一種led外延結(jié)構(gòu)及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體光電器件領(lǐng)域，尤其涉及一種LED外延結(jié)構(gòu)及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(英文為Light Emitting D1de，簡稱LED)是一種半導體固體發(fā)光器件，其利用半導體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以直接將電轉(zhuǎn)換為光?，F(xiàn)階段InGaN/GaN發(fā)光二極管被視為當今最有潛力的發(fā)光源，但是因為P-GaN材料較低的空穴濃度和較低的空穴迀移率，在多量子阱(MQW)中注入深度比較有限，嚴重限制了 GaN基LED發(fā)光效率的進一步提升。
[0003]目前越來越多理論研究和試驗結(jié)果，證實V型缺陷是GaN基LED中非常重要的空穴注入通道，極大地提高了空穴注入效率。常規(guī)結(jié)構(gòu)自然形成的V型坑(Pits)的原理是超晶格生長層溫度較低，氮化物(如GaN)側(cè)向外延能力較差，此時穿透位錯會形成V型坑(Pits)，但是通過TEM和AFM分析可以發(fā)現(xiàn)V型坑(Pits)的形成初始位置比較一致，V型坑(Pits)的尺寸也比較一致，導致在特定的量子阱(QW)位置空穴注入效率較高，而其它量子阱(QW)注入效率較低，從而影響了發(fā)光效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:提供一種LED外延結(jié)構(gòu)及制作方法，通過在超晶格生長過程中插入至少一層顆粒介質(zhì)層，以形成不同寬度和深度的V型坑，從而明顯改善LED中空穴注入效率和空穴在MQW中的空間分布，提高所有QW對空穴的利用效率及LED的發(fā)光效率。
[0005]本發(fā)明的第一方面，提供一種高空穴注入效率LED外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)從下至上依次包括:襯底、第一導電類型半導體層、超晶格、多量子阱層以及第二導電類型半導體層，其特征在于:在所述超晶格中至少插入一層顆粒介質(zhì)層，所述顆粒介質(zhì)層用于在所述超晶格中形成不同寬度和深度的V型坑，多量子阱層填充所述V型坑并位于超晶格頂表面上。
[0006]優(yōu)選地，在所述襯底上形成緩沖層，材質(zhì)優(yōu)選InAlGaN。
[0007]優(yōu)選地，所述第一導電類型半導體層包括N-GaN層，或者包括U-GaN層及N-GaN層。
[0008]優(yōu)選地，所述第二導電類型半導體層包括P-GaN層，或者包括電子阻擋層以及P-GaN層，或者包括電子阻擋層、P-GaN層以及接觸層。
[0009]優(yōu)選地，所述顆粒介質(zhì)層的粒徑為0.5~5nm，所述V型坑的寬度為50~500nm。
[0010]優(yōu)選地，所述V型坑深度H取決于超晶格總厚Tl、多量子阱層總厚T2及顆粒介質(zhì)層在超晶格層中的位置，并滿足T2〈H〈T1+T2。
[0011]優(yōu)選地，所述顆粒介質(zhì)層的密度為與V型坑密度基本對應，密度介于I X 107cm 2至I X 109cm 2O
[0012]優(yōu)選地，所述顆粒介質(zhì)層材質(zhì)為氮化鎂(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化鈦(TixOy)或氧化鋯(ZrxOy)或氧化鉿(HfxOy)或氧化鉭(TaxOy)或其組合。
[0013]本發(fā)明的第二方面，再提供一種LED外延結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下工藝步驟:
(1)提供一襯底；
(2)在所述襯底上生長第一導電類型半導體層；
(3)在所述第一導電類型半導體層上生長超晶格，在超晶格生長過程中至少插入一層顆粒介質(zhì)層，所述顆粒介質(zhì)層用于在所述超晶格中形成不同寬度和深度的V型坑；
(4)在所述V型坑及所述超晶格頂表面上生長多量子阱層；
(5)在所述多量子阱層上生長第二導電類型半導體層。
[0014]優(yōu)選地，在所述襯底上生長緩沖層，材質(zhì)優(yōu)選InAlGaN。
[0015]優(yōu)選地，所述第一導電類型半導體層包括N-GaN層，或者包括U-GaN層及N-GaN層。
