绿光led芯片外延层的结构及生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种绿光LED芯片外延层的结构及生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。
【背景技术】
[0002]氮化镓(GaN)基绿光发光二极管(LED)是目前广泛应用于显示与照明领域的一种半导体固体发光器件，其外延结构的核心部分为InGaN/GaN多量子阱(MQW)区。LED发光效率的高低主要取决于MQW区的结构及质量。因此，优化MQW结构，改善MQW材料质量是获得高亮度绿光LED器件的根本途径。
[0003]传统的GaN基绿光LED都是采用简单的InGaN/GaN MQff结构作为有源区，其特点是采用GaN材料作为势皇层限制载流子。该结构简单，易于材料制备，但是对电子和空穴的限制没有区分，因此，存在空穴注入效率低和电子泄露多的问题，导致绿光LED器件在大电流下发光效率显著降低，即发生droop效应。另外，由于绿光LED量子阱的势阱深，阱中In的含量高，导致InGaN阱与GaN皇层间存在较大的晶格失配。由于失配应变的增大，InGaN阱层内将出现较强的压电极化效应，引起量子限制斯塔克效应(QCSE)的增强，从而导致材料发光效率的显著降低。此外，较大的晶格失配还极有可能导致在InGaN阱与GaN皇层的界面处发生晶格弛豫，产生大量的失配位错，增大了载流子非辐射复合的几率，从而进一步降低了绿光LED的发光效率。
[0004]为此，在提高空穴注入效率，减少电子泄露的情况下，尽量减小量子阱中的QSCE效应，同时减小量子阱和量子皇界面处产生的位错(即非辐射复合中心)数量，将有助于提高绿光LED的发光效率并抑制大电流下的droop效应。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种绿光LED芯片外延层的结构及生长方法。其目的在于，通过在MQW区内采用InGaN皇层以及增加阶梯层结构，提高空穴的注入效率，减少电子的泄露，同时减小量子阱中的QCSE效应，实现对绿光LED发光效率的提升和对droop效应的抑制。
[0006]本发明提供一种绿光LED芯片外延层的结构，包括:
[0007]—衬底；
[0008]一 GaN缓冲层，其生长在衬底上；
[0009]—非掺杂GaN层，其生长在GaN缓冲层上；
[0010]一 N型GaN层，其生长在非掺杂GaN层上；
[0011]一第一阶梯层，其生长在N型GaN层上；
[0012]—多量子阱区，其生长在第一阶梯层上；
[0013]—第二阶梯层，其生长在多量子阱区上；
[0014]一 P型GaN层，其生长在第二阶梯层上；
[0015]一欧姆接触层，其生长在P型GaN层上。
[0016]本发明还提供一种绿光LED芯片外延层的结构生长方法，包括以下步骤:
[0017]步骤1:取一衬底；
[0018]步骤2:在该衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、第一阶梯层、多量子阱区、第二阶梯层、P型GaN层和欧姆接触层，完成生长。
[0019]本发明有以下有益效果:
[0020]1、本项目采用低In组分的InGaN皇层代替了传统的GaN皇层，不仅减小了量子阱中的QCSE效应，而且减小了势皇高度对空穴的限制作用，使得空穴更容易越过势皇进入后面的量子阱中。从而提高了空穴的注入效率，减少了电子的泄露，可以获得较高的发光效率，并且对droop效应有一定的抑制作用。
[0021]2、本发明中，在MQW区两侧引入的阶梯层结构在N(或P)型GaN层和InGaN皇层间起到了缓冲和过渡的作用，减小了界面处的晶格失配度，减少了失配位错的发生，从而有利于实现高质量的材料生长。
[0022]3、本发明中，由于在MQW有源区的电子注入侧(即N型GaN与MQW区之间)采用了阶梯型结构，当电子注入MQW区时，可以显著降低电子速度，从而减少了由于弹道发射机制造成的电子的溢出或者泄露，有利于实现对droop效应的抑制。
[0023]4、由于同时采用了 InGaN皇层和阶梯型的电子注入结构，能够有效地减少电子的泄露，因此，本发明中不再需要使用AlGaN电子阻挡层(EBL)。这种无EBL的结构即避免了EBL层对空穴输运的阻碍，同时又避免了 AlGaN层的高温生长工艺对InGaN有源层的破坏，有利于获得高质量的LED发光材料。
【附图说明】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0025]图1是本发明中LED外延层结构示意图。
[0026]图2是本发明中LED外延材料制备方法流程图。
[0027]图3是本发明实施例中多量子阱有源区的能带示意图。
【具体实施方式】
[0028]请参阅图1，本发明提供了一种绿光LED芯片外延层的结构，包括:
[0029]—衬底11，所述衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
[0030]一 GaN缓冲层12，其生长在衬底11上，该GaN缓冲层12的厚度为20_30nm ；
[0031]—非掺杂GaN层13，其生长在GaN缓冲层12上，该非掺杂GaN层13厚度为
0.5-2.0 μ m ；
[0032]一 N型GaN层14，其生长在非掺杂GaN层13上，该N型GaN层14厚度为1-3 μ m，其中Si的掺杂浓度大于11Vcm3;
[0033]—第一阶梯层15，其生长在N型GaN层14上。该层为非掺杂的低In组分的InGaN层，厚度约为3-30nm，其In组分为InGaN皇层20中In组分的20% -80%。
[0034]—多量子阱区16，其生长在第一阶梯层15上，所述多量子阱区16由周期性重复排列的InGaN皇层20和InGaN阱层21构成。多量子阱的周期数大于等于I。所述的InGaN阱层21中In含量为15% -50%，阱层厚度为2-5nm。所述的InGaN皇层20中In含量为2%-20%,且小于InGaN阱层21中的In含量，皇层厚度为5_20nm。由于皇层中也加入了 In，因此，阱与皇之间的晶格失配减小了，压电极化引起的QCSE效应也相应的减弱了。此外，采用InGaN材料作为皇层，降低了皇层对空穴输运的阻碍作用，提高了空穴的注入效率。
[0035]—第二阶梯层17，其生长在多量子阱区16上。该层为非掺杂的低In组分的InGaN层，厚度约为3-30nm，其In组分为InGaN皇层20中In组分的20% -80%。
[0036]一 P型GaN层18，其生长在第二阶梯层17上，该层厚度为100_200nm，P型Mg掺杂浓度大于1isVcm3;
[0037]—欧姆接触层19，其生长在P型GaN层18上，该层厚度为20_50nm，P型Mg掺杂浓度大于11Vcm3。
[0038]请参阅图2，并结合参阅图1所示，本发明还提供了一种绿光LED芯片外延层的结构生长方法，包括以