CN110581205A - GaN基发光二极管外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法，该外延结构包括：衬底；N型外延层，位于衬底上；发光层，位于N型外延层上；电子阻挡层，位于发光层上，电子阻挡层包括位于发光层上的GaN层和依次叠设于GaN层上的第一至第三层InAlGaN层，其中，GaN层和第三层InAlGaN层未掺杂，第一层InAlGaN层具有P型掺杂，第二层InAlGaN层具有硅掺杂；及P型外延层，位于电子阻挡层上。上述发光二极管外延结构，其通过设置具有多层结构的电子阻挡层，能够有效阻挡电子的迁移，还能为发光层输送更多的空穴，使得更多的电子和空穴在发光层复合发光，从而提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，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
氮化镓是现今半导体照明中蓝光发光二极管的核心材料，氮化镓基发光二极管的外延结构包括多层结构，其中核心层次为N型外延层、发光层和P型外延层，通过将N型外延层中的电子和P型外延层中的空穴输送至发光层，电子和空穴在发光层进行复合发光。然而，一方面，由于空穴的迁移率远低于电子的迁移率，使得发光层中电子的注入效率较高而空穴的注入效率较低，发光层中电子和空穴的浓度分布不均匀，另一方面，注入发光层中的电子会流入P型外延层，在P型外延层中与P型外延层中的空穴复合而消耗空穴，使得P型外延层中输入发光层的空穴进一步减少，致使整个发光二极管的发光效率很低。虽然目前已采取措施在发光层和P型外延层之间设置电子阻挡层如氮化镓层，阻挡电子进入P型外延层，但是其效果并不理想。
发明内容
基于此，本申请针对氮化镓基发光二极管发光效率低的问题，提出一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法。
一种GaN基发光二极管外延结构，包括：
衬底；
N型外延层，位于所述衬底上；
发光层，位于所述N型外延层上；
电子阻挡层，位于所述发光层上，所述电子阻挡层包括位于所述发光层上的GaN层和依次叠设于所述GaN层上的第一至第三层InAlGaN层，其中，所述GaN层和所述第三层InAlGaN层未掺杂，所述第一层InAlGaN层具有P型掺杂，所述第二层InAlGaN层具有硅掺杂；及
P型外延层，位于所述电子阻挡层上。
上述GaN基发光二极管外延结构，电子阻挡层还包括三层InAlGaN层和设置于InAlGaN层与发光层之间的GaN层，其中，InAlGaN层具有铝组分，铝组分能提升电子阻挡层的势垒高度，限制电子穿越电子阻挡层，同时，各层InAlGaN层掺杂参数也不相同，第一层InAlGaN层具有P型掺杂，对InAlGaN层进行P型掺杂，既可以进一步提升InAlGaN层的导带能量，从而增加势垒高度，还可以为发光层提供更多的空穴，而第二层InAlGaN层掺入硅组分，有利于填充薄膜缺陷，消除压电效应，调整能带，提高晶体质量。在本申请中，InAlGaN层在发光层和P型层之间还设置有未掺杂的GaN层，该GaN层本身具有电子阻挡作用，且GaN层能防止InAlGaN层与发光层之间成分在高温生长环境下相互扩散，提高外延结构的稳定性。在发光层和P型外延层之间设置上述电子阻挡层后，能够有效阻止发光层中的电子流入P型层，同时有利于向发光层输送更多的空穴，使得电子空穴基本在发光层中进行复合，从而提高发光效率。
在其中一个实施例中，从第一至第三层InAlGaN层中，铟的含量呈递减变化，铝的含量呈递增变化。
在其中一个实施例中，在各层所述InAlGaN层中，铟原子占铟、铝、镓原子总量的15％～20％，铝原子占铟、铝、镓原子总量的10％～15％。
在其中一个实施例中，所述GaN层的厚度范围为1nm～3nm，各所述InAlGaN层的厚度范围为2.5nm～5.5nm。
在其中一个实施例中，各所述InAlGaN层的厚度相等。
在其中一个实施例中，所述第一层InAlGaN层具有镁掺杂。
在其中一个实施例中，所述第一层InAlGaN层掺镁的掺杂浓度为1e17cm-3～1e19cm-3。
