一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及发光二极管制造领域，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：

以GaN为代表的III-V族氮化物材料在近十年来得到了广泛的研究、发展及应用。如图1所示，所述的GaN基发光二极管的外延结构依次包含：设置在衬底1’上的成核层2’，设置在成核层2’上的GaN层3’，设置在GaN层3’上的N型GaN层4’，设置在N型GaN层4’上的多量子阱（MQW）发光层5’，以及设置在多量子阱发光层5’上的P型GaN层6’。GaN基高效发光二极管具有寿命长、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于照明、大屏幕显示、交通信号、多媒体显示和光通讯领域。

但是，GaN基发光二极管（LED）的发光效率会受到众多因素的影响导致发光效率偏低，严重制约了GaN半导体发光二极管作为高亮度、高功率器件在照明领域的商业应用。因而，如何提高GaN基发光二极管的发光效率，受到了全世界研发者和制造者的广泛关注。

技术实现要素：

本发明提供一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法，通过在多量子阱发光层交替生长AlN材料和GaN材料而得到准AlGaN合金势垒层，超晶格准AlGaN合金势垒层与GaN层之间形成电学性能良好的二维电子气结构，形成更高的电子浓度和更高的电子迁移率，并且能有效增强电子的横向扩展能力，降低器件本身的压电场效应，有效降低正向电压，提高了载流子的注入效率，进而提高GaN基发光二极管的发光效率。

为了达到上述目的，本发明提供一种GaN基发光二极管外延结构，包含：

设置在衬底上的成核层；

设置在成核层上的未掺杂GaN层；

设置在未掺杂GaN层上的N型GaN层；

设置在N型GaN层上的多量子阱发光层；

以及，设置在多量子阱发光层上的P型GaN层；

所述的多量子阱发光层包含：多个叠加的势垒势阱周期对，该势垒势阱周期对包含InGaN势阱层和设置在InGaN势阱层上的准AlGaN合金势垒层，最底层的势垒势阱周期对设置在N型GaN层上，最顶层的势垒势阱周期对上设置P型GaN层，该势垒势阱周期对的数量n满足2 ≤ n ≤ 30；

所述的准AlGaN合金势垒层包含：多个叠加的循环层，该循环层包含未掺杂AlN层和设置在未掺杂AlN层上的未掺杂GaN层，最底层的循环层设置在InGaN势阱层上，最顶层的循环层上设置P型GaN层，该循环层的数量m满足1 ≤m ≤ 20。

所述的InGaN势阱层的厚度为0.5nm~5nm，InGaN势阱层中In组分为15~20%，所述的准AlGaN合金势垒层的总厚度为1-30nm，未掺杂AlN层与未掺杂GaN层）的厚度比为0.2-5，未掺杂AlN层中Al组分为10%-50%。

所述的衬底采用蓝宝石，或GaN，或硅，或碳化硅。

所述的成核层的材料为未掺杂的GaN，厚度为15~50nm。

所述的未掺杂GaN层和N型GaN层的总厚度为1.5~8um，所述的N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18~3e19。

