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CN103515495B - 一种GaN基发光二极管芯片的生长方法 - Google Patents

一种GaN基发光二极管芯片的生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法，属于半导体技术领域。方法包括：提供一衬底；在衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层；在多量子阱层上生长p型层和电流扩展层；在多量子阱层上生长p型层，具体包括：在多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层，并对第一子层和第二子层进行Mg的掺杂，第一子层在纯氮气气氛下生长，第二子层在纯氢气气氛下生长。本发明通过将第一子层在纯氮气气氛下生长，有利于提高掺杂的Mg的活化，Mg的活化的提高可以提高空穴浓度；第二子层在纯氢气气氛下生长，由于氢气的强还原性，可以减少晶体中的杂质，增加了空穴的注入效率，提高了晶体的质量和芯片的发光效率。

Description

一种GaN基发光二极管芯片的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管芯片的生长方法。
背景技术
当今GaN基发光二极管的应用已经遍布于显示屏、背光源、交通信号灯、景观灯、照明等各个领域。GaN基发光二极管芯片是GaN基发光二极管的核心组成部分。
现有的GaN基发光二极管芯片一般采用异质外延生长方法，由于材料间的晶格常数和热膨胀系数失配，会产生大量的位错和缺陷，又因多量子阱层一般在较低温度生长，其较低的生长温度也会产生大量的位错和缺陷，这些位错和缺陷会延伸至p型层，影响p型层的晶体质量，为了提高p型层的晶体质量，一般会在N2和H2混合气氛下生长p型层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有技术中在N2和H2混合气氛下生长p型层，其提升p型层质量的效果有限，其生长的发光二极管芯片的空穴注入效率不高，发光效率不高。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一GaN基发光二极管芯片的生长方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长p型层和电流扩展层；
所述在所述多量子阱层上生长p型层，具体包括：
在所述多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层，并对所述第一子层和所述第二子层进行Mg的掺杂，所述第一子层在纯氮气气氛下生长，所述第二子层在纯氢气气氛下生长；所述第一子层由AlaInbGaN制成，其中，0≤a<1，0≤b<1；所述第二子层由AlxGayN制成，其中，0≤x<1，0<y<1；
当所述第一子层由AlaInbGaN制成，且0<b<1时，
采用不同的生长温度生长所述第一子层和所述第二子层，所述第一子层的生长温度低于所述第二子层的生长温度；
当所述第一子层由AlaInbGaN制成，且b＝0时，
采用相同的温度生长所述第一子层和所述第二子层。
优选地，所述第一子层和所述第二子层的厚度皆为5～50nm。
优选地，各所述第一子层的组分相同。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：将第一子层在纯氮气气氛下生长，有利于提高第一子层中掺杂的Mg的活化，Mg的活化的提高可以提高空穴浓度，从而增加了空穴注入到多量子阱层的效率；第二子层在纯氢气气氛下生长，由于氢气的强还原性，可以减少晶体中的杂质，提高了晶体的质量；依次交替层叠生长第一子层和第二子层，层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力，应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度，提高了晶体质量；第一子层和第二子层的交替生长形成了超晶格结构，改善了空穴的注入和晶体质量，提高了芯片的发光效率，相对于混气氛围下生长的p型层的芯片，其发光效率可以提高10％～15％。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管芯片的生长方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法，参见图1，该方法包括：
步骤101：提供一衬底。
具体地，在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤102：在衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层。
可选地，在本实施例中，n型层可以为掺杂Si的GaN层。
可选地，在本实施例中，多量子阱层是由InGaN层和GaN层依次交替层叠而成。在生长多量子阱层时，由于In对温度很敏感在高温下容易挥发，为了便于In的生长，InGaN层的生长温度要低一点，而GaN层要求晶体质量要好，温度要适当高些，因此InGaN层的生长温度低于GaN层的生长温度。
步骤103：在多量子阱层上生长p型层，具体包括：
在多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层，并对第一子层和第二子层进行Mg的掺杂，第一子层在纯氮气气氛下生长，第二子层在纯氢气气氛下生长。
优选地，在本实施例中，第一子层和第二子层的厚度皆为5～50nm。第一子层和第二子层的厚度太厚，会吸光，影响芯片的亮度，厚度太薄，生长条件不好控制。显然地，在本实施例中，第一子层和第二子层的厚度可以相同也可以不同。例如，第一子层和第二子层的厚度都为12.5nm；又例如，各第一子层的厚度为10nm，各第二子层的厚度为15nm。
优选地，第二子层由AlxGayN制成，其中，0≤x<1，0<y<1，即第二子层是由AlGaN制成，还可以是GaN制成。
可选地，各第二子层的组分可以相同也可以不同。例如，各第二子层都由GaN制成；又例如，部分第二子层由AlGaN制成，部分第二子层由GaN制成。
优选地，第一子层由AlaInbGaN制成，其中，0≤a<1，0≤b<1，即第一子层可以是由AlInGaN制成，也可以是由InGaN制成，又可以是AlGaN制成，还可以是GaN制成。
