本發明專利技術涉及一種提高發光效率的GaN基LED外延結構及生長方法。該LED外延結構中襯底上由下至上依次有成核層、緩沖層、n型GaN層、多量子阱發光層、P型結構，所述P型結構組成依次為插入層和P型GaN層或者P型GaN層、插入層和P型GaN層；插入層為LD/PAlXInYGa1-X-YN/HD的P型超晶格，LD為低摻雜P型AlUInNGa1-N-UN層，HD為高摻雜P型AlZInWGa1-Z-WN層。本發明專利技術使用該P型超晶格結構，低摻LD部分防止P型雜質向下方的發光區擴散，高摻HD部分提供大量的空穴；低摻和高摻的結合，在大量提供空穴的情況下，阻擋空穴外溢。同時P型AlInGaN層在阻擋電子的同時，可以有效束縛空穴、提高空穴的橫向擴展。使用本發明專利技術P型結構的GaN基LED可以顯著提高器件的量子效率。
【技術實現步驟摘要】
一種提高發光效率的GaN基LED外延結構及生長方法
本專利技術涉及一種提高發光效率的GaN基LED外延結構及生長方法，屬于光電子芯片結構
技術介紹
半導體發光二極管具有體積小、堅固耐用、發光波段可控性強、光效高、低熱損耗、光衰小、節能、環保等優點，在全色顯示、背光源、信號燈、光電計算機互聯、短距離通信等領域有著廣泛的應用，逐漸成為目前電子電力學領域研究的熱點。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導率、高穩定性等一系列優點，因此在高亮度藍色發光二極管中有著廣泛的應用和巨大的市場前景。照明領域對LED提出越來越高的要求，如何提高GaN基LED的發光效率、亮度和降低生產成本是LED行業關注的焦點。提供可靠的結構來提高光功率，從而大幅度提高LED產品的檔次是當前研發的主要目標。提高光電轉換效率主要依靠提高內量子效率和外量子效率，目前內量子效率的提高已經接近理論的極限狀態，而提升LED組建的光取出效率成為重要的課題。要求設計新的芯片結構來改善出光效率，進而提升發光效率（或外量子效率），目前國內外采用的主要工藝途徑有：倒裝技術、生長DBR反射層結構以及表面粗化技術、側壁腐蝕技術和襯底圖形化技術。P型區是制造GaNLED器件必不可少的重要環節，PGaN結構及其外延生長方法是提高GaN基LED光取出效率的關鍵。由于Mg的鈍化效應(passivation)，用MOCVD技術生長p型GaN時，受主Mg原子在生長過程中被H（氫原子）嚴重鈍化，從而導致未經處理的GaN:Mg電阻率高達10Q·m，必須在生長后對Mg進行激活(Activation)，才能得到應用于器件的P型GaN。提高Mg原子在氮化鎵中的激活效率的一般方法是：高溫生長p-GaN，然后在氮氣氣氛下退火。為了獲得性能良好的P型GaN材料，1989年，H.Amano利用低能電子束輻射(IEEBI)處理摻Mg的GaN，得到了低阻的P型GaN，取得了P型領域的重大突破；1991年，S.Nakamura等專利技術了快速熱退火法(RapidThermalAnnealing)，成功獲得了P型的GaN。但是得到的P型的GaN空穴濃度仍然較低，典型值為2×1017cm-3，比摻雜濃度低2-3個數量級。因此，如何提高P層的空穴濃度成為P型GaN生長的關鍵。為了改善P型結構提高空穴濃度，中國專利文獻CN103050592A公開一種具有P型超晶格的LED外延結構及其制備方法，所提供的P型結構是在P型AlGaN電子阻擋層與第二P型GaN層之間設置由P型InGaN勢阱層及P型AlGaN勢壘層周期性交疊構成的P型超晶格。此方法目前在生長上存在很大困難，InGaN和AlGaN之間的晶格失配使其較難達到P型GaN所需要的厚度和周期個數，使用此方法生長很容易導致外延層晶體質量惡化。