CN110401106A - 具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有铝镓氮插入层的氮化镓基半导体发光器件及其制作方法，该半导体发光器件包括量子阱结构，其中，所述量子阱结构包括至少一组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱，每组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱之间包括至少一层铝镓氮插入层。本发明通过采用铝镓氮插入层设置在量子阱结构的氮化镓量子垒与铟镓氮量子阱之间，不仅有助于获得氮化镓量子垒上的原子级平整的表面，提高界面陡峭度、消除V形缺陷，并可减小器件漏电、提高发光均匀性，还有助于平衡铟镓氮量子阱生长过程中积累的应力，减少因应变能积累导致的量子阱材料的位错，因此有利于提升材料成型的质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其是氮化镓(GaN)光电子器件领域，涉及一种具有铝镓氮(AlGaN)插入层的氮化镓基半导体发光器件及其制作方法。
背景技术
氮化镓基光电子器件已经广泛应用于照明、显示等领域。作为可见光器件的有源区，铟镓氮/氮化镓多量子阱是整个器件的核心。
由于铟镓氮材料适宜的生长温度较低，使得氮化镓量子垒只能在较低温度下生长，由此引起的V形缺陷、界面起伏等会造成量子阱/垒界面不平整，增加电流泄露、降低发光均匀性。
例如，在氮化镓基激光器中，界面不平整会造成增益谱展宽、阈值电流增加、斜率效率下降等问题。目前，目前的氮化镓基光电子器件普遍存在此类问题，严重影响发光效果。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件及其制作方法，可以改善半导体发光器件中的界面平整性，提高界面陡峭度、消除V形缺陷，因此可以减小器件的漏电现象，提高其发光均匀性。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，包括量子阱结构，其中，所述量子阱结构包括至少一组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱，每组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱之间包括至少一层铝镓氮插入层。
作为其中一种实施方式，所述量子阱结构为多量子阱结构，包括多组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱，每相邻的两组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱中的所述铟镓氮量子阱、所述氮化镓量子垒的生长顺序一致。
作为其中一种实施方式，所述量子阱结构中，每层所述氮化镓量子垒上均设有一层所述铝镓氮插入层，且所述氮化镓量子垒的层数不少于所述铟镓氮量子阱的层数。
作为其中一种实施方式，所述量子阱结构中，最顶层的一组氮化镓量子垒和铟镓氮量子阱的所述铟镓氮量子阱表面还依次生长有单独的氮化镓量子垒和单独的铝镓氮插入层，所述量子阱结构的顶部为所述单独的铝镓氮插入层。
作为其中一种实施方式，所述具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件包括衬底及自下而上依次生长在衬底上方的氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、所述量子阱结构、铝镓氮限制层和P型氮化镓层。
作为其中一种实施方式，所述氮化镓缓冲层与所述量子阱结构之间还包括N型掺杂铝镓氮形成的下部限制层和N型铟镓氮形成的下部波导层，所述下部限制层、所述N型铟镓氮波导层自下而上依次生长于所述N型氮化镓层上；所述量子阱结构与所述铝镓氮限制层之间还设有非掺杂铟镓氮波导层。
本发明的另一目的在于提供一种具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件的制作方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型氮化镓层、量子阱结构、P型铝镓氮限制层和P型氮化镓层；
其中，所述量子阱结构的生长包括自下而上依次生长一层氮化镓量子垒、至少一层铝镓氮插入层和一层铟镓氮量子阱，且所述铝镓氮插入层生长于所述氮化镓量子垒表面。
作为其中一种实施方式，所述量子阱结构的生长步骤包括：至少两次重复地依次生长一层氮化镓量子垒、至少一层铝镓氮插入层和一层铟镓氮量子阱。
作为其中一种实施方式，所述量子阱结构的生长步骤包括：在完成最顶部的一组氮化镓量子垒、至少一层铝镓氮插入层和铟镓氮量子阱的生长后，继续在最顶部的铟镓氮量子阱上表面依次生长一层氮化镓量子垒和至少一层铝镓氮插入层，使所述量子阱结构顶部为铝镓氮插入层。