进一步地，在本实施例中，各第一子层的组分相同。第一子层的组分相同，有利于生长条件的控制，简化了生长工艺。显然地，各第一子层的组分也可以不同。例如p型层由3个第一子层和3个第二子层相互交替层叠而成，则三个第一子层分别是由AlInGaN、InGaN、GaN制成，则在生长AlInGaN第一子层时，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，在生长InGaN第一子层时，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、In和N源，在生长GaN第一子层时，以三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别作为Ga和N源。
进一步地，当第一子层由AlaInbGaN制成，且0<b<1时，采用不同的生长温度生长第一子层和第二子层，第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度。由于In对温度很敏感，在高温下容易挥发，当第一子层是由含In元素的化合物制成，第二子层也不含In元素的化合物制成的时候，为了便于In的生长，第一子层的生长温度要低一点，而第二子层要求晶体质量要好，温度要适当高些，第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度，便于第一子层和第二子层的生长。例如，当第一子层由AlInGaN制成，第二子层由GaN制成时，各第一子层的生长温度可以为940℃，各第二子层的生长温度可以为960℃。显然地，在此步骤中，也可以采用相同的温度生长第一子层和第二子层。例如当第一子层由AlInGaN制成，第二子层由GaN制成时，第一子层和第二子层的生长温度都为950℃。
优选地，当第一子层由AlaInbGaN制成，且b＝0时，采用相同的温度生长第一子层和第二子层。即当第一子层由不含In元素的化合物制成，第二子层也由不含In元素的化合物制成的时候，采用相同的温度生长第一子层和第二子层，生长条件比较容易控制，简化了生长工艺。例如，当第一子层由AlGaN制成，第二子层由GaN制成，第一子层和第二子层的生长温度都为950℃。显然地，在此步骤中，也可以采用不同的温度生长第一子层和第二子层，例如，当一子层由AlGaN制成，第二子层由GaN制成，各第一子层的生长温度可以为940℃，各第二子层的生长温度可以为960℃。
可选地，当各第一子层的组分相同、各第二子层的组分也相同时，第一子层的组分与第二子层的组分可以相同也可以不同。例如第一子层和第二子层都由AlGaN制成；又例如，各第一子层由AlGaN制成，各第二子层由GaN制成。
可选地，在本实施例中，第一子层和第二子层掺杂的Mg的浓度可以相同也可以不同。
步骤104：在p型层上生长电流扩展层。
优选地，该方法还包括：
在多量子阱层上生长p型阻挡层；
则在多量子阱层上生长p型层，具体包括：
在p型阻挡层上生长p型层。
通过设置p型阻挡层，可以防止电子溢流，从而增加了电子和空穴的复合效率，提高了发光效率。
具体地，步骤101～104可以通过以下步骤实现：
需要说明的是：在生长GaN基发光二极管芯片时，一般是以高纯氢(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。
(1)提供蓝宝石衬底，并将蓝宝石衬底在1070℃和H2气氛下进行热处理10分钟，以清洁表面；
(2)降至540℃，在衬底上沉积一层30nm的缓冲层；
(3)升温至1085℃，在缓冲层上沉积2μm厚的未掺杂的GaN层；
(4)在未掺杂的GaN层上生长2um厚的n型层，该n型层为掺杂Si的GaN层；
(5)在n型层上生长8个周期的InGaN/GaN多量子阱层，其中，各InGaN层的厚度为3nm，其生长温度为760℃；各GaN层的厚度为12nm，其生长温度为880℃；
(6)升温至940℃，在多量子阱层上生长p型电子阻挡层；
(7)升温至950℃，在p型电子阻挡层生长厚度为200nm的p型层，p型层包括8个第一子层和8个第二子层，第一子层在纯氮气气氛下生长，第二子层在纯氢气气氛下生长，且各第一子层和各第二子层的厚度分别为12.5nm。
(8)在950℃的温度下，在p型层上生长电流扩展层。
在除了p型层的生长气氛不同，别的生长工艺相同的条件下，本实施例提供的芯片比混气氛围下生长的芯片(在N2和H2混合气氛下生长p型层)，其发光效率能够提高10％～15％。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：将第一子层在纯氮气气氛下生长，有利于提高第一子层中掺杂的Mg的活化，Mg的活化的提高可以提高空穴浓度，从而增加了空穴注入到多量子阱层的效率；第二子层在纯氢气气氛下生长，由于氢气的强还原性，可以减少晶体中的杂质，提高了晶体的质量；依次交替层叠生长第一子层和第二子层，层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力，应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度，提高了晶体质量；第一子层和第二子层的交替生长形成了超晶格结构，改善了空穴的注入和晶体质量，提高了芯片的发光效率，相对于混气氛围下生长的p型层的芯片，其发光效率可以提高10％～15％。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种GaN基发光二极管芯片的生长方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长p型层和电流扩展层；
其特征在于，所述在所述多量子阱层上生长p型层，具体包括：
在所述多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层，并对所述第一子层和所述第二子层进行Mg的掺杂，所述第一子层在纯氮气气氛下生长，所述第二子层在纯氢气气氛下生长；所述第一子层由AlaInbGaN制成，其中，0≤a<1，0≤b<1；所述第二子层由AlxGayN制成，其中，0≤x<1，0<y<1；
当所述第一子层由AlaInbGaN制成，且0<b<1时，
采用不同的生长温度生长所述第一子层和所述第二子层，所述第一子层的生长温度低于所述第二子层的生长温度；
当所述第一子层由AlaInbGaN制成，且b＝0时，
采用相同的温度生长所述第一子层和所述第二子层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的厚度皆为5～50nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各所述第一子层的组分相同。
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