CN105336819A - GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，包括：提供生长衬底，利用原子层沉积技术在生长衬底上形成AlN缓冲层；在AlN缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；在N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；在InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；在InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。利用原子层沉积技术形成的AlN缓冲层替代传统的低温GaN或AlN缓冲层，原子层沉积技术形成的AlN缓冲层具有良好的晶体质量，使得后续外延生长具有良好的结晶质量，从而外延结构的厚度可以减薄，生长速度也可以加快，进而提高了产能。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光领域，特别是涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
背景技术
由于LED外延结构与生长衬底之间存在较大的晶格常数及热膨胀系数失配(如蓝宝石生长衬底与GaN材料：16％失配)，使得外延结构生长过程中产生很多缺陷。这些缺陷成为电子与空穴非辐射性复合中心，降低内量子效率，而内量子效率对LED外延结构的亮度起着决定性的影响。传统上，在生长衬底上先生长一层30nm左右的低温GaN或者AlN作为缓冲层来减少线缺陷密度，进而外延生长GaN体材料和LED结构；图形生长衬底上生长的缓冲层对于后续生长的GaN晶体质量以及LED器件性能起到了极大的改善作用。
然而，采用低温GaN或AlN作为缓冲层虽然可以大幅度地减小线位错密度，提高晶体质量，但低温GaN或AlN缓冲层的晶体质量还有待进一步提高，后续外延生长的结晶质量不够好，外延结构需要达到一定的厚度，且外延生长速度较慢，进而影响了产能。
发明内容
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低温GaN或AlN作为缓冲层的晶体质量不够好而导致的后续外延结构的结晶质量不够好，外延结构需要达到一定的厚度，且外延生长速度较慢，进而影响产能的问题。
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，所述制备方法包括以下步骤：
提供生长衬底，利用原子层沉积技术在所述生长衬底上形成AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
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，所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
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，所述AlN缓冲层的厚度为1nm～30nm。
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，所述未掺杂的GaN层及N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃，总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
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，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数为3～30；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％；InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，GaN势垒的厚度为1nm～9nm。
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，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的周期对数为5～18；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
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，所述P型电子阻挡层包括P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
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，所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括：AlN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、P型电子阻挡层及P型GaN层。
如上所述，本发明的GaN基LED外延结构及其制备方法，具有以下有益效果：利用原子层沉积技术形成的AlN缓冲层替代传统的低温GaN或AlN缓冲层，原子层沉积技术形成的AlN缓冲层具有良好的晶体质量，使得后续外延生长具有良好的结晶质量，从而外延结构的厚度可以减薄，生长速度也可以加快，进而提高了产能。
附图说明
图1显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法的流程图。
图2显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S1步骤呈现的结构示意图。
图3显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S2步骤呈现的结构示意图。
图4显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S3步骤呈现的结构示意图。
图5显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S4步骤呈现的结构示意图。
图6显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S5步骤呈现的结构示意图。
图7显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S6步骤呈现的结构示意图。
元件标号说明
1生长生长衬底
2AlN缓冲层
3未掺杂的GaN层
4N型GaN层
5InGaN/GaN超晶格量子阱结构
6InGaN/GaN多量子阱发光层结构
7P型电子阻挡层
8P型GaN层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括一下步骤：
S1：提供生长衬底，利用原子层沉积(Atomiclayerdeposition，ALD)技术在所述生长衬底上形成AlN缓冲层；
S2：在所述AlN缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；
S3：在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
S4：在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
S5：在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；
S6：在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
在步骤S1中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供生长衬底1，利用原子层沉积技术在所述生长衬底1上形成AlN缓冲层2。
作为示例，所述生长衬底1可以为但不仅限于适合GaN及其半导体外延材料生长的蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为示例，所述AlN缓冲层2的厚度为1nm～30nm。
利用原子层沉积技术形成的所述AlN缓冲层2替代传统的低温GaN或AlN缓冲层，原子层沉积技术形成的所述AlN缓冲层2具有良好的晶体质量，使得后续外延生长具有良好的结晶质量，从而后续生长的外延结构(譬如N型GaN层)的厚度可以减薄，生长速度也可以加快，进而提高了产能。
在步骤S2中，请参阅图1中的S2步骤及图3，在所述AlN缓冲层2上依次生长未掺杂的GaN层3及N型GaN层4。
作为示例，所述未掺杂的GaN层3及N型GaN层4的生长温度为1000℃～1200℃，总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层4内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
在步骤S3中，请参阅图1中的S3步骤及图4，在所述N型GaN层4上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构5。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5包括3～30个所述周期对。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为1nm～9nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％。
在步骤S4中，请参阅图1中的S4步骤及图5，在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构6。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6包括5～18个所述周期对。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为3nm～15nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％。
在步骤S5中，请参阅图1中的S5步骤及图6，在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6上生长P型电子阻挡层7。
作为示例，所述P型电子阻挡层7可以为但不仅限于P型AlGaN层、P型AlInGaN层或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层7的生长温度为900℃～950℃；所述P型电子阻挡层7的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层7中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
在步骤S6中，请参阅图1中的S6步骤及图7，在所述P型电子阻挡层7上生长P型GaN层8。
作为示例，所述P型GaN层8的生长温度为950℃～1000℃；所述P型GaN层8的厚度为30nm～150nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-1～1e20cm-1。
请继续参阅图7，本发明还提供一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括AlN缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、InGaN/GaN超晶格量子阱结构5、InGaN/GaN多量子阱发光层结构6、P型电子阻挡层7及P型GaN层8。
作为示例，所述AlN缓冲层2通过原子层沉积技术获得；所述AlN缓冲层2的厚度为1nm～30nm。
作为示例，所述未掺杂的GaN层3及N型GaN层4的总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层4内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5包括3～30个所述周期对。
作为示例，所述InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为1nm～9nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6包括5～18个所述周期对。
作为示例，所述InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为3nm～15nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％。
作为示例，所述P型电子阻挡层7可以为但不仅限于P型AlGaN层、P型AlInGaN层或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层7的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层7中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
作为示例，所述P型GaN层8的厚度为30nm～150nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-1～1e20cm-1。
综上所述，本发明提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法，利用原子层沉积技术形成的AlN缓冲层替代传统的低温GaN或AlN缓冲层，原子层沉积技术形成的AlN缓冲层具有良好的晶体质量，使得后续外延生长具有良好的结晶质量，从而外延结构的厚度可以减薄，生长速度也可以加快，进而提高了产能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供生长衬底，利用原子层沉积技术在所述生长衬底上形成AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层及N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述AlN缓冲层的厚度为1nm～30nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述未掺杂的GaN层及N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃，总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数为3～30；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％；InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，GaN势垒的厚度为1nm～9nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的周期对数为5～18；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型电子阻挡层包括P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～3.5e19cm-3。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
9.一种由权利要求1至8中任一项所述GaN基LED外延结构的制备方法制得的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构由下至上依次包括：AlN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN超晶格量子阱结构、InGaN/GaN多量子阱发光层结构、P型电子阻挡层及P型GaN层。
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