CN103346224A公開的“一種GaN基LED的PGaN結構及其外延生長方法”，所涉及GaN基LED的PGaN結構為：P型AluInnGa1-u-nN層、第二非故意摻雜u-GaN層、P型GaN層、接觸層，其中，所述第二非故意摻雜u-GaN層為在生長溫度大于或等于1100攝氏度并且小于或等于1250攝氏度范圍內生長出來的非故意摻雜u-GaN層。本專利技術的GaN基LED的PGaN結構，可以有效阻擋電子并提升空穴濃度，發光效率高，但是，晶體質量很難保證。中國專利文獻CN101521258A利用表面粗化技術改變GaN與空氣接觸面的幾何圖形，從另一方面提升了電子器件發光效率。CN101521258A公開的《一種提高發光二極管外量子效率的方法》，提供了一種粗化方法，是通過提高表面P型GaN的Mg摻雜濃度，從而達到表面粗化的目的。使用重摻Mg的方法進行粗化會使反應室存在Mg原子的記憶效應，減短MOCVD設備的維護周期，不利于生產的穩定性。專利文獻CN1338783A公開的“半導體面發光器件及增強橫向電流擴展的方法”，該方法在半導體面發光器件的n區或p區設計超晶格結構來制造多層二維電子氣或者二維空穴氣，從而提高LED結構的發光效率，可有效提高LED中的載流子濃度。但其存在的不足是采用的AlGaN/GaN超晶格具有晶格失配，導致其Al組分不能很好的得到，減弱了對載流子的限制作用，同時也惡化了晶體質量。
技術實現思路
針對現有技術存在的缺陷，本專利技術提供一種能束縛空穴、阻擋電子，從而提升亮度并且晶格失配小的P型超晶格結構，以解決現有技術中P型AlGaN層對電子阻擋不夠、空穴橫向擴展不均勻造成的發光效率低以及P型區超晶格晶格失配大造成外延片斷裂的不足。本專利技術的技術任務是提供一種提高發光效率的GaN基LED的外延結構及其生長方法，主要是提出了一種“LD/PAlXInYGa1-X-YN/HD”P型超晶格結構及其制備方法，其中，LD為低摻雜PAlUInNGa1-N-UN層，HD為高摻雜PAlZInWGa1-Z-WN層。術語說明：1、LED：發光二極管的簡稱。2、LD：Low-Doped（低摻）p-GaN的簡稱，本專利技術中含義為PAlUInNGa1-N-UN；3、HD：High-Doped(高摻)p-GaN的簡稱，本專利技術中含義為PAlZInWGa1-Z-WN。在LED結構中所謂的摻雜就是指摻Si或摻Mg，本專利技術中低摻、高摻是指摻Mg的濃度的相對高低。典型地如低摻p-GaN層中Mg濃度約為1018/cm-3、高摻p-GaN層中Mg濃度約為1019/cm-3。本專利技術的技術方案如下：一種具有P型超晶格結構的LED外延結構，包括襯底、襯底上由下至上依次有成核層、緩沖層、n型GaN層、多量子阱發光層、P型結構，所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，所述緩沖層是非摻雜的氮化鎵層；所述P型結構組成依次為：插入層和P型GaN層，或者P型GaN層、插入層和P型GaN層；所述插入層為LD/PAlXInYGa1-X-YN/HD的P型超晶格結構，LD為低摻雜PAlUInNGa1-N-UN層，HD為高摻雜PAlZInWGa1-Z-WN層；0＜U＜0.3，0＜N＜0.5；0＜Z＜0.4，0＜W＜0.5；0.05≤X≤0.5，0.1≤Y＜0.6，X+Y≤0.8；LD/PAlXInYGaN1-X-Y/HD的P型超晶格周期為3-20。根據本專利技術，優選的，LD層厚度為5-20nm,其中Mg濃度為0.5×1018/cm-3-4×1018/cm-3；HD層厚度為10-35nm,其中Mg濃度為1.5×1019/cm-3-5×1019/cm-3；AlXInYGa1-X-YN層厚度為10-60nm。根據本專利技術，優選的，0.05＜U＜0.3，0.05≤N＜0.5；0.02≤Z＜0.4，0.02≤W＜0.5；0.1≤X≤0.5，0.15≤Y＜0.6，X+Y≤0.8。