60和氮化物成核层70。可选的，非掺杂GaN层60位于衬底10与第一类型外延层20之间，非掺杂GaN层60中不掺杂任何杂质，目的是为第一类型外延层20提供好的晶体质量、减少由不同衬底带来的位错。氮化物成核层70位于衬底10与非掺杂GaN层60之间，氮化物成核层70可以为GaN或者AlN，也可以是其伴生物，如AlGaN。

可选的，本发明实施例提供的GaN基发光二极管外延结构还可以包括电子阻挡层，位于量子阱结构层40与第二类型外延层50之间，用于对电子进行阻挡，避免电子进入第二类型外延层50，在第二类型外延层50中与空穴发生复合，进一步提升发光二极管的内量子效率。

实施例二

图6是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法的流程示意图，具体的，本发明实施例提供一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，如图6所示，本发明实施例提供的GaN基发光二极管外延结构的制备方法可以包括：

S110、提供一衬底。

示例性的，衬底10的材料可以为Si、SiC或者蓝宝石，还可以是其他材料，本发明实施例不对衬底10的材料进行限定。

S120、在所述衬底上生长第一类型外延层。

示例性的，第一类型外延层20为N型GaN层，具体可以是通过在GaN层中通过掺杂Si杂质得到N型GaN层。具体的，在衬底10上生长第一类型外延层20，具体可以是在500℃-1100℃的生长温度下生长第一类型外延层。

S130、在所述第一类型外延层上远离所述衬底的一侧生长电子隧道层，所述电子隧道层用于控制所述第一类型外延层提供的电子形成隧道效应。

示例性的，电子隧道层30位于第一类型外延层20上远离衬底10的一侧，电子隧道层30可以用于控制第一类型外延层20提供的过量的、快速迁移的电子在电子隧道层30形成新的通道，疏导电子至量子阱结构层40。

可选的，电子隧道层30可以包括电子震荡层301和应力控制层302，电子震荡层301用于控制电子形成震荡的亚稳态结构，应力控制层302用于对电子进行应力控制。具体的，电子震荡层301可以用于为应力控制层302进行界面的预处理，俘获第一类型外延层20提供的电子，并控制电子在此形成震荡的亚稳态结构；应力控制层302可以用于为量子阱结构层40做应力释放并控制电子在此处积蓄势能，形成与电子震荡层301的波函数的叠加，配合其上层的量子阱结构层40提高隧道效应发生的概率，控制电子在应力控制层302受激发射，直接进入量子阱结构层40与第二类型外延层50提供的空穴在量子阱结构层40内发生复合，提升内量子效率。

具体的，在第一类型外延层20上远离衬底10的一侧生长电子隧道层30，可以包括：

在第一类型外延层20上远离衬底10的一侧生长电子震荡层301；

在电子震荡层301上远离第一类型外延层20的一侧生长应力控制层302。

具体的，在第一类型外延层20上远离衬底10的一侧生长电子震荡层301具体可以为在900℃-950℃温度下，在第一类型外延层20上远离衬底10的一侧生长电子震荡层301，其中，电子震荡层301为单层InGaN结构，或者InGaN层和GaN层的循环结构。其中，在生长电子震荡层301时，其生长过程中In的气态组分应为In的固态组分的20倍以上，例如，生长完成后电子震荡层301中In的固态组分为0.5％-1.5％，生长所述电子震荡层301时In的气态组分为10％-30％。

具体的，在电子震荡层301上远离第一类型外延层20的一侧生长应力控制层302，具体可以为在800℃-850℃温度下，在电子震荡层上301远离第一类型外延层20的一侧生长应力控制层302，其中，应力控制层302为单层InGaN结构，或者InGaN层和GaN层的循环结构。其中，在生长应力控制层302时，其生长过程中In的气态组分应为In的固态组分的10倍以上，例如，生长完成后应力控制层302中In的固态组分为4.5％-5.5％，生长所述应力控制层302时In的气态组分为45％-55％。

并且，要求在生长电子震荡层301和应力控制层302时，In的气态组分为过饱和状态。

S140、在所述电子隧道层上远离所述第一类型外延层的一侧生长量子阱结构层。

示例性的，量子阱结构层40可以包括InGaN势阱层和GaN势垒层的循环结构。在电子隧道层30上远离第一类型外延层20的一侧生长量子阱结构层40，具体可以为在700℃-750℃温度下，在电子隧道层30上远离第一类型外延层20的一侧生长量子阱结构层40。

