[发明专利]一种GaN基LED外延结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。

目前，商业化大规模LED外延片制备多采用MOCVD方式制成。由于缺乏与GaN晶格匹配的衬底，GaN基LED外延片都是采用异质外延的方式在其他材料的衬底上制备而成。常用异质外延衬底为蓝宝石(Al₂O₃)、碳化硅(SiC)等；由于GaN与衬底之间的晶格失配及热膨胀系数差异均很大，无法直接生长高质量的GaN外延结构。

现有常规的GaN基LED外延结构一般采用两步生长法，以蓝宝石衬底为例，先在低温环境下(400℃～700℃)生长一层底层GaN成核层，该层由于在低温下生长，未能形成二维层状生长，但可形成GaN成核晶种，为下一步形成高质量的二维层状生长奠定成核条件；其次升高温度至1000℃以上，配合以适当的生长速率及五三比，即可形成较高质量的GaN层结构；最后，在此较高质量的未掺杂的GaN结构层上，继续生长出n-GaN层，MQW有源层及p-GaN层，形成完整的GaN基LED外延结构。

尽管上述两步生长法可以规避由于衬底与GaN晶格失配及热失配差异很大从而造成的GaN结晶质量不高、翘曲应力大的问题，已经取得不错效果，且被广泛应用于商业化规模生产中，但采用该制备方式仍然存在一些问题。例如，低温GaN成核层和高温非掺杂GaN缓冲层生长后，其表面平整度只能达到几十个nm级的相对高度差，代表其GaN结晶性仍未有更高质量的改善，这点在高功率器件制作上，表现尤为明显。另一方面，为了降低LED生产成本，现有商业化生产越来越多地引入更大尺寸的外延垒晶及芯片制程技术，如从现有2英寸衬底及外延片向4英寸、6英寸以及8英寸的衬底及外延片发展，从而提高单位时间产出，大幅降低生产成本。更大尺寸的衬底及外延片，由于晶格不匹配及热膨胀系数不匹配，会造成更大的翘曲及晶格应力，无法形成在原有的2英寸小尺寸外延片上实现的较好的二维层状生长结构，导致GaN底层结晶性较低，表面粗糙度大，生长完全结构后，电性良率偏低，且波长良率低，最终无法实现更大尺寸外延片(如4英寸及以上)规模化量产。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构依次包括：

衬底；

位于衬底上的GaN成核层；

位于GaN成核层上的超晶格缓冲层，所述超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构；

位于超晶格缓冲层上的非掺杂GaN层；

位于非掺杂GaN层上的N型GaN层；

位于N型GaN层上的多量子阱发光层；

位于多量子阱发光层上方的P型GaN层。

作为本发明的进一步改进，所述超晶格缓冲层为由2～10对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构。

作为本发明的进一步改进，所述超晶格缓冲层的总厚度为10nm～40nm。

作为本发明的进一步改进，所述超晶格缓冲层中，AlGaN缓冲层的总厚度为5nm～25nm，AlN缓冲层的总厚度为1nm～5nm，GaN缓冲层的总厚度为2nm～15nm。

作为本发明的进一步改进，所述AlGaN缓冲层中的Al组份含量为10％-50％。

作为本发明的进一步改进，所述P型GaN层上方还包括P型GaN接触层。

相应地，一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括：

S1、提供一衬底；

S2、在衬底上生长GaN成核层；

S3、在GaN成核层上生长超晶格缓冲层，所述超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构；

S4、在超晶格缓冲层上生长非掺杂GaN层；