作为其中一种实施方式，在生长所述量子阱结构前，还包括步骤：在所述N型氮化镓层上依次生长N型掺杂铝镓氮形成的下部限制层和N型铟镓氮形成的下部波导层；和/或，
在生长所述铝镓氮限制层前，还包括步骤：在所述量子阱结构表面生长非掺杂铟镓氮波导层。
本发明通过采用铝镓氮插入层设置在量子阱结构的氮化镓量子垒与铟镓氮量子阱之间，不仅有助于获得氮化镓量子垒上的原子级平整的表面，提高界面陡峭度、消除V形缺陷，并可减小器件漏电、提高发光均匀性，还有助于平衡铟镓氮量子阱生长过程中积累的应力，减少因应变能积累导致的量子阱材料的位错，因此有利于提升材料成型的质量。
附图说明
图1为本发明实施例的一种量子阱结构；
图2为本发明实施例的一种半导体发光器件的结构示意图；
图3为本发明实施例的另一种具有多量子阱结构的半导体发光器件的结构示意图；
图4为本发明实施例的一种半导体发光器件的制作方法流程图；
图5为本发明实施例的一种多量子阱的能带示意图；
图6为本发明实施例的一种量子阱的生长过程示意图；
图7为本发明实施例的量子阱生长完铝镓氮插入层前后的原子形貌对比图，其中，(a)为生长完氮化镓量子垒后的原子形貌，(b)为生长完铝镓氮插入层后的原子形貌。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1，本发明实施例的量子阱结构10包括至少一组氮化镓(GaN)量子垒11和铟镓氮(InGaN)量子阱12，每组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12之间具有至少一层铝镓氮(AlGaN)插入层13。即，在氮化镓量子垒11生长完成之后、铟镓氮量子阱12生长之前，插入有至少一层铝镓氮材料的插入层，该铝镓氮插入层13有助于形成原子级平整的表面，从而提高界面陡峭度、消除V形缺陷，另外，由于铝镓氮插入层的存在，还能在一定程度上平衡铟镓氮量子阱的应力，减少因应变能积累导致的位错。
如图2所示，示出了一种氮化镓基半导体发光器件，该氮化镓基半导体发光器件可以包括发光二极管、激光器或太阳能电池，主要结构包括衬底20及自下而上依次生长在衬底20上方的氮化镓缓冲层30、N型氮化镓层40、量子阱结构10、铝镓氮限制层50和P型氮化镓层60，该量子阱结构10具有铝镓氮插入层13，可以减小器件漏电风险并提高器件的发光均匀性。
这里，量子阱结构10可以是仅包括一组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12和该组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12之间夹设的一层或多层铝镓氮插入层13，也可以为多量子阱结构。多量子阱结构包括多组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12组成的结构，需要说明的是，每相邻的两组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12中的铟镓氮量子阱12、氮化镓量子垒11的生长顺序一致，即，每组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12中的氮化镓量子垒11生长在下面一组的铟镓氮量子阱12上表面，氮化镓量子垒11、铟镓氮量子阱12以交替层叠的方式布置。每组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12中的铝镓氮插入层13的层数可以相同也可以不同，可以根据实际需要自由设置。
优选地，该量子阱结构10中，每层氮化镓量子垒11上均设有一层铝镓氮插入层13，氮化镓量子垒11的层数不少于铟镓氮量子阱12的层数。即，氮化镓量子垒11可以并非完全成对出现，每层氮化镓量子垒11上表面必然有至少一层铝镓氮插入层13，但铝镓氮插入层13表面不一定有铟镓氮量子阱12。
如图3所示的实施方式，示出了一种具有多量子阱结构的半导体发光器件的结构示意图。在该量子阱结构10中，最顶层的一组氮化镓量子垒11和铟镓氮量子阱12的铟镓氮量子阱12表面还依次生长有单独的氮化镓量子垒11和单独的铝镓氮插入层13，量子阱结构10的顶部为单独的铝镓氮插入层13，并无铟镓氮量子阱12。
图3所示的实施方式中，半导体发光器件还具有下部限制层1a、下部波导层1b以及非掺杂铟镓氮波导层2b，N型掺杂铝镓氮形成的下部限制层1a和N型铟镓氮形成的下部波导层1b形成于N型氮化镓层40与量子阱结构10之间，具体地，下部限制层1a、N型铟镓氮波导层1b自下而上依次生长于N型氮化镓层40上，N型铟镓氮波导层1b位于量子阱结构10的最底层的氮化镓量子垒11上，非掺杂铟镓氮波导层2b位于量子阱结构10与铝镓氮限制层50之间，这里，非掺杂铟镓氮波导层2b具体是位于量子阱结构10的最顶层的铝镓氮插入层13上。
