CN103337572A - 一种GaN基LED外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基LED外延结构及其生长方法。该GaN基LED外延结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、GaN隔层、第二电子储存区、有源区多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。本发明的GaN基LED外延结构及其生长方法，能够减小有源区材料的应力，提高GaN基LED的发光效率，提高晶体材料质量。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其涉及一种GaN基LED外延结构及其生长方法。
背景技术
目前商业化的GaN（氮化镓）基LED（Light Emitting Diode,发光二极管），一般采用InGaN（铟镓氮）或GaN多量子阱作为有源区，高质量的InGaN或GaN多量子阱是实现高发光效率的关键。InN（氮化铟）与GaN之间存在很大的晶格失配，因此在InGaN或GaN多量子阱中，InGaN阱层存在着很大的压应力，并且压应力会随着In（铟）组分的增加而增加。由应力所引发的量子限制斯塔克效应，对多量子阱的发光特性有着重要的影响。它会导致注入到有源区中的电子与空穴在空间上的分离，从而降低辐射复合效率，目前对于GaN基LED，量子限制斯塔克效应是制约器件性能提高的重要因素。因此，减小InGaN/GaN多量子阱（即由材料InGaN和GaN组成的多量子阱）的应力是提高GaN基LED发光效率的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GaN基LED外延结构及其生长方法，减小有源区材料的应力，提高GaN基LED的发光效率，提高晶体材料质量。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、GaN隔层、第二电子储存区、有源区多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。
进一步地，上述GaN基LED外延结构还可具有以下特点，所述第一电子储存区为多量子阱层，所述第二电子储存区为超晶格层，所述第一电子储存区的垒层比所述第二电子储存区的垒层厚，所述第一电子储存区的阱层比所述第二电子储存区的阱层厚。
进一步地，上述GaN基LED外延结构还可具有以下特点，所述第一电子储存区为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替排列的多量子阱层，所述第二电子储存区为InyGa1-yN阱层和GaN垒层交替排列的超晶格层，其中，0<x<y<1。
进一步地，上述GaN基LED外延结构还可具有以下特点，所述GaN隔层的材料为nGaN或uGaN。
进一步地，上述GaN基LED外延结构还可具有以下特点，所述GaN隔层的厚度大于或等于10纳米。
进一步地，上述GaN基LED外延结构还可具有以下特点，所述第一电子储存区、第二电子储存区、有源区多量子阱层的垒层以纯氢气或氢气和氮气的混合气做载气生长而得。
为解决上述技术问题，本发明还提出了一种GaN基LED外延结构的生长方法，用于生长上述的GaN基LED外延结构，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、GaN隔层、第二电子储存区、有源区多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。
进一步地，上述GaN基LED外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述第一电子储存区为多量子阱层，所述第二电子储存区为超晶格层，所述第一电子储存区的垒层比所述第二电子储存区的垒层厚，所述第一电子储存区的阱层比所述第二电子储存区的阱层厚。
进一步地，上述GaN基LED外延结构的生长方法还可具有以下特点，生长所述第一电子储存区、第二电子储存区、有源区多量子阱层的垒层时以纯氢气或氢气和氮气的混合气做载气。
进一步地，上述GaN基LED外延结构的生长方法还可具有以下特点，所述第一电子储存区为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替排列的多量子阱层，所述第二电子储存区为InyGa1-yN阱层和GaN垒层交替排列的超晶格层，其中，0<x<y<1。
本发明的GaN基LED外延结构及其生长方法，能够减小有源区材料的应力，提高GaN基LED的发光效率，提高晶体材料质量。
附图说明
图1为本发明实施例中GaN基LED外延结构的示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、蓝宝石衬底层，2、GaN成核层，3、非故意掺杂u-GaN层，4、N型掺杂GaN层，5、第一电子储存区，6、第二电子储存区，7、GaN隔层，8、有源区MQW（Multi-Quantum Wells，多量子阱）层，9、电子阻挡层，10、P型GaN层，11、接触层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例中GaN基LED外延结构的示意图。如图1所示，本实施例中，GaN基LED外延结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层1、GaN成核层2、非故意掺杂u-GaN层3、N型掺杂GaN层4、第一电子储存区5、GaN隔层6、第二电子储存区7、有源区多量子阱层8、电子阻挡层9、P型GaN层10、接触层11。第一电子储存区5与第二电子储存区6之间由GaN隔层6隔开。GaN隔层6的材料可以是nGaN，也可以是uGaN。优选地，GaN隔层6的厚度大于或等于10纳米。