所述的P型GaN层的厚度为30~500nm，P型GaN层的Mg掺杂浓度为1e18~2e20。

本发明还提供一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，包含以下步骤：

步骤S1、在衬底上沉积生长成核层；

步骤S2、在成核层上沉积生长未掺杂GaN层，并在未掺杂GaN层上生长N型GaN层；

步骤S3、在N型GaN层上沉积生长多量子阱发光层；

在N型GaN层上沉积生长一层InGaN势阱层，在该InGaN势阱层上沉积生长准AlGaN合金势垒层，形成第一对势垒势阱周期对；

在第一对势垒势阱周期对中的准AlGaN合金势垒层上沉积生长一层InGaN势阱层，在该InGaN势阱层上沉积生长准AlGaN合金势垒层，形成第二对势垒势阱周期对；

继续在第二对势垒势阱周期对上沉积生长第三对势垒势阱周期对，以此类推，沉积生长n个势垒势阱周期对；

所述的势垒势阱周期对的数量n满足2 ≤ n ≤ 30；

所述的生长准AlGaN合金势垒层的步骤具体包含：

在InGaN势阱层上沉积生长一层未掺杂AlN层，在该未掺杂AlN层上沉积生长未掺杂GaN层，形成第一层循环层；

在第一层循环层中的未掺杂GaN层上沉积生长一层未掺杂AlN层，在该未掺杂AlN层上沉积生长未掺杂GaN层，形成第二层循环层；

继续在第二层循环层上沉积生长第三层循环层，以此类推，沉积生长m个循环层；

所述的循环层的数量m满足1 ≤m ≤ 20；

步骤S4、在多量子阱发光层上沉积生长P型GaN层。

所述的成核层的生长温度为400~700℃。

所述的生长未掺杂GaN层的步骤包含：在NH₃气氛下通入Ga源生成未掺杂的GaN层。

所述的生长N型GaN层的步骤包含：在沉积生长未掺杂GaN的过程中，通入SiH4-硅烷掺杂形成N型GaN层，N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18~3e19。

所述的未掺杂GaN层和N型GaN层的生长温度为800~1200℃。

所述的多量子阱发光层的生长温度为600℃~900℃。

所述的生长InGaN势阱层的步骤包含：在沉积生长未掺杂GaN的过程中，通入TMIn形成InGaN势阱层，InGaN势阱层中In组分为15~20%。

所述的生长未掺杂AlN层的步骤包含：在NH₃气氛下通入TMAl形成未掺杂AlN层，未掺杂AlN层501中Al组分为10%-50%。

所述的生长P型GaN层的步骤包含：在沉积生长未掺杂GaN的过程中，通入MgCp₂形成P型GaN层，P型GaN层中Mg掺杂浓度为1e18~2e20。

所述的P型GaN层的生长温度为800℃~1100℃。

本发明通过在多量子阱发光层交替生长AlN材料和GaN材料而得到准AlGaN合金势垒层，超晶格准AlGaN合金势垒层与GaN层之间形成电学性能良好的二维电子气结构，形成更高的电子浓度和更高的电子迁移率，并且能有效增强电子的横向扩展能力，降低器件本身的压电场效应，有效降低正向电压，提高了载流子的注入效率，进而提高GaN基发光二极管的发光效率。

附图说明

图1是背景技术中GaN基发光二极管外延结构的示意图。

图2是本发明提供的一种GaN基发光二极管外延结构的示意图。

图3是多量子阱发光层的结构示意图。

图4是准AlGaN合金势垒层的结构示意图。

图5是本发明提供的一种GaN基发光二极管外延结构的详细示意图。

具体实施方式

以下根据图2～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

如图2所示，本发明提供一种GaN基发光二极管外延结构，包含：

设置在衬底1上的成核层2；

设置在成核层2上的未掺杂GaN层3；

设置在未掺杂GaN层3上的N型GaN层4；

设置在N型GaN层4上的多量子阱发光层5；

以及，设置在多量子阱发光层5上的P型GaN层6。

如图3和图5所示，所述的多量子阱发光层5包含：多个叠加的势垒势阱周期对，该势垒势阱周期对包含InGaN势阱层501和设置在InGaN势阱层501上的准AlGaN合金势垒层502，最底层的势垒势阱周期对设置在N型GaN层4上，最顶层的势垒势阱周期对上设置P型GaN层6，该势垒势阱周期对的数量n满足2 ≤ n ≤ 30；

所述的InGaN势阱层501的厚度为0.5nm~5nm，InGaN势阱层501中In组分为15~20%；

如图4和图5所示，所述的准AlGaN合金势垒层502包含：多个叠加的循环层，该循环层包含未掺杂AlN层5021和设置在未掺杂AlN层5021上的未掺杂GaN层5022，最底层的循环层设置在InGaN势阱层501上，最顶层的循环层上设置P型GaN层6，该循环层的数量m满足1 ≤m ≤ 20。

所述的准AlGaN合金势垒层502的总厚度为1-30nm，未掺杂AlN层5021与未掺杂GaN层5022的厚度比为0.2-5，未掺杂AlN层5021中Al组分为10%-50%。

