半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件技术

本发明专利技术揭示了一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件，所述半导体外延结构包括衬底及位于衬底上的有源区结构，所述有源区结构从下向上依次包括数字合金量子阱层、第一势垒层、量子点层及第二势垒层，所述数字合金量子阱层为(AlN)

【技术实现步骤摘要】
半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件


[0001]本专利技术属于半导体
，具体涉及一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件。

技术介绍

[0002]以氮化物及其多元化合物为代表的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、辐射复合效率高、热导率高和化学稳定性好等特点，其禁带宽度可以从0.67eV到6.2eV连续可调，并且作为直接带隙半导体，氮化物半导体是制作紫外和可见光波段光电器件的理想材料，目前基于GaN基光电器件也已取得了很大的发展，其有源区主要采用InGaN/GaN多量子阱结构。
[0003]GaN基半导体材料属于纤锌矿结构单轴晶体，其发光偏振会影响光电器件光的偏振特性以TM(Transverse magntic，横磁波)偏振模式为主导，会导致较高的器件发热和低的LEE(单位时间内溢出的光子数)。
[0004]GaN基半导体光电器件已取得了很大的发展，但仍然存在着不少问题，比如Green gap和Droop问题，随着In组分的增加，InGaN和GaN之间晶格失配度增大，这不仅使得材料中产生较大的极化电场，导致严重的量子限制斯塔克效应，而且外延层中的位错密度也会增大，极大限制GaN基光电器件的发光性能。
[0005]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种半导体外延结构及其制备方法、半导体光电器件。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术一实施例提供的技术方案如下：
[0008]一种半导体外延结构，所述半导体外延结构包括衬底及位于衬底上的有源区结构，所述有源区结构从下向上依次包括数字合金量子阱层、第一势垒层、量子点层及第二势垒层，所述数字合金量子阱层为(AlN)
m
/(GaN)
n
超晶格结构、或(GaN)
m
/(InN)
n
超晶格结构、或(AlN)
m
/(InN)
n
超晶格结构，其中，m+n＝6。
[0009]一实施例中，所述数字合金量子阱层的厚度为1～100nm。
[0010]一实施例中，所述量子点层为InGaN量子点层，厚度为1～30nm；和/或，
[0011]所述第一势垒层为GaN势垒层，厚度为1～50nm；和/或，
[0012]所述第二势垒层为GaN势垒层，厚度为1～100nm。
[0013]一实施例中，所述衬底为蓝宝石氮化镓模板、蓝宝石衬底、氮化镓自支撑衬底、硅衬底中的任意一种；和/或，
[0014]所述衬底与有源区结构之间生长有GaN缓冲层，厚度为10～500nm。
[0015]本专利技术另一实施例提供的技术方案如下：
[0016]一种半导体外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
[0017]S1、提供一衬底；
[0018]S2、在衬底上依次外延生长第一量子阱层和第二量子阱层，形成数字合金量子阱层，数字合金量子阱层为(AlN)
m
/(GaN)
n
超晶格结构、或(GaN)
m
/(InN)
n
超晶格结构、或(AlN)
m
/(InN)
n
超晶格结构，其中，m+n＝6；
[0019]S3、在数字合金量子阱层上外延生长第一势垒层；
[0020]S4、在第一势垒层上外延生长量子点层；
[0021]S5、在量子点层上外延生长第二势垒层。
[0022]一实施例中，所述步骤S2具体为：
[0023]在衬底上依次外延生长AlN层和GaN层，形成(AlN)
m
/(GaN)
n
超晶格结构的数字合金量子阱层，AlN的生长时间为10～15s，生长温度为750～800℃，GaN的生长时间为3～5s，生长温度为650～700℃；或，
[0024]在衬底上依次外延生长GaN层和InN层，形成(GaN)
m
/(InN)
n
超晶格结构的数字合金量子阱层，GaN的生长时间为10～15s，生长温度为650～700℃，InN的生长时间为3～5s，生长温度为560～630℃；或，
