本發(fā)明涉及發(fā)光二極管制造領域，尤其涉及一種GaN基發(fā)光二極管外延結構及其制備方法。

背景技術：

以GaN為代表的III-V族氮化物材料在近十年來得到了廣泛的研究、發(fā)展及應用。如圖1所示，所述的GaN基發(fā)光二極管的外延結構依次包含：設置在襯底1’上的成核層2’，設置在成核層2’上的GaN層3’，設置在GaN層3’上的N型GaN層4’，設置在N型GaN層4’上的多量子阱（MQW）發(fā)光層5’，以及設置在多量子阱發(fā)光層5’上的P型GaN層6’。GaN基高效發(fā)光二極管具有壽命長、節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著特點，已被廣泛應用于照明、大屏幕顯示、交通信號、多媒體顯示和光通訊領域。

但是，GaN基發(fā)光二極管（LED）的發(fā)光效率會受到眾多因素的影響導致發(fā)光效率偏低，嚴重制約了GaN半導體發(fā)光二極管作為高亮度、高功率器件在照明領域的商業(yè)應用。因而，如何提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率，受到了全世界研發(fā)者和制造者的廣泛關注。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種GaN基發(fā)光二極管外延結構及其制備方法，通過在多量子阱發(fā)光層交替生長AlN材料和GaN材料而得到準AlGaN合金勢壘層，超晶格準AlGaN合金勢壘層與GaN層之間形成電學性能良好的二維電子氣結構，形成更高的電子濃度和更高的電子遷移率，并且能有效增強電子的橫向擴展能力，降低器件本身的壓電場效應，有效降低正向電壓，提高了載流子的注入效率，進而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種GaN基發(fā)光二極管外延結構，包含：

設置在襯底上的成核層；

設置在成核層上的未摻雜GaN層；

設置在未摻雜GaN層上的N型GaN層；

設置在N型GaN層上的多量子阱發(fā)光層；

以及，設置在多量子阱發(fā)光層上的P型GaN層；

所述的多量子阱發(fā)光層包含：多個疊加的勢壘勢阱周期對，該勢壘勢阱周期對包含InGaN勢阱層和設置在InGaN勢阱層上的準AlGaN合金勢壘層，最底層的勢壘勢阱周期對設置在N型GaN層上，最頂層的勢壘勢阱周期對上設置P型GaN層，該勢壘勢阱周期對的數(shù)量n滿足2 ≤ n ≤ 30；

所述的準AlGaN合金勢壘層包含：多個疊加的循環(huán)層，該循環(huán)層包含未摻雜AlN層和設置在未摻雜AlN層上的未摻雜GaN層，最底層的循環(huán)層設置在InGaN勢阱層上，最頂層的循環(huán)層上設置P型GaN層，該循環(huán)層的數(shù)量m滿足1 ≤m ≤ 20。

所述的InGaN勢阱層的厚度為0.5nm~5nm，InGaN勢阱層中In組分為15~20%，所述的準AlGaN合金勢壘層的總厚度為1-30nm，未摻雜AlN層與未摻雜GaN層）的厚度比為0.2-5，未摻雜AlN層中Al組分為10%-50%。