第一电子储存区5主要用于储存电子，第二电子储存区7主要用于调节晶格。
其中，GaN成核层2可以在低温（550摄氏度至680摄氏度）下生长而成。GaN成核层2的厚度可以为20nm（纳米）至100nm。
其中，非故意掺杂u-GaN层3可以在高温（1100摄氏度以上）生长而成。非故意掺杂u-GaN层3的厚度可以为0.5μm（微米）至5μm。
其中，N型掺杂GaN层4可以是在高温(1000摄氏度至1250摄氏度)生长而成的Si掺杂N型GaN层。该Si掺杂N型GaN层的厚度可以为0.5μm至5μm。
其中，有源区多量子阱层8（也即有源区MQW层）可以为InzGa1-zN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其中0<z<1。
其中，电子阻挡层9可以为P型AlyInzGa1-y-zN（铝铟镓氮）层，其中0<y≦1，0≦z<1，0<u+n<1，且保证P型AlyInzGa1-y-zN层导带底在GaN垒层导带底之上。P型AlyInzGa1-y-zN层的Mg掺杂浓度可以为1×1017～1×1020cm-3。
其中，P型GaN层10可以为Mg掺杂层，掺杂浓度可以为1×1017～5×1020cm-3。
其中，接触层11可以为Mg掺杂或Si掺杂InhGa1-hN层，其中0<h<1。若为Mg掺杂，掺杂浓度可以为5×1019cm-3以上。若为Si掺杂，掺杂浓度可以为5×1018cm-3以上。
在本发明的实施例中，第一电子储存区5可以为多量子阱层，第二电子储存区7可以为超晶格层，并且，第一电子储存区5的垒层比第二电子储存区7的垒层厚，第一电子储存区5的阱层比第二电子储存区7的阱层厚。优选地，第一电子储存区5的垒层厚度可以是第二电子储存区7的垒层厚度的1.5倍以上，第一电子储存区5的阱层厚度可以是第二电子储存区7的阱层厚度的1.5倍以上。
在本发明的一个优选实施例中，第一电子储存区5为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替排列的多量子阱层，第二电子储存区7为InyGa1-yN阱层和GaN垒层交替排列的超晶格层，其中，0<x<y<1。第一电子储存区5的InxGa1-xN的阱层厚度可根据需要调节，优选的可以为1nm至10nm，第一电子储存区5的GaN垒层厚度可根据需要调节，优选的可以为5nm至70nm，第一电子储存区5的量子阱周期数可根据需要调节，优选的可以为2至20个。第二电子储存区7的InyGa1-yN阱层厚度可根据需要调节，优选的可以为0.5nm至5nm，第二电子储存区7的GaN垒层厚度可根据需要调节，优选的可以为1nm至10nm，第二电子储存区7的量子阱周期数可根据需要调节，优选的可以为2至30个。并且，第一电子储存区5的GaN垒层可以掺杂Si杂质。优选地，第一电子储存区的GaN垒层中掺杂的Si杂质的浓度可以为1×1017～5×1020c m-3。在第一电子储存区的GaN垒层掺杂Si杂质，可以降低GaN基LED的使用电压。
当然，除了上述给出的阱、垒材料，第一电子储存区5和第二电子储存区7也可以使用其他材料，此处不再一一列举。
在本发明的实施例中，第一电子储存区5、第二电子储存区7、有源区多量子阱层8的垒层可以是以纯氢气或氢气和氮气的混合气做载气生长而得的。这样可以提高垒层的晶体质量。
本发明的GaN基LED外延结构，采用两组不同的电子储存区来减小有源区的应力作用，同时具备储存电子的作用。第一电子储存区有较宽的阱和垒，用来储存电子，MQW中的电子与空穴发生复合后，这里储存的电子会快速填补空位，以便持续发光。第二电子储存区有较窄的阱和垒，这个区域的作用更多是为了调整材料晶格，以减小有源区的应力。因此，本发明的GaN基LED外延结构，能够减小有源区材料的应力，提高GaN基LED的发光效率，提高晶体材料质量。
本发明还提出了一种GaN基LED外延结构的生长方法，用于生长上述的GaN基LED外延结构。具体地，本发明提出的GaN基LED外延结构的生长方法为：在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、GaN隔层、第二电子储存区、有源区多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。该GaN基LED外延结构的生长方法可以用MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）、MBE（Bolecular Beam Epitaxy，分子束外延生长）等方式。
在本发明的实施例中，第一电子储存区5可以为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替排列的多量子阱层，第二电子储存区7可以为InyGa1-yN阱层和GaN垒层交替排列的超晶格层，其中，0<x<y<1。
在本发明的实施例中，生长第一电子储存区5、第二电子储存区7、有源区多量子阱层8的垒层时可以以纯氢气或氢气和氮气的混合气做载气。
在本发明的实施例中，在生长第一电子储存区5的GaN垒层时，可以在该GaN垒层掺入Si杂质。
在本发明的实施例中，可以使用三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）做Ga源生长第一电子储存区的GaN垒层和第二电子储存区7的GaN垒层。三甲基镓生长速率较快，而且价格便宜，因此使用三甲基镓可以节省生长时间，同时还能降低生产成本。三乙基镓生长速率慢，价格相对也较贵，但三乙基镓生长晶体质量更好。
