InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法技术

一种InGaN/GaN异质外延结构及生长方法，外延结构包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN层，其生长在衬底上；一InGaN有源区，其生长在GaN层上；一GaN层，其生长在InGaN有源区上。本发明专利技术可以将显著提高InGaN基太阳能电池的能量转换效率。

【技术实现步骤摘要】
InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法
本专利技术属于半导体
，特别涉及一种InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。
技术介绍
由于具有可调的直接带隙结构，InGaN材料已经被成功的应用于显示与照明领域，如蓝光发光二极管(LED)等。此外，若将InGaN材料用于光伏能源领域，将有望获得光电转换效率较高的多结InGaN太阳能电池。目前，所有以PN结为基本结构的InGaN基半导体光电器件都是在N型掺杂的GaN层上先外延生长InGaN有源区，然后再生长P型GaN层。众所周知，PN结内的内建电场的方向是由N区指向P区，因此，传统结构PN结内建电场的指向是沿着InGaN材料的外延生长方向，即由衬底一侧指向顶层。另一方面，由于InGaN材料具有压电极化特性，在GaN层上共格生长的InGaN材料由于受到压应力的作用会在材料内部形成压电极化电场。该极化电场的方向指向衬底，即与外延生长方向相反，也就与PN结内建电场的方向相反。这种内建电场与极化电场相反的情况会对InGaN基光电器件的性能产生很多消极的影响。例如，在InGaN基光伏器件中，InGaN有源区内的极化电场会阻碍PN结内建电场对光生载流子的收集，从而导致太阳能电池能量转换效率的降低。一般地，人们试图通过降低极化电场的强度来减弱压电效应对器件性能的不利影响。然而，随着InGaN材料中In含量的增多，极化效应会越来越显著，这使得显著地减小或者彻底消除极化效应的影响变得非常困难。另一方面，除了直接地减小极化电场强度外，通过优化材料外延生长结构，减小极化效应对载流子输运效率的影响，从而抑制极化电场所引起的一些不利因素，也可以提高InGaN基光电器件的性能。
技术实现思路
本专利技术提出了一种InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法，其目的在于通过调整P型和N型层的位置，改变了PN结内建电场的指向，调换了电子/空穴的注入方向，从而优化了有源区内载流子的输运特性，提高了InGaN基光电子器件的性能。本专利技术提供一种InGaN/GaN异质外延结构，包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN层，其生长在衬底上；一InGaN有源区，其生长在GaN层上；一GaN层，其生长在InGaN有源区上。本专利技术还提供一种InGaN/GaN异质外延结构的生长方法，包括以下步骤：步骤1：取一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；步骤2：在该衬底上依次生长GaN层、InGaN有源区、GaN层，完成生长。本专利技术有以下有益效果：1、本专利技术提出的一种InGaN/GaN异质外延结构，其可以用于InGaN基光伏器件的制备。由于在本专利技术中调整了P型和N型层的位置，InGaN有源区内的极化电场方向与PN结的内建电场方向是相同的，消除了传统InGaN基PN结结构中由于极化电场方向与内建电场方向相反而导致的极化电场对光生载流子漂移运动的阻碍作用，提高了载流子的收集效率。因此，采用本专利技术的外延结构，将显著提高InGaN基太阳能电池的能量转换效率。2、本专利技术提出的一种InGaN/GaN异质外延结构，其还可以用于InGaN基发光器件的制备。一般地，发光器件的有源区通常采用InGaN/GaN多量子阱结构。在传统PN结外延生长结构中，电子的注入方向与InGaN量子阱内能带的倾斜方向相同，电子只需要越过GaN势垒，就可以从InGaN阱中逃逸出来。而在本专利技术中，由于调换了P型和N型层的位置，使得电子的注入方向与InGaN阱内能带的倾斜方向相反，从而可以利用InGaN阱内的极化电场阻碍电子的扩散运动。这相当于利用InGaN阱内极化效应引起的能带倾斜增大了有效的势垒高度，增加了电子越过GaN势垒的难度，从而减小了电子的逃逸，增强了InGaN阱对电子的捕获能力。相应地，可以减小电子的泄漏电流，使得器件的发光效率获得明显的提升。