可以理解的是，图3所示的半导体发光器件仅仅是本发明的其中一种示例，并不对本发明进行限制。在其他实施方式中，量子阱结构10的氮化镓量子垒11、铟镓氮量子阱12的数量可以不同，即，成对设置的氮化镓量子垒11、铟镓氮量子阱12的数量并不进行限定，只需要量子阱结构10包括的氮化镓量子垒11、铟镓氮量子阱12的组数大于等于一组即可。
结合图2-4所示，本发明还提供了一种具有铝镓氮插入层的氮化镓基半导体发光器件的制作方法，包括：
提供一衬底20；
在衬底20上依次生长N型氮化镓层40、量子阱结构10、P型铝镓氮限制层50和P型氮化镓层60；
其中，量子阱结构10的生长包括自下而上依次生长一层氮化镓量子垒11、至少一层铝镓氮插入层13和一层铟镓氮量子阱12，且铝镓氮插入层13生长于氮化镓量子垒11表面。
优选地，量子阱结构10为多量子阱结构，量子阱结构10的生长步骤包括：至少两次重复地依次生长一层氮化镓量子垒11、至少一层铝镓氮插入层13和一层铟镓氮量子阱12。
进一步优选地，量子阱结构10的生长步骤包括：在完成最顶部的一组氮化镓量子垒11、至少一层铝镓氮插入层13和铟镓氮量子阱12的生长后，继续在最顶部的铟镓氮量子阱12上表面依次生长一层氮化镓量子垒11和至少一层铝镓氮插入层13，使量子阱结构10顶部为铝镓氮插入层13。
更进一步地，在生长量子阱结构10前，还包括步骤：在N型氮化镓层40上依次生长N型掺杂铝镓氮形成的下部限制层1a和N型铟镓氮形成的下部波导层1b；在生长铝镓氮限制层50前，还包括步骤：在量子阱结构10表面生长非掺杂铟镓氮波导层2b。
更具体地，以制作如图3所示的具有铝镓氮插入层的氮化镓基半导体发光器件为例对该制作方法进行详细说明，该方法具体包括：
S01：在氮化镓衬底上生长高温N型氮化镓层40。
该氮化镓衬底可包括衬底20及衬底20上的氮化镓缓冲层30，优选地，该高温N型氮化镓层40的厚度为1000nm，生长温度为1000～1100℃，载气为H2。
S02：在N型氮化镓层40上生长一层N型掺杂铝镓氮，作为下部限制层1a。
其中，该下部限制层1a中，优选铝组分为5％～10％，厚度1000nm-1500nm，生长温度1000～1100℃，掺杂剂为硅，掺杂浓度为1e18～5e18cm-3，载气为H2。
S03：在N型掺杂铝镓氮上生长N型铟镓氮，作为下部波导层1b。
其中，该下部波导层1b中，优选铟组分为1％～10％，生长温度为650～900℃之间，厚度为50-300nm，掺杂浓度为1e18～5e18cm-3，载气为N2。
S04：在N型铟镓氮上生长量子阱结构10。
在生长量子阱结构10时，生长量子阱结构10的生长过程主要包括：
S041：生长非掺杂的氮化镓量子垒11，优选地，氮化镓量子垒11的生长温度为700～900℃，厚度为5-20nm，载气为N2；
S042：停止镓源供给，将生长温度升至800～1000℃，升温速率为0.5-2℃/s，并将载气切换为H2；
S043：生长非掺杂铝镓氮插入层13，铝组分为1％-30％，厚度为1-5nm，载气为H2；
S044：停止镓源和铝源供给，将生长温度降至700-900℃，将载气切换为N2；
S045：生长非掺杂铟镓氮量子阱12，其中，优选地，铟组分为10％～30％，厚度为1-8nm，载气为N2。
图6示出了量子阱结构10的各阶段生长过程中，温度、载气的变化情况。当量子阱结构10为多量子阱结构时，需要重复上述步骤S041-S045多次。例如，当需要制作图3所示的半导体发光器件时，结合图5所示，需要重复上述步骤S041-S045两次(即依次生长氮化镓量子垒11、铝镓氮插入层13、铟镓氮量子阱12两次)，然后重复S041-S043一次(即再依次生长氮化镓量子垒11、铝镓氮插入层13一次)。
在量子阱结构10的铝镓氮插入层13的生长过程中，其中的铝组分、铟组分可以保持恒定不变，也可以渐变。例如，越远离衬底，铟组分逐渐增大，铝组分逐渐减小。
在生长铝镓氮插入层13之前和之后的升温、降温过程中，本实施例是中断生长，在其他实施例中，也可以同时进行生长。
如图7是量子阱生长完铝镓氮插入层前后的原子形貌对比图，其中，(a)为生长完氮化镓量子垒后的原子形貌，(b)为生长完铝镓氮插入层后的原子形貌，根据该图可以明显看出，生长完铝镓氮插入层后，氮化镓量子垒表面形貌明显改善，界面平整性得以提升，因此，可以消除V形缺陷，有利于减小器件的漏电现象。
S05：在量子阱结构10上生长非掺杂铟镓氮波导层2b，其中，优选铟组分为1％-10％，生长温度为650～900℃，厚度为50-300nm，掺杂浓度为1e18-5e18cm-3，载气为N2。
S06：在非掺杂铟镓氮波导层2b上生长P型铝镓氮限制层50，其中，优选铝组分为10％-16％，厚度为500nm-1000nm，生长温度为1000～1100℃，掺杂剂为镁，掺杂浓度为1e19-5e19cm-3，载气为H2。