根據本專利技術，進一步優選的，所述插入層P型超晶格結構中的PAlXInYGaN1-X-Y為：PAl0.1In0.3Ga0.6N，PAl0.15In0.3Ga0.45N，PAl0.3In0.3Ga0.4N。根據本專利技術，進一步優選的，LD/PAlXInYGaN1-X-Y/HD的P型超晶格的循環周期為5-10。在LED結構中P型區的摻雜濃度主要取決于Mg的濃度，Mg濃度高，則空穴濃度高；Mg濃度過高，則造成Mg與H更多地發生鈍化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種具有P型超晶格結構的LED外延結構，包括襯底、襯底上由下至上依次有成核層、緩沖層、n型GaN層、多量子阱發光層、P型結構，所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，所述緩沖層是非摻雜的氮化鎵層；所述P型結構組成依次為：插入層和P型GaN層，或者P型GaN層、插入層和P型GaN層；所述插入層為LD/PAlXInYGa1?X?YN/HD的P型超晶格結構，LD為低摻雜PAlUInNGa1?N?UN層，HD為高摻雜PAlZInWGa1?Z?WN層；0＜U＜0.3，0＜N＜0.5；0＜Z＜0.4，0＜W＜0.5；0.05≤X≤0.5，0.1≤Y＜0.6，X+Y≤0.8；LD/PAlXInYGaN1?X?Y/HD的P型超晶格周期為3?20。
【技術特征摘要】
1.一種具有P型超晶格結構的LED外延結構，包括襯底、襯底上由下至上依次有成核層、緩沖層、n型GaN層、多量子阱發光層、P型結構，所述成核層是氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層之一，所述緩沖層是非摻雜的氮化鎵層；所述P型結構組成依次為：插入層和P型GaN層，或者P型GaN層、插入層和P型GaN層；所述插入層為LD/PAlXInYGa1-X-YN/HD的P型超晶格結構，LD為低摻雜PAlUInNGa1-N-UN層，HD為高摻雜PAlZInWGa1-Z-WN層；0＜U＜0.3，0＜N＜0.5；0＜Z＜0.4，0＜W＜0.5；0.05≤X≤0.5，0.1≤Y＜0.6，X+Y≤0.8；LD/PAlXInYGaN1-X-Y/HD的P型超晶格周期為3-20。2.如權利要求1所述的具有P型超晶格結構的LED外延結構，其特征在于所述LD層厚度為5-20nm,其中Mg濃度為0.5×1018/cm-3-4×1018/cm-3；HD層厚度為10-35nm,其中Mg濃度為1.5×1019/cm-3-5×1019/cm-3；AlXInYGa1-X-YN層厚度為10-60nm。3.如權利要求1所述的具有P型超晶格結構的LED外延結構，其特征在于：0.05＜U＜0.3，0.05≤N＜0.5；0.02≤Z＜0.4，0.02≤W＜0.5；0.1≤X≤0.5，0.15≤Y＜0.6，X+Y≤0.8。4.如權利要求1所述的具有P型超晶格結構的LED外延結構，其特征在于，所述插入層P型超晶格結構中的PAlXInYGaN1-X-Y為：PAl0.1In0.3Ga0.6N，PAl0.15In0.3Ga0.45N，PAl0.3In0.3Ga0.4N。5.如權利要求1所述的具有P型超晶格結構的LED外延結構，其特征在于，LD/PAlXInYGaN1-X-Y/HD的P型超晶格的循環周期為5-10。6.一種具有P型超晶格結構LED外延結構的制備方法，包括以下步驟：（1）將藍寶石或碳化硅襯底放入金屬有機物化學氣相沉積設備的反應室中，在氫氣氣氛下加熱到1000-...
【專利技術屬性】
技術研發人員：逯瑤，曲爽，王成新，張義，田龍敬，
申請(專利權)人：山東華光光電子有限公司，
類型：發明
國別省市：山東;37
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