在其中一个实施例中，所述第二层InAlGaN层掺硅的掺杂浓度为1e17cm-3～1e19cm-3。
一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上生长N型外延层；
在所述N型外延层上生长发光层；
在所述发光层上生长电子阻挡层，生长所述电子阻挡层的步骤包括：在所述发光层上生长一层GaN层且不进行掺杂，在所述GaN层上形成第一层InAlGaN层并进行P型掺杂，在所述第一层InAlGaN层上形成第二层InAlGaN层并进行硅掺杂，在所述第二层InAlGaN层上形成第三层InAlGaN层且不掺杂；及
在所述电子阻挡层上生长P型外延层。
在其中一个实施例中，所述电子阻挡层的生长温度范围为700℃～900℃。
附图说明
图1为本申请一实施例中GaN基发光二极管外延结构的结构示意图；
图2为本申请另一实施例中GaN基发光二极管外延结构的结构示意图；
图3为本申请一实施例GaN基发光二极管外延结构的制备方法步骤流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请涉及一种GaN基发光二极管外延结构，如图1所示，该外延结构包括衬底110和依次叠设在衬底上的N型外延层130、发光层150、电子阻挡层160和P型外延层170。其中，电子阻挡层160从下至上分为四层结构，临近发光层150的为未掺杂的GaN层161，GaN层161上叠设有三层InAlGaN层，第一层InAlGaN层162具有P型掺杂，第二层InAlGaN层163具有硅掺杂，第三层InAlGaN层164未掺杂。
上述GaN基发光二极管外延结构，其电子阻挡层设计四层结构，并选用InAlGaN和GaN两种材料，InAlGaN可以抬升电子阻挡层的导带能量，形成较高的势垒，有效阻挡电子，然而，InAlGaN中的铟和铝在高温环境下容易扩散，若直接将InAlGaN层形成于发光层上，在生长InAlGaN的过程中，发光层和InAlGaN之间的组分会相互扩散，导致各层结构参数产生偏差，影响器件性能。在本申请中，以GaN层作为电子阻挡层的第一层，GaN本身能形成较高的势垒，对电子能起到一定的阻挡作用，且GaN能够阻挡两侧的InAlGaN层与发光层之间成分的相互扩散，提高结构的稳定性。在GaN层上形成InAlGaN层，能进一步抬升势垒高度，增强电子阻挡能力，其中，第一层InAlGaN层具有P型掺杂，P型掺杂既能提升价带能量，增加势垒高度，还能为发光层提供更多的空穴，第二层InAlGaN层具有硅掺杂，有利于填充薄膜缺陷，消除压电效应，调整能带，提升晶体质量。在本申请中，在发光层和P型外延层之间设置上述电子阻挡层，能够有效阻挡发光层中的电子迁移，同时有利于为发光层输送更多的空穴，使得更多的电子空穴在发光层复合发光，提高发光二极管的发光效率。
在一实施例中，在电子阻挡层中的第一层InAlGaN层162至第三层InAlGaN层164中的铟组分和铝组分的含量呈一定的变化规律，其中，铝的含量呈递增变化，InAlGaN层主要是靠铝来提升势垒高度，铝组分的含量逐渐增大，使得电子阻挡层的势垒逐渐升高。其中，铟组分的含量逐渐减小，由于形成发光层时会产生较大的应力，InAlGaN层中的铟有利于释放应力，InAlGaN层中的铟组分含量逐渐减小，可以逐渐释放薄膜应力，使得电子阻挡层结构稳定且有效得阻挡电子的迁移。在一具体的实施例中，将各层InAlGaN层表示为InxAlyGa1-x-yN，x的范围为15％～20％，y的范围为10％～15％。
在一实施例中，电子阻挡层各层厚度具有一定的范围，其中，GaN层的厚度范围为1nm～3nm，各所述InAlGaN层的厚度范围为2.5nm～5.5nm，电阻阻挡层的总厚度范围为8.5nm～19.5nm。可选的，各所述InAlGaN层的厚度相同，具体可为4nm。
在一实施例中，第一层InAlGaN层162具有P型掺杂，具体为镁掺杂。第一层InAlGaN层162中镁掺杂的掺杂浓度范围为1e17cm-3～1e19cm-3。第二层InAlGaN层163中硅掺杂的掺杂浓度范围为1e17cm-3～1e19cm-3。