需要说明的是，量子阱结构层40可以包括InGaN势阱层和GaN势垒层的循环结构，且第一个GaN势垒层的厚度和性质是确定的，在生长电子隧道层30时，需要根据第一个GaN势垒层的厚度和性质设置电子隧道层30的生长情况，例如，如果量子阱结构层40中第一个GaN势垒层的厚度为n，则可以设置电子隧道层30中的电子震荡层301的厚度区间为(0.5n，n)，应力控制层302的厚度区间为(2n，5n)，即电子震荡层301的厚度小于或者等于量子阱结构层40中第一个势垒层的厚度，应力控制层302的厚度大于量子阱结构层40中第一个势垒层的厚度。

并且，电子隧道层30与量子阱结构层40的生长温度也存在关联关系，具体为如果量子阱结构层40的生长温度为T，则电子震荡层301的生长温度区间为(T+150，T+250)，应力控制层302的生长温度区间为(T+50,T+100)，即电子震荡层30的生长温度高于量子阱结构层40的生长温度，且电子震荡层30中电子控制层301的生长温度高于应力控制层302的生长温度。

S150、在所述量子阱结构层上远离所述电子隧道层的一侧生长第二类型外延结构。

示例性的，第二类型外延层50为P型GaN层，具体可以是通过在GaN层中通过掺杂Mg杂质得到P型GaN层。

本发明实施例二提供的GaN基发光二极管外延结构的制备方法，通过提供衬底并在衬底上生长第一类型外延层，在第一类型外延层上远离衬底的一侧生长电子隧道层，在电子隧道层上远离第一类型外延层的一侧生长量子阱结构层，在量子阱结构层上远离电子隧道层的一侧生长第二类型外延层，并严格控制电子隧道层中电子震荡层和应力控制层的生长温度。生长厚度以及生长过程中的气体组分，保证电子可以在电子隧道层形成隧道效应，电子在电子隧道层发生电子隧道效应后进入量子阱结构层，增加电子和空穴在量子阱结构层内复合的发生几率，避免了过多电子溢出至第二类型外延层的情况发生，提高发光二极管的内量子效率，解决现有技术中采用电子阻挡层提高内量子效率可行性较低的技术问题。

可选的，在衬底10上生长第一类型外延层20之前，还可以包括：

在衬底10上生长非掺杂GaN层60。

示例性的，非掺杂GaN层60位于衬底10与第一类型外延层20之间，非掺杂GaN层60中不掺杂任何杂质，目的是提供好的晶体质量、减少由不同衬底带来的位错。

可选的，在衬底10上生长非掺杂GaN层60之前，还可以包括：

在衬底10上生长氮化物成核层70。

示例性的，氮化物成核层70位于衬底10与非掺杂GaN层60之间，氮化物成核层70可以为GaN或者AlN，也可以是其伴生物，如AlGaN。

图7为本发明实施例二提供的三种不同的蓝光LED外延结构的发光图谱对比图，图中横坐标表示波长，纵坐标表示发光强度，曲线1表示发光二极管外延结构是普通的发光二极管外延层结构，即N-MQW-P结构，其中N表示N型半导体结构，P表示P型半导体结构，MQW为多量子阱(Multiple Quantum Well，MQW)的英文缩写；曲线2为在N-MQW-P之间插入一层电子阻挡层(Electron Blocking Layer，EBL)，其材料为AlGaN，Al组分15％，即N-MQW-EBL-P的结构。曲线3表示本发明实施例提供的GaN基发光二极管外延结构，即在第一类型外延层与量子阱结构层之间插入电子隧道层(Electron tunnel Layer，ETL)结构，即N-ETL-MQW-P结构，其中，在生长完第一类型外延层之后，插入电子振荡层，材料为AlGaN，生长温度910℃，气相In组分为20％，生长后的InGaN厚度为30nm。接着生长应力控制层，采用三个循环InGaN/GaN的结构，生长温度820℃，InGaN层的气相In组分为50％，V/III摩尔比为9500，InGaN厚度为120nm，GaN的厚度为40nm，应力控制层的总厚度为180nm。三个发光二极管样品其他的生长结构完全相同(目标波长在450～460nm的蓝光波段)，特别的，多量子阱的第一个垒层GaN的厚度为50nm。图7为上述三个发光二极管样品在200mA驱动电流下的发光图谱，发光强度已做归一化处理，三个样品的发光强度分别为0.73,0.85和0.98。该结果显示，在大电流下，N-MQW-EBL-P结构的发光二极管由于对于电子有阻挡效应，发光强度比单纯N-MQW-P结构的发光二极管高约16％，这部分高出的强度主要来自于溢出电子的回补量子阱结构层与空穴发生复合。相比较而言，本发明实施例提供的发光二极管的强度提升更为明显，比传统N-MQW-P结构亮度高出约34％，无疑其内量子效率最高。它是经过上述优化设计的生长后，过量电子通过隧道效应路径直接进入量子阱结构层复合发光的结果。值得注意的是，曲线3的波长稍长一些，是应力控制层的应力释放带来的弛豫效果，生长时波长修正即可。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。