一种GaN基发光二极管外延结构及其制备方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术提供一种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，本专利技术提供一种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。本专利技术还提供一种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℃。本专利技术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
技术介绍
中GaN基发光二极管外延结构的示意图。图2是本专利技术提供的一种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是本专利技术提供的一种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，具体说明本专利技术的较佳实施例。如图2所示，本专利技术提供一种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50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，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）；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。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，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）；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。2.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，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%，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%。3.如权利要求1所述的GaN基发光二极管外延结构，其特征在于，所述的衬底（1）采用蓝宝石，或GaN，或硅，或碳化硅；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。4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的GaN基发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：展望，马后永，琚晶，游正璋，李起鸣，
申请(专利权)人：映瑞光电科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31