因此，采用本专利技术的InGaN/GaN异质结构将显著优化InGaN基发光器件的性能，包括抑制LED的droop效应，降低激光器的阈值电流密度等。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明如后，其中：图1是本专利技术中InGaN/GaN异质外延结构示意图。图2是本专利技术中InGaN/GaN异质外延结构生长方法流程图。图3是本专利技术实施例中PN结内InGaN/GaN多量子阱区的能带示意图。图4是用于比较的传统外延结构PN结内多量子阱区的能带示意图具体实施方式本专利技术提供的一种InGaN/GaN异质外延结构，请参阅图1所示，包括：一衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN层12，其生长在衬底11上。该GaN层12的厚度为1-3μm；一InGaN有源区13，其生长在GaN层12上。该InGaN有源区13的总厚度为10-100nm；一GaN层14，其生长在有源区14上。该GaN层14的厚度为100-800nm；其中，所述的GaN层12为故意掺杂的P型层，其Mg的掺杂浓度大于1×1019/cm3。所述的InGaN有源区13为非故意掺杂区，其本底杂质浓度小于5×1017/cm3。所述的GaN层14为故意掺杂的N型层，其Si的掺杂浓度大于1×1018/cm3。所述的InGaN有源区13为周期性重复排列的InGaN/GaN多量子阱结构，其中，InGaN阱层厚度为1-5nm，In含量为10％-50％，GaN垒层厚度为10-30nm。本专利技术还提供了一种InGaN/GaN异质外延结构的生长方法，请参阅图2所示，包括以下步骤：步骤1：取一衬底11，该衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓。将所述衬底11在1000-1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5-20mins，然后进行氮化处理。步骤2：在该衬底11上依次生长GaN层12(生长温度为850-1050℃，生长时间为80-300mins，P型Mg掺杂浓度大于1×1019/cm3)、InGaN有源区13(非故意掺杂的本底载流子浓度小于5×1017/cm3)、GaN层14(生长温度为1000-1200℃，生长时间为4-50mins，Si掺杂浓度大于1×1018/cm3)，随后，将反应室的温度降至800℃以下，在氮气气氛退火10-20mins，再降至室温，完成生长。其中，所述的InGaN有源区13由重复生长的多个周期排列的InGaN阱层(生长温度为650-850℃，生长时间为20-200s，In含量为10％-50％)和GaN垒层(生长温度为850-1050℃，生长时间为200-800s)组成。生长的InGaN/GaN多量子阱结构的周期数至少大于2，可根据实际需要适当增加周期数，以及调整阱/垒层的厚度及In含量的大小。本实施例以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。采用本实施例获得的多量子阱结构的InGaN有源区13的能带示意图，如图3所示。其中箭头方向为材料外延生长方向，左侧P型区表示P型GaN层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种InGaN/GaN异质外延结构，包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN层，其生长在衬底上；一InGaN有源区，其生长在GaN层上；一GaN层，其生长在InGaN有源区上。

【技术特征摘要】
1.一种InGaN/GaN异质外延结构，包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN层，其生长在衬底上；一InGaN有源区，其生长在GaN层上；一GaN层，其生长在InGaN有源区上。2.根据权利要求1所述的InGaN/GaN异质外延结构，其中GaN层为故意掺杂的P型层。3.根据权利要求1所述的InGaN/GaN异质外延结构，其中InGaN有源区为非故意掺杂区。4.根据权利要求1所述的InGaN/GaN异质外延结构，其中GaN层为故意掺杂的N型层。5.根据权利要求1所述的InGaN/GaN异质外延结构，其中InGaN有源区为In含量大于1％的InGaN/GaN多量子阱或InGaN单层材料。6.一种InGaN...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘炜，赵德刚，陈平，刘宗顺，朱建军，江德生，杨静，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11