[发明专利]InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法

说明书

一种InGaN/GaN异质外延结构及生长方法，外延结构包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一GaN层，其生长在衬底上；一InGaN有源区，其生长在GaN层上；一GaN层，其生长在InGaN有源区上。本发明可以将显著提高InGaN基太阳能电池的能量转换效率。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法，其可以用于半导体光电器件的制作。

背景技术

由于具有可调的直接带隙结构，InGaN材料已经被成功的应用于显示与照明领域，如蓝光发光二极管(LED)等。此外，若将InGaN材料用于光伏能源领域，将有望获得光电转换效率较高的多结InGaN太阳能电池。目前，所有以PN结为基本结构的InGaN基半导体光电器件都是在N型掺杂的GaN层上先外延生长InGaN有源区，然后再生长P型GaN层。众所周知，PN结内的内建电场的方向是由N区指向P区，因此，传统结构PN结内建电场的指向是沿着InGaN材料的外延生长方向，即由衬底一侧指向顶层。另一方面，由于InGaN材料具有压电极化特性，在GaN层上共格生长的InGaN材料由于受到压应力的作用会在材料内部形成压电极化电场。该极化电场的方向指向衬底，即与外延生长方向相反，也就与PN结内建电场的方向相反。这种内建电场与极化电场相反的情况会对InGaN基光电器件的性能产生很多消极的影响。例如，在InGaN基光伏器件中，InGaN有源区内的极化电场会阻碍PN结内建电场对光生载流子的收集，从而导致太阳能电池能量转换效率的降低。

一般地，人们试图通过降低极化电场的强度来减弱压电效应对器件性能的不利影响。然而，随着InGaN材料中In含量的增多，极化效应会越来越显著，这使得显著地减小或者彻底消除极化效应的影响变得非常困难。另一方面，除了直接地减小极化电场强度外，通过优化材料外延生长结构，减小极化效应对载流子输运效率的影响，从而抑制极化电场所引起的一些不利因素，也可以提高InGaN基光电器件的性能。

发明内容

本发明提出了一种InGaN/GaN异质外延结构及其生长方法，其目的在于通过调整P型和N型层的位置，改变了PN结内建电场的指向，调换了电子/空穴的注入方向，从而优化了有源区内载流子的输运特性，提高了InGaN基光电子器件的性能。

本发明提供一种InGaN/GaN异质外延结构，包括：

一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；

一GaN层，其生长在衬底上；

一InGaN有源区，其生长在GaN层上；

一GaN层，其生长在InGaN有源区上。

本发明还提供一种InGaN/GaN异质外延结构的生长方法，包括以下步骤：

步骤1：取一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；

步骤2：在该衬底上依次生长GaN层、InGaN有源区、GaN层，完成生长。

本发明有以下有益效果：

1、本发明提出的一种InGaN/GaN异质外延结构，其可以用于InGaN基光伏器件的制备。由于在本发明中调整了P型和N型层的位置，InGaN有源区内的极化电场方向与PN结的内建电场方向是相同的，消除了传统InGaN基PN结结构中由于极化电场方向与内建电场方向相反而导致的极化电场对光生载流子漂移运动的阻碍作用，提高了载流子的收集效率。因此，采用本发明的外延结构，将显著提高InGaN基太阳能电池的能量转换效率。