S07：在P型铝镓氮限制层50上生长P型氮化镓层60，其中，优选其厚度20nm，生长温度1000～1100℃，掺杂剂为镁，掺杂浓度为5e19-1e20cm-3，载气为H2。
综上所述，本发明通过采用铝镓氮插入层设置在量子阱结构的氮化镓量子垒与铟镓氮量子阱之间，不仅有助于获得氮化镓量子垒上的原子级平整的表面，提高界面陡峭度、消除V形缺陷，并可减小器件漏电、提高发光均匀性，还有助于平衡铟镓氮量子阱生长过程中积累的应力，减少因应变能积累导致的量子阱材料的位错，因此有利于提升材料成型的质量。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，包括量子阱结构(10)，其特征在于，所述量子阱结构(10)包括至少一组氮化镓量子垒(11)和铟镓氮量子阱(12)，每组氮化镓量子垒(11)和铟镓氮量子阱(12)之间包括至少一层铝镓氮插入层(13)。
2.根据权利要求1所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，其特征在于，所述量子阱结构(10)为多量子阱结构，包括多组氮化镓量子垒(11)和铟镓氮量子阱(12)，每相邻的两组氮化镓量子垒(11)和铟镓氮量子阱(12)中的所述铟镓氮量子阱(12)、所述氮化镓量子垒(11)的生长顺序一致。
3.根据权利要求2所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，其特征在于，所述量子阱结构(10)中，每层所述氮化镓量子垒(11)上均设有一层所述铝镓氮插入层(13)，且所述氮化镓量子垒(11)的层数不少于所述铟镓氮量子阱(12)的层数。
4.根据权利要求3所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，其特征在于，所述量子阱结构(10)中，最顶层的一组氮化镓量子垒(11)和铟镓氮量子阱(12)的所述铟镓氮量子阱(12)表面还依次生长有单独的氮化镓量子垒(11)和单独的铝镓氮插入层(13)，所述量子阱结构(10)的顶部为所述单独的铝镓氮插入层(13)。
5.根据权利要求1～4任一所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，其特征在于，包括衬底(20)及自下而上依次生长在衬底(20)上方的氮化镓缓冲层(30)、N型氮化镓层(40)、所述量子阱结构(10)、铝镓氮限制层(50)和P型氮化镓层(60)。
6.根据权利要求5所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件，其特征在于，所述氮化镓缓冲层(30)与所述量子阱结构(10)之间还包括N型掺杂铝镓氮形成的下部限制层(1a)和N型铟镓氮形成的下部波导层(1b)，所述下部限制层(1a)、所述N型铟镓氮波导层(1b)自下而上依次生长于所述N型氮化镓层(40)上；所述量子阱结构(10)与所述铝镓氮限制层(50)之间还设有非掺杂铟镓氮波导层(2b)。
7.一种具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供一衬底(20)；
在所述衬底(20)上依次生长N型氮化镓层(40)、量子阱结构(10)、P型铝镓氮限制层(50)和P型氮化镓层(60)；
其中，所述量子阱结构(10)的生长包括自下而上依次生长一层氮化镓量子垒(11)、至少一层铝镓氮插入层(13)和一层铟镓氮量子阱(12)，且所述铝镓氮插入层(13)生长于所述氮化镓量子垒(11)表面。
8.根据权利要求7所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件的制作方法，其特征在于，所述量子阱结构(10)的生长步骤包括：至少两次重复地依次生长一层氮化镓量子垒(11)、至少一层铝镓氮插入层(13)和一层铟镓氮量子阱(12)。
9.根据权利要求7或8所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件的制作方法，其特征在于，所述量子阱结构(10)的生长步骤包括：在完成最顶部的一组氮化镓量子垒(11)、至少一层铝镓氮插入层(13)和铟镓氮量子阱(12)的生长后，继续在最顶部的铟镓氮量子阱(12)上表面依次生长一层氮化镓量子垒(11)和至少一层铝镓氮插入层(13)，使所述量子阱结构(10)顶部为铝镓氮插入层(13)。
10.根据权利要求9所述的具有AlGaN插入层的GaN基半导体发光器件的制作方法，其特征在于，
在生长所述量子阱结构(10)前，还包括步骤：在所述N型氮化镓层(40)上依次生长N型掺杂铝镓氮形成的下部限制层(1a)和N型铟镓氮形成的下部波导层(1b)；和/或，
在生长所述铝镓氮限制层(50)前，还包括步骤：在所述量子阱结构(10)表面生长非掺杂铟镓氮波导层(2b)。
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