[0016]優(yōu)選地，所述第二導電類型半導體層包括P-GaN層，或者包括電子阻擋層以及P-GaN層，或者包括電子阻擋層、P-GaN層以及接觸層。
[0017]優(yōu)選地，所述顆粒介質(zhì)層的粒徑為0.5~5nm，所述V型坑的寬度為50~500nm。
[0018]優(yōu)選地，所述V型坑深度H取決于超晶格總厚Tl、多量子阱層總厚T2及顆粒介質(zhì)層在超晶格層中的位置，并滿足T2〈H〈T1+T2。
[0019]優(yōu)選地，所述顆粒介質(zhì)層密度與V型坑密度基本對應，密度介于IX 107cm 2至I X 109cm 2O
[0020]優(yōu)選地，所述顆粒介質(zhì)層材質(zhì)為氮化鎂(MgxNy)或氮化硅(SixNy)或氧化硅(SixOy)或氧化鈦(TixOy)或氧化鋯(ZrxOy)或氧化鉿(HfxOy)或氧化鉭(TaxOy)或其組合。
[0021]優(yōu)選地，所述超晶格的生長溫度為700~900°C。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟(3)中，在超晶格生長過程中至少插入一層顆粒介質(zhì)層，由于超晶格的生長溫度較低，側(cè)向外延能力較弱，容易自外延表面于顆粒介質(zhì)層處形成V型坑。
[0023]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，至少包括以下技術(shù)效果:本發(fā)明通過在超晶格生長過程中引入并控制顆粒介質(zhì)層的層數(shù)、位置和生長條件，來調(diào)整微顆粒的產(chǎn)生次數(shù)、位置、密度，從而控制V型坑的不同深度和密度的匹配，以改變空穴的注入效果，有效提高空穴注入效率以及在所有量子阱(QW)中的分布均勻性，提高LED的發(fā)光效率。
【附圖說明】
[0024]附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。
[0025]圖中標示:1:襯底；2:緩沖層；3:U-GaN 層；4:N_GaN 層；5:超晶格;6 (6A、6B、6C):顆粒介質(zhì)層；7:多量子阱層；8:電子阻擋層；9:P-GaN層；10:接觸層。
[0026]圖1為本發(fā)明制作的LED外延結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明制作的LED外延結(jié)構(gòu)的俯視示意圖。
[0028]圖3為不同深度V型坑空穴注入在MQW中的位置示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合示意圖對本發(fā)明進行詳細的描述，在進一步介紹本發(fā)明之前，應當理解，由于可以對特定的實施例進行改造，因此，本發(fā)明并不限于下述的特定實施例。還應當理解，由于本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求限定，因此所采用的實施例只是介紹性的，而不是限制性的。除非另有說明，否則這里所用的所有技術(shù)和科學用語與本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所普遍理解的意義相同。
[0030]實施例1
請參照圖1和圖2，本實施例提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括:襯底1、緩沖層2、包括U-GaN層3和N-GaN層4的第一導電類型半導體層、超晶格5、多量子阱層7以及包括電子阻擋層8、P-GaN層9以及接觸層10的第二導電類型半導體層，在所述超晶格中至少插入一層顆粒介質(zhì)層6，所述顆粒介質(zhì)層6用于在所述超晶格中形成不同寬度和深度的V型坑，多量子阱層7填充V型坑并位于所述超晶格之上。
[0031]具體來說，本實施例的襯底I選用藍寶石(A1203)、SiC、GaAs, GaN、ZnO, S1、GaP,InP以及Ge中的至少一種，優(yōu)選平片藍寶石襯底，盡管圖中未示出，但是藍寶石襯底也可以是圖形化藍寶石襯底(PSS)，因此，實施例不限于此。
[0032]緩沖層2材質(zhì)選用InAlGaN半導體材料，形成于襯底I上，以減少由于襯底I和第一導電類型半導體層之間的晶格常數(shù)差而導致的晶格錯配，改善外延生長質(zhì)量。
[0033]U-GaN層3和N-GaN層4構(gòu)成第一導電類型半導體層，依次形成于緩沖層2上，U-GaN層3能夠減少由于襯底I和N-GaN層4之間的晶格常數(shù)差導致的晶格錯配。而且，U-GaN層3能夠增強形成在該層上的半導體層結(jié)晶性能。
[0034]