GaN 基LED 外延结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED，Light Emitting D1de)由于具有寿命长、耗能低等优点，已被广泛应用于各个领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的II1-V族化合物半导体，尤其是InGaN/GaN(氮化镓铟/氮化镓)基LED由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
[0003]然而，由于InGaN/GaN结构存在很大的晶格和热膨胀系数失配，导致量子阱内存在极化电场。这种极化电场容易造成了量子阱倾斜，导致量子阱内电子和空穴波函数在空间上发生分离，从而使电子和空穴的复合效率降低。虽然，当前InGaN/GaN LEDs的发光效率已经有了显著地改善，但对于大功率GaN基LEDs来说，仍然存在着严重的量子效率下降(efficiency droop)问题，即在大电流注入的情况下，LEDs的内量子效率会迅速下降。而电子向P端泄漏也是造成效率低的原因之一。
[0004]出现以上问题的原因主要是由于InGaN/GaN量子阱结构的晶格失配导致阱中存在极化电场，该极化电场的存在使量子阱中电子和空穴波函数在空间上发生分离，从而降低了电子空穴的复合效率。因此，为了降低该内建极化电场的负面效应，现有技术中通常采用InGaN、ALINGAN等来降低势皇和势阱之间的失配；也有人提出将势阱中的铟组分渐变来实现晶格失配的减小。然后，由于铟原子受热易从外延材料中挥发，以上的这些方法很难按设定的值来实现。
[0005]鉴于现有技术的以上缺陷，提出一种可以使电子在各个发光阱中分布更加均匀，减小了电子向P端泄漏，以提高量子阱的发光效率的GaN基LED外延结构及其制备方法实属必要。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，用于解决现有技术中由于发光阱中电子分布不均匀以及电子向P端泄漏而导致GaN基发光外延结构发光效率较低的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括步骤:
[0008]步骤I)，提供一生长衬底，于所述生长衬底上生长依次层叠的GaN层、AlGaN层及GaN层的非掺杂GaN缓冲层；
[0009]步骤2)，于所述非掺杂GaN缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层以及N型GaN层；
[0010]步骤3)，于所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
[0011]步骤4)，于所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长多量子阱发光层结构；
[0012]步骤5)，于所述多量子阱发光层结构上依次生长AlGaN层、低温P型层以及P型电子阻挡层；
[0013]步骤6)，于所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
[0014]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤I)中，所述非掺杂GaN缓冲层的生长温度范围为450?650°C，生长的总厚度范围为15?50nm。
[0015]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤I)中，所述非掺杂GaN缓冲层中的GaN层、AlGaN层及GaN层的厚度为全部相同、其中任意两层相同或全部不相同。
[0016]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤2)中，所述未掺杂的GaN层及N型GaN层生长温度范围为1000?1200°C，总生长厚度范围为1.5?4.5um，所述N型GaN层中，Si掺杂浓度范围为lel8?3el9。
[0017]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，所述InGaN/GaN超晶格结构的生长温度范围为700?900°C。
[0018]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数量范围为3?30，InGaN势阱中In组分的原子比范围为I?5%，InGaN势阱的厚度范围为1.0?4.0nm, GaN势皇的厚度范围为1.0?9.0nm0
[0019]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，所述多量子阱发光层结构生长温度范围为700?900°C。
[0020]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，所述多量子阱发光层结构含有的势皇势阱周期对数量范围为5?18，InGaN势阱中In的组分的原子比范围为15?20%，InGaN势阱的厚度范围为2.0?4.0nm，GaN势皇的厚度范围为3 ?15nm0
[0021]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)生长InGaN势阱包括以下步骤:
[0022]步骤4-1)，打开Ga源，生长InGaN，其中，TMIn的通入量为100-300sccm ；
[0023]步骤4-2)，关闭Ga源，TMIn的通入量变为步骤4_1)通入量的3_5倍，通入预设时间后关闭TMIn ；
[0024]步骤4-3)，打开Ga源，继续生长InGaN，其中，TMIn的通入量为100-300sccm，生长完成后InGaN势阱的总厚度为2.0?4.0nm0
[0025]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，所述AlGaN层中Al组分原子比范围为2?20%，所述AlGaN层的厚度范围为20?35nm。
[0026]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤5)中，所述P型电子阻挡层包括P型AlGaN、P型AlInGaN及P型AlGaN/GaN超晶格结构中的一种，所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30?80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5el8 ?3.5el90
[0027]作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，步骤6)中，所述P型GaN层中Mg掺杂浓度范围为5el8?le20，所述P型GaN层的厚度范围为30?150nm。
[0028]本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述外延结构包括依次层叠的非掺杂GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、多量子阱发光层结构、AlGaN层，低温P型层、P型电子阻挡层、以及P型GaN层，所述非掺杂GaN缓冲层包括由依次层叠的GaN层、AlGaN层及GaN层组成的三明治结构。
[0029]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述GaN基LED外延结构形成于包括蓝宝石、GaN、硅以及碳化硅之一的生长衬底上。
[0030]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述非掺杂GaN缓冲层的总厚度范围为15?50nm。
[0031]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述非掺杂GaN缓冲层中的GaN层、AlGaN层及GaN层的厚度为全部相同、其中任意两层相同或全部不相同。
[0032]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述未掺杂的GaN层及N型GaN层的总厚度范围为1.5?4.5um，所述N型GaN层中，Si掺杂浓度范围为lel8?3el9。
[0033]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数量范围为3?30，InGaN势阱中In组分的原子比范围为I?5%，InGaN势阱的厚度范围为1.0?4.0nm, GaN势皇的厚度范围为1.0?9.0nm0
[0034]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述多量子阱发光层结构含有的势皇势阱周期对数量范围为5?18，InGaN势阱中In的组分的原子比范围为15?20%, InGaN势阱的厚度范围为2.0?4.0nm, GaN势皇的厚度范围为3?15nm。
[0035]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述AlGaN层中Al组分原子比范围为2?20%，所述AlGaN层的厚度范围为20?35nm。
[0036]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述P型电子阻挡层包括P型AlGaN、P型AlInGaN及P型AlGaN/GaN超晶格结构中的一种，所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30?80nm，所述P型电子阻挡层中Mg掺杂浓度范围为5el8?3.5el9。
[0037]作为本发明的GaN基LED外延结构的一种优选方案，所述P型GaN层中Mg掺杂浓度范围为5el8?le20，所述P型GaN层的厚度范围为30?150nm。
[0038]如上所述，本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，所述外延结构包括依次层叠的非掺杂GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、多量子阱发光层结构、AlGaN层，低温P型层、P型电子阻挡层、以及P型GaN层，所述非掺杂GaN缓冲层包括由依次层叠的GaN层、AlGaN层及GaN层组成的三明治结构。本发明提出了一种可以提高发光效率的GaN基LED外延结构及其制备方法，具体为采用包括由GaN层、AlGaN层及GaN层组成的具有三明治结构的非掺杂GaN缓冲层作为缓冲层，该缓冲层通过使用折射率不同的材料来改变光散射的方向，从而可以提高出光效率。
【附图说明】
[0039]图1显示为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的步骤流程示意图。
[0040]图2a?图7分别显示为本