可选的，衬底110可以是Al2O3、GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN、Si、SiC中任一种材料形成的单层结构或多种材料形成的复合结构。在一实施例中，如图1所示，在衬底110和N型外延层130之间还形成有缓冲层120，缓冲层120的厚度为10nm～30nm。其中，缓冲层120的材料可以是GaN，AlGaN、AlInGaN中任一种材料形成的单层结构或或这几种材料形成的复合结构。
在一实施例中，如图2所示，N型外延层130具体包括非掺杂层131、第一N型掺杂层132，电子流扩散层133和第二N型掺杂层134，其中，非掺杂层131、第一N型掺杂层和第二N型掺杂层可以是GaN，AlGaN、AlInGaN中任一种材料形成的单层结构或或这几种材料形成的复合结构，其中，非掺杂层131的厚度可为1um～3um，第一N型掺杂层132的厚度可为2um～4um，第一N型掺杂层132具有硅掺杂且硅的掺杂浓度可为1.0E19cm-3～3E19cm-3，第二N型掺杂层134的厚度可为10nm～500nm，第二N型掺杂层134具有硅掺杂且掺杂浓度可为2E18cm-3-7E18cm-3。其中，电子流扩散层133可以是AlGaN、InGaN、GaN、AlInGaN、AlN、InN中任一种材料形成的单层结构或或这几种材料形成的复合结构，其厚度为10nm～3000nm，电子流扩散层133具有硅掺杂且掺杂浓度为2E17cm-3～5E19cm-3。
在一实施例中，如图2所示，在N型外延层130和发光层150之间设置有应力调节层140，应力调节层140为多周期的InAlGaN层，将应力调节层140表示为(InAlGaN)n，1≤n≤6，应力调节层140的总厚度不超过20nm。
在一实施例中，发光层150为周期交叠的势阱层和势垒层，其中，各势阱层的厚度为1nm～4nm，各势垒层的厚度为4nm～6nm，发光层150的周期数为3～15，势阱层和势垒层的材料均可选InAlGaN。
在一实施例中，P型外延层170选用掺镁的GaN层，P型外延层170的厚度为40nm～80nm，其掺杂浓度可为5e19cm-3～1.5e21cm-3。
本申请还涉及一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，如图3所示，该制备方法包括：
步骤S310：提供衬底。
在一实施例中，衬底110可以是Al2O3、GaN、AlN、AlGaN、AlInGaN、Si、SiC中任一种材料形成的单层结构或多种材料形成的复合结构。
步骤S320：在所述衬底上生长N型外延层。
在一实施例中，通过步骤S320生长出的N型外延层130的结构与参数与上文GaN基发光二极管外延结构中的N型外延层130的结构和参数相同，在此不再赘述。其中，非掺杂层131生长温度为1000℃～1200℃，反应腔压力为100Torr～500Torr。其中，第一N型掺杂层132的生长温度为1000℃～1150℃，反应腔压力为100Torr～300Torr。其中，电子流扩散层133的生长温度为1000℃～1150℃，反应腔压力为100Torr～300Torr。其中，第二N型掺杂层134的生长温度为1000℃～1150℃，反应腔压力为100Torr～300Torr。
步骤S330：在所述N型外延层上生长发光层。
在一实施例中，通过步骤S330生长出的发光层150的结构与参数与上文GaN基发光二极管外延结构中的发光层150的结构和参数相同，在此不再赘述。其中，发光层150的生长温度为700℃～900℃。
在一实施例中，在生长发光层150之前，还包括在N型外延层130上生长应力调节层140的步骤，应力调节层140的结构与参数与上文GaN基发光二极管外延结构中的应力调节层140的结构和参数相同，在此不再赘述。其中，应力调节层140的生长温度为700℃～900℃。
步骤S340：在所述发光层上生长电子阻挡层，生长所述电子阻挡层的步骤包括：在所述发光层上生长一层GaN层且不进行掺杂，在所述GaN层上形成第一层InAlGaN层并进行P型掺杂，在所述第一层InAlGaN层上形成第二层InAlGaN层并进行硅掺杂，在所述第二层InAlGaN层上形成第三层InAlGaN层且不掺杂。
在一实施例中，通过步骤S340生长出的电子阻挡层160的结构与参数与上文GaN基发光二极管外延结构中的电子阻挡层的结构和参数相同，在此不再赘述。其中，电子阻挡层的生长温度为700℃～900℃。