所述的衬底1采用适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN、硅、碳化硅等单晶。

所述的成核层2的材料为未掺杂的GaN，厚度为15~50nm。

所述的未掺杂GaN层3和N型GaN层4的总厚度为1.5~8um。

所述的N型GaN层4的Si掺杂浓度为1e18~3e19。

所述的P型GaN层6的厚度为30~500nm，P型GaN层6的Mg掺杂浓度为1e18~2e20。

本发明还提供一种GaN基发光二极管外延结构的制备方法，包含以下步骤：

步骤S1、在衬底上沉积生长成核层；

所述的衬底采用适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石、GaN、硅、碳化硅等单晶；

成核层的材料为未掺杂的GaN，生长温度为400~700℃，成核层的厚度为15~50nm；

所述的生长未掺杂GaN层的步骤包含：在NH₃气氛下通入Ga源生成未掺杂的GaN层；

步骤S2、在成核层上沉积生长未掺杂GaN层，并在未掺杂GaN层上生长N型GaN层；

所述的生长未掺杂GaN层的步骤包含：在NH₃气氛下通入Ga源生成未掺杂的GaN层；

所述的生长N型GaN层的步骤包含：在沉积生长未掺杂GaN的过程中，通入SiH4-硅烷掺杂形成N型GaN层；

未掺杂GaN层和N型GaN层的生长温度为800~1200℃，未掺杂GaN层和N型GaN层的总厚度为1.5~8um，N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18~3e19；

步骤S3、在N型GaN层上沉积生长多量子阱发光层；

在N型GaN层上沉积生长一层InGaN势阱层，在该InGaN势阱层上沉积生长准AlGaN合金势垒层，形成第一对势垒势阱周期对；

在第一对势垒势阱周期对中的准AlGaN合金势垒层上沉积生长一层InGaN势阱层，在该InGaN势阱层上沉积生长准AlGaN合金势垒层，形成第二对势垒势阱周期对；

继续在第二对势垒势阱周期对上沉积生长第三对势垒势阱周期对，以此类推，沉积生长n个势垒势阱周期对；

所述的势垒势阱周期对的数量n满足2 ≤ n ≤ 30，多量子阱发光层的生长温度为600℃~900℃，InGaN势阱层的厚度为0.5nm~5nm，InGaN势阱层中In组分为15~20%，准AlGaN合金势垒层的厚度为1-30nm；

所述的生长InGaN势阱层的步骤包含：在沉积生长未掺杂GaN的过程中，通入TMIn（三甲基铟）形成InGaN势阱层，TMIn的流量决定了In的组分百分比；

所述的生长准AlGaN合金势垒层的步骤具体包含：

在InGaN势阱层上沉积生长一层未掺杂AlN层，在该未掺杂AlN层上沉积生长未掺杂GaN层，形成第一层循环层；

在第一层循环层中的未掺杂GaN层上沉积生长一层未掺杂AlN层，在该未掺杂AlN层上沉积生长未掺杂GaN层，形成第二层循环层；

继续在第二层循环层上沉积生长第三层循环层，以此类推，沉积生长m个循环层；

所述的循环层的数量m满足1 ≤m ≤ 20，未掺杂AlN层与未掺杂GaN层厚度比为0.2-5，未掺杂AlN层501中Al组分为10%-50%；

所述的生长未掺杂GaN层的步骤包含：在NH₃气氛下通入Ga源生成未掺杂的GaN层；

所述的生长未掺杂AlN层的步骤包含：在NH₃气氛下通入TMAl（三甲基铝）形成未掺杂AlN层，TMAl的流量决定了Al的组分百分比；

步骤S4、在多量子阱发光层上沉积生长P型GaN层；

所述的生长P型GaN层的步骤包含：在沉积生长未掺杂GaN的过程中，通入MgCp₂（二茂镁）形成P型GaN层；

P型GaN层的生长温度为800℃~1100℃，P型GaN层的厚度为30~500nm，P型GaN层中Mg掺杂浓度为1e18~2e20。

本发明通过在多量子阱发光层采用AlN和GaN材料交替生长得到准AlGaN合金势垒层，超晶格的准AlGaN合金势垒层与GaN层之间形成电学性能良好的二维电子气（2DEG），该二维电子气结构会形成更高的电子浓度和更高的电子迁移率，并且能有效增强电子的横向扩展能力，降低器件本身的压电场效应，提高了载流子的注入效率，进而提高GaN基发光二极管的发光效率，同时还能够有效降低正向电压，利用本发明制成的200um×500um尺寸LED器件，在60mA测试电流下，正向电压Vf降低了0.05-0.1V。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。