在本发明的实施例中，第一电子储存区5可以为多量子阱层，第二电子储存区7可以为超晶格层，第一电子储存区5的垒层比第二电子储存区7的垒层厚，第一电子储存区5的阱层比第二电子储存区7的阱层厚。
下面通过一个具体实例来对本发明GaN基LED外延结构的生长方法作进一步详细说明。
该具体实例在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、第二电子储存区、有源区MQW层、电子阻挡层，P型GaN层，接触层。
其中，GaN成核层为低温（550～680℃）生长的20～100nm厚的成核层。
其中，GaN成核层之上的非故意掺杂u-GaN层为高温（1100℃以上）生长的0.5～5μm的GaN层。
其中，N型掺杂GaN层为高温(1000～1250℃)生长的Si掺杂0.5～5μm N型GaN层。掺杂浓度大于1×1018c m-3。
其中，第一电子储存区为3至10个周期的InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层。其InxGa1-xN阱层厚度为5nm，GaN垒层以H2（氢气）与N2（氮气）混合气做载气生长，GaN垒层厚度为35nm，Si掺杂浓度为1×1018c m-3。
其中，第二电子储存区为5至20个周期的InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层。其InyGa1-yN阱层厚度为1.5nm，GaN垒层以H2与N2混合气做载气生长，GaN垒层厚度为5nm。
其中，有源区MQW层为InzGa1-zN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其阱厚为2.7nm，垒厚为12nm，共9个周期。
其中，电子阻挡层为Mg掺杂P型AlInGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为50nm。
其中，P型GaN层掺杂浓度为5×1019cm-3，厚度为80nm。
其中，接触层为Mg掺杂InGaN层，掺杂浓度为1×1020cm-3，厚度为3nm。
本发明的GaN基LED外延结构的生长方法，采用两组不同的电子储存区来减小有源区的应力作用，同时具备储存电子的作用。第一电子储存区有较宽的阱和垒，用来储存电子，MQW中的电子与空穴发生复合后，这里储存的电子会快速填补空位，以便持续发光。第二电子储存区有较窄的阱和垒，这个区域的作用更多是为了调整材料晶格，以减小有源区的应力。因此，本发明的GaN基LED外延结构的生长方法，能够减小有源区材料的应力，提高GaN基LED的发光效率，提高晶体材料质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构由下向上依次包括蓝宝石衬底层、GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、GaN隔层、第二电子储存区、有源区多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一电子储存区为多量子阱层，所述第二电子储存区为超晶格层，所述第一电子储存区的垒层比第二电子储存区的垒层厚，所述第一电子储存区的阱层比所述第二电子储存区的阱层厚。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一电子储存区为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替排列的多量子阱层，所述第二电子储存区为InyGa1-yN阱层和GaN垒层交替排列的超晶格层，其中，0<x<y<1。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN隔层的材料为nGaN或uGaN。
5.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN隔层的厚度大于或等于10纳米。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述第一电子储存区、第二电子储存区、有源区多量子阱层的垒层以纯氢气或氢气和氮气的混合气做载气生长而得。
7.一种GaN基LED外延结构的生长方法，用于生长权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，在蓝宝石衬底上依次生长GaN成核层、非故意掺杂u-GaN层、N型掺杂GaN层、第一电子储存区、GaN隔层、第二电子储存区、有源区多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。
8.根据权利要求7所述的GaN基LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述第一电子储存区为多量子阱层，所述第二电子储存区为超晶格层，所述第一电子储存区的垒层比第二电子储存区的垒层厚，所述第一电子储存区的阱层比所述第二电子储存区的阱层厚。
9.根据权利要求7所述的GaN基LED外延结构的生长方法，其特征在于，生长所述第一电子储存区、第二电子储存区、有源区多量子阱层的垒层时以纯氢气或氢气和氮气的混合气做载气。
10.根据权利要求7所述的GaN基LED外延结构生长方法，其特征在于，所述第一电子储存区为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替排列的多量子阱层，所述第二电子储存区为InyGa1-yN阱层和GaN垒层交替排列的超晶格层，其中，0<x<y<1。
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