[0025]在衬底上依次外延生长AlN层和InN层，形成(AlN)
m
/(InN)
n
超晶格结构的数字合金量子阱层，AlN的生长时间为10～15s，生长温度为750～800℃，InN的生长时间为3～5s，生长温度为560～630℃。
[0026]一实施例中，所述步骤S3中的第一势垒层为GaN势垒层，生长温度为650～700℃，厚度为1～50nm；和/或，
[0027]所述步骤S4中的量子点层为InGaN量子点层，InGaN量子点层采用SK自组装生长模式，生长温度为580～650℃，厚度为1～30nm；和/或，
[0028]所述步骤S4中的第二势垒层为GaN势垒层，生长温度为650～700℃，厚度为1～100nm。
[0029]一实施例中，所述步骤S1还包括：
[0030]对衬底进行超声清洗，去除衬底表面的有机物；
[0031]在外延装置中对衬底进行预除气和除气工艺；
[0032]对衬底进行烘烤，去除衬底表面的氧化层；
[0033]其中，所述衬底为蓝宝石氮化镓模板、蓝宝石衬底、氮化镓自支撑衬底、硅衬底中的任意一种。
[0034]一实施例中，所述步骤S1后还包括：
[0035]在衬底上外延生长GaN缓冲层，生长温度为750～800℃，厚度为10～500nm。
[0036]本专利技术又一实施例提供的技术方案如下：
[0037]一种半导体光电器件，所述半导体光电器件包括上述的半导体外延结构。
[0038]本专利技术具有以下有益效果：
[0039]本专利技术中通过引入(AlN)
m
/(GaN)
n
超晶格结构、或(GaN)
m
/(InN)
n
超晶格结构、或(AlN)
m
/(InN)
n
超晶格结构作为数字合金量子阱层，并结合量子点层作为复合有源区结构，可以使正向的TE模偏振光成为发光模式的主导，提高了LEE并降低了器件发热；
[0040]量子点结构具有很强的强局域态效应，能够有效束缚载流子，增加其辐射复合系
数，从而提高发光性能和发光效率。
附图说明
[0041]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]图1为本专利技术一具体实施例中半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半导体外延结构，所述半导体外延结构包括衬底及位于衬底上的有源区结构，其特征在于，所述有源区结构从下向上依次包括数字合金量子阱层、第一势垒层、量子点层及第二势垒层，所述数字合金量子阱层为(AlN)
m
/(GaN)
n
超晶格结构、或(GaN)
m
/(InN)
n
超晶格结构、或(AlN)
m
/(InN)
n
超晶格结构，其中，m+n＝6。2.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述数字合金量子阱层的厚度为1～100nm。3.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述量子点层为InGaN量子点层，厚度为1～30nm；和/或，所述第一势垒层为GaN势垒层，厚度为1～50nm；和/或，所述第二势垒层为GaN势垒层，厚度为1～100nm。4.根据权利要求1所述的半导体外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石氮化镓模板、蓝宝石衬底、氮化镓自支撑衬底、硅衬底中的任意一种；和/或，所述衬底与有源区结构之间生长有GaN缓冲层，厚度为10～500nm。5.一种半导体外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：S1、提供一衬底；S2、在衬底上依次外延生长第一量子阱层和第二量子阱层，形成数字合金量子阱层，数字合金量子阱层为(AlN)
m
/(GaN)
n
超晶格结构、或(GaN)
m
/(InN)
n
超晶格结构、或(AlN)
m
/(InN)
n
超晶格结构，其中，m+n＝6；S3、在数字合金量子阱层上外延生长第一势垒层；S4、在第一势垒层上外延生长量子点层；S5、在量子点层上外延生长第二势垒层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：在衬底上依次外延生长AlN层和G...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文献，张雪，陆书龙，金山，魏铁石，邱海兵，顾颖，张鹏，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：