所述的襯底采用藍寶石，或GaN，或硅，或碳化硅。

所述的成核層的材料為未摻雜的GaN，厚度為15~50nm。

所述的未摻雜GaN層和N型GaN層的總厚度為1.5~8um，所述的N型GaN層的Si摻雜濃度為1e18~3e19。

所述的P型GaN層的厚度為30~500nm，P型GaN層的Mg摻雜濃度為1e18~2e20。

本發(fā)明還提供一種GaN基發(fā)光二極管外延結構的制備方法，包含以下步驟：

步驟S1、在襯底上沉積生長成核層；

步驟S2、在成核層上沉積生長未摻雜GaN層，并在未摻雜GaN層上生長N型GaN層；

步驟S3、在N型GaN層上沉積生長多量子阱發(fā)光層；

在N型GaN層上沉積生長一層InGaN勢阱層，在該InGaN勢阱層上沉積生長準AlGaN合金勢壘層，形成第一對勢壘勢阱周期對；

在第一對勢壘勢阱周期對中的準AlGaN合金勢壘層上沉積生長一層InGaN勢阱層，在該InGaN勢阱層上沉積生長準AlGaN合金勢壘層，形成第二對勢壘勢阱周期對；

繼續(xù)在第二對勢壘勢阱周期對上沉積生長第三對勢壘勢阱周期對，以此類推，沉積生長n個勢壘勢阱周期對；

所述的勢壘勢阱周期對的數(shù)量n滿足2 ≤ n ≤ 30；

所述的生長準AlGaN合金勢壘層的步驟具體包含：

在InGaN勢阱層上沉積生長一層未摻雜AlN層，在該未摻雜AlN層上沉積生長未摻雜GaN層，形成第一層循環(huán)層；

在第一層循環(huán)層中的未摻雜GaN層上沉積生長一層未摻雜AlN層，在該未摻雜AlN層上沉積生長未摻雜GaN層，形成第二層循環(huán)層；

繼續(xù)在第二層循環(huán)層上沉積生長第三層循環(huán)層，以此類推，沉積生長m個循環(huán)層；

所述的循環(huán)層的數(shù)量m滿足1 ≤m ≤ 20；

步驟S4、在多量子阱發(fā)光層上沉積生長P型GaN層。

所述的成核層的生長溫度為400~700℃。

所述的生長未摻雜GaN層的步驟包含：在NH₃氣氛下通入Ga源生成未摻雜的GaN層。

所述的生長N型GaN層的步驟包含：在沉積生長未摻雜GaN的過程中，通入SiH4-硅烷摻雜形成N型GaN層，N型GaN層的Si摻雜濃度為1e18~3e19。

所述的未摻雜GaN層和N型GaN層的生長溫度為800~1200℃。

所述的多量子阱發(fā)光層的生長溫度為600℃~900℃。

所述的生長InGaN勢阱層的步驟包含：在沉積生長未摻雜GaN的過程中，通入TMIn形成InGaN勢阱層，InGaN勢阱層中In組分為15~20%。

所述的生長未摻雜AlN層的步驟包含：在NH₃氣氛下通入TMAl形成未摻雜AlN層，未摻雜AlN層501中Al組分為10%-50%。

所述的生長P型GaN層的步驟包含：在沉積生長未摻雜GaN的過程中，通入MgCp₂形成P型GaN層，P型GaN層中Mg摻雜濃度為1e18~2e20。

所述的P型GaN層的生長溫度為800℃~1100℃。

本發(fā)明通過在多量子阱發(fā)光層交替生長AlN材料和GaN材料而得到準AlGaN合金勢壘層，超晶格準AlGaN合金勢壘層與GaN層之間形成電學性能良好的二維電子氣結構，形成更高的電子濃度和更高的電子遷移率，并且能有效增強電子的橫向擴展能力，降低器件本身的壓電場效應，有效降低正向電壓，提高了載流子的注入效率，進而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

附圖說明

圖1是背景技術中GaN基發(fā)光二極管外延結構的示意圖。

圖2是本發(fā)明提供的一種GaN基發(fā)光二極管外延結構的示意圖。

圖3是多量子阱發(fā)光層的結構示意圖。

圖4是準AlGaN合金勢壘層的結構示意圖。

圖5是本發(fā)明提供的一種GaN基發(fā)光二極管外延結構的詳細示意圖。

具體實施方式

以下根據(jù)圖2～圖5，具體說明本發(fā)明的較佳實施例。

如圖2所示，本發(fā)明提供一種GaN基發(fā)光二極管外延結構，包含：

設置在襯底1上的成核層2；

設置在成核層2上的未摻雜GaN層3；

設置在未摻雜GaN層3上的N型GaN層4；

設置在N型GaN層4上的多量子阱發(fā)光層5；

以及，設置在多量子阱發(fā)光層5上的P型GaN層6。

如圖3和圖5所示，所述的多量子阱發(fā)光層5包含：多個疊加的勢壘勢阱周期對，該勢壘勢阱周期對包含InGaN勢阱層501和設置在InGaN勢阱層501上的準AlGaN合金勢壘層502，最底層的勢壘勢阱周期對設置在N型GaN層4上，最頂層的勢壘勢阱周期對上設置P型GaN層6，該勢壘勢阱周期對的數(shù)量n滿足2 ≤ n ≤ 30；

所述的InGaN勢阱層501的厚度為0.5nm~5nm，InGaN勢阱層501中In組分為15~20%；

如圖4和圖5所示，所述的準AlGaN合金勢壘層502包含：多個疊加的循環(huán)層，該循環(huán)層包含未摻雜AlN層5021和設置在未摻雜AlN層5021上的未摻雜GaN層5022，最底層的循環(huán)層設置在InGaN勢阱層501上，最頂層的循環(huán)層上設置P型GaN層6，該循環(huán)層的數(shù)量m滿足1 ≤m ≤ 20。

所述的準AlGaN合金勢壘層502的總厚度為1-30nm，未摻雜AlN層5021與未摻雜GaN層5022的厚度比為0.2-5，未摻雜AlN層5021中Al組分為10%-50%。