步骤S350：在所述电子阻挡层上生长P型外延层。
在一实施例中，通过步骤S350生长出的P型外延层170的结构与参数与上文GaN基发光二极管外延结构中的P型外延层170的结构和参数相同，在此不再赘述。其中，P型外延层170的生长温度为700℃～900℃。
在本申请中，通过上述制备方法形成的GaN基发光二极管外延结构，其电子阻挡层包括三层InAlGaN层和设于InAlGaN层和发光层之间的GaN层，GaN层在提升势垒高度的同时，还能防止两侧的发光层与InAlGaN层之间成分在高温生长环境下相互扩散，有利于维持结构的稳定，而InAlGaN层由于存在铝组分，能够进一步提高势垒高度，阻止电子跃迁，且通过设置三层不同参数的InAlGaN层，其中第一层InAlGaN层进行P型掺杂，能够提升势垒高度，还能为发光层提供空穴，而第二层InAlGaN层进行硅掺杂，能够填补薄膜缺陷，消除压电效应，调节能带，改善晶格结构。通过将上述电子阻挡层设置与发光层与P型外延层之间，能够有效地阻挡电子的迁移，且能够为发光层输送更多的空穴，从而提高发光二极管的发光效率。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
N型外延层，位于所述衬底上；
发光层，位于所述N型外延层上；
电子阻挡层，位于所述发光层上，所述电子阻挡层包括位于所述发光层上的GaN层和依次叠设于所述GaN层上的第一至第三层InAlGaN层，其中，所述GaN层和所述第三层InAlGaN层未掺杂，所述第一层InAlGaN层具有P型掺杂，所述第二层InAlGaN层具有硅掺杂；及
P型外延层，位于所述电子阻挡层上。
2.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，从第一至第三层InAlGaN层中，铟的含量呈递减变化，铝的含量呈递增变化。
3.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，在各层所述InAlGaN层中，铟原子占铟、铝、镓原子总量的15％～20％，铝原子占铟、铝、镓原子总量的10％～15％。
4.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，所述GaN层的厚度范围为1nm～3nm，各所述InAlGaN层的厚度范围为2.5nm～5.5nm。
5.如权利要求4所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，各所述InAlGaN层的厚度相等。
6.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，所述第一层InAlGaN层具有镁掺杂。
7.如权利要求6所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，所述第一层InAlGaN层掺镁的掺杂浓度为1e17cm-3～1e19cm-3。
8.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，所述第二层InAlGaN层掺硅的掺杂浓度为1e17cm-3～1e19cm-3。
9.一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上生长N型外延层；
在所述N型外延层上生长发光层；
在所述发光层上生长电子阻挡层，生长所述电子阻挡层的步骤包括：在所述发光层上生长一层GaN层且不进行掺杂，在所述GaN层上形成第一层InAlGaN层并进行P型掺杂，在所述第一层InAlGaN层上形成第二层InAlGaN层并进行硅掺杂，在所述第二层InAlGaN层上形成第三层InAlGaN层且不掺杂；及
在所述电子阻挡层上生长P型外延层。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层的生长温度范围为700℃～900℃。
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