所述的襯底1采用適合GaN及其半導體外延材料生長的材料，如藍寶石、GaN、硅、碳化硅等單晶。

所述的成核層2的材料為未摻雜的GaN，厚度為15~50nm。

所述的未摻雜GaN層3和N型GaN層4的總厚度為1.5~8um。

所述的N型GaN層4的Si摻雜濃度為1e18~3e19。

所述的P型GaN層6的厚度為30~500nm，P型GaN層6的Mg摻雜濃度為1e18~2e20。

本發(fā)明還提供一種GaN基發(fā)光二極管外延結構的制備方法，包含以下步驟：

步驟S1、在襯底上沉積生長成核層；

所述的襯底采用適合GaN及其半導體外延材料生長的材料，如藍寶石、GaN、硅、碳化硅等單晶；

成核層的材料為未摻雜的GaN，生長溫度為400~700℃，成核層的厚度為15~50nm；

所述的生長未摻雜GaN層的步驟包含：在NH₃氣氛下通入Ga源生成未摻雜的GaN層；

步驟S2、在成核層上沉積生長未摻雜GaN層，并在未摻雜GaN層上生長N型GaN層；

所述的生長未摻雜GaN層的步驟包含：在NH₃氣氛下通入Ga源生成未摻雜的GaN層；

所述的生長N型GaN層的步驟包含：在沉積生長未摻雜GaN的過程中，通入SiH4-硅烷摻雜形成N型GaN層；

未摻雜GaN層和N型GaN層的生長溫度為800~1200℃，未摻雜GaN層和N型GaN層的總厚度為1.5~8um，N型GaN層的Si摻雜濃度為1e18~3e19；

步驟S3、在N型GaN層上沉積生長多量子阱發(fā)光層；

在N型GaN層上沉積生長一層InGaN勢阱層，在該InGaN勢阱層上沉積生長準AlGaN合金勢壘層，形成第一對勢壘勢阱周期對；

在第一對勢壘勢阱周期對中的準AlGaN合金勢壘層上沉積生長一層InGaN勢阱層，在該InGaN勢阱層上沉積生長準AlGaN合金勢壘層，形成第二對勢壘勢阱周期對；

繼續(xù)在第二對勢壘勢阱周期對上沉積生長第三對勢壘勢阱周期對，以此類推，沉積生長n個勢壘勢阱周期對；

所述的勢壘勢阱周期對的數(shù)量n滿足2 ≤ n ≤ 30，多量子阱發(fā)光層的生長溫度為600℃~900℃，InGaN勢阱層的厚度為0.5nm~5nm，InGaN勢阱層中In組分為15~20%，準AlGaN合金勢壘層的厚度為1-30nm；

所述的生長InGaN勢阱層的步驟包含：在沉積生長未摻雜GaN的過程中，通入TMIn（三甲基銦）形成InGaN勢阱層，TMIn的流量決定了In的組分百分比；

所述的生長準AlGaN合金勢壘層的步驟具體包含：

在InGaN勢阱層上沉積生長一層未摻雜AlN層，在該未摻雜AlN層上沉積生長未摻雜GaN層，形成第一層循環(huán)層；

在第一層循環(huán)層中的未摻雜GaN層上沉積生長一層未摻雜AlN層，在該未摻雜AlN層上沉積生長未摻雜GaN層，形成第二層循環(huán)層；

繼續(xù)在第二層循環(huán)層上沉積生長第三層循環(huán)層，以此類推，沉積生長m個循環(huán)層；

所述的循環(huán)層的數(shù)量m滿足1 ≤m ≤ 20，未摻雜AlN層與未摻雜GaN層厚度比為0.2-5，未摻雜AlN層501中Al組分為10%-50%；

所述的生長未摻雜GaN層的步驟包含：在NH₃氣氛下通入Ga源生成未摻雜的GaN層；

所述的生長未摻雜AlN層的步驟包含：在NH₃氣氛下通入TMAl（三甲基鋁）形成未摻雜AlN層，TMAl的流量決定了Al的組分百分比；

步驟S4、在多量子阱發(fā)光層上沉積生長P型GaN層；

所述的生長P型GaN層的步驟包含：在沉積生長未摻雜GaN的過程中，通入MgCp₂（二茂鎂）形成P型GaN層；

P型GaN層的生長溫度為800℃~1100℃，P型GaN層的厚度為30~500nm，P型GaN層中Mg摻雜濃度為1e18~2e20。

本發(fā)明通過在多量子阱發(fā)光層采用AlN和GaN材料交替生長得到準AlGaN合金勢壘層，超晶格的準AlGaN合金勢壘層與GaN層之間形成電學性能良好的二維電子氣（2DEG），該二維電子氣結構會形成更高的電子濃度和更高的電子遷移率，并且能有效增強電子的橫向擴展能力，降低器件本身的壓電場效應，提高了載流子的注入效率，進而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率，同時還能夠有效降低正向電壓，利用本發(fā)明制成的200um×500um尺寸LED器件，在60mA測試電流下，正向電壓Vf降低了0.05-0.1V。

盡管本發(fā)明的內容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。