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CN105023979A - 一种GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents

一种GaN基LED外延片及其制备方法 Download PDF

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CN105023979A CN201510300089.8A CN201510300089A CN105023979A CN 105023979 A CN105023979 A CN 105023979A CN 201510300089 A CN201510300089 A CN 201510300089A CN 105023979 A CN105023979 A CN 105023979A
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Abstract

本发明公开了一种GaN基LED外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括：衬底、和依次层叠在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层，缓冲层包括：依次生长的SiN子层、AlN子层、以及YxGa1-xN子层，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。本发明制备的缓冲层中，AlN子层能缓解制备出的GaN基外延片中心下凹的翘曲程度，YxGa1-xN子层可以在一定范围内调节AlN子层产生压应力，使得制备出的GaN基外延片翘曲在一定范围内可控，进而提高GaN基外延片中心与边缘的电性及波长均匀性。

Description

一种GaN基LED外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基LED外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diodes，简称“LED”)是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件，因其具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，被广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
常规GaN基LED外延片主要采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称“MOCVD”)方法制备，LED外延片一般包括：衬底、以及依次生长在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层，低温应力释放层，多量子阱层，电子阻挡层，p型GaN层、以及欧姆接触层。
为了避免由于GaN与衬底(例如：蓝宝石)之间的晶格失配度较大、热膨胀系数差异较大，而产生的GaN基外延片翘曲度大的问题，常规采用两步生长法制备缓冲层。具体地，两步生长法为：第一步，在低温下生长非晶态GaN成核层；第二步，在高温下，配合适当的生长速度，即可形成较高质量的GaN层结构。
但是，在采用大尺寸衬底(例如：4寸、6寸、以及8寸)时，通过常规的两步生长法制备缓冲层无法控制制备出的GaN基外延片的翘曲度，制备出的GaN基外延片的翘曲度大，导致出现GaN基外延片中心与边缘的电性及波长均匀性差的问题。
发明内容
为了解决现有的大尺寸GaN基外延片的电性及波长均匀性不理想的问题，本发明实施例提供了一种GaN基LED外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种GaN基LED外延片，所述外延片包括：衬底、和依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层，所述缓冲层包括：依次生长的SiN子层、AlN子层、以及YxGa1-xN子层，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。
具体地，所述SiN子层的厚度为0.5nm～5nm。
具体地，所述AlN子层的厚度为5nm～25nm。
具体地，所述YxGa1-xN子层的厚度为5nm～25nm。
进一步地，所述缓冲层的厚度为15～40nm。
另一方面，提供了一种GaN基LED外延片的制备方法，所述方法包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层，
所述在衬底上生长缓冲层，包括：
在所述衬底上生长一层SiN子层；
在所述SiN子层上生长一层AlN子层；
在所述AlN子层上生长一层YxGa1-xN子层，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。
具体地，所述在所述衬底上生长一层SiN子层，包括：
在生长温度为500℃～1000℃、压强为100torr～600torr的条件下，在所述衬底上生长一层厚度为0.5nm～5nm的SiN子层。
具体地，所述在所述SiN子层上生长一层AlN子层，包括：
在生长温度为450℃～750℃、压强为50torr～500torr的条件下，在所述SiN子层上生长一层厚度为5nm～25nm的AlN子层。
具体地，所述在所述AlN子层上生长一层YxGa1-xN子层，包括：
在生长温度为450℃～700℃、压强为50torr～500torr的条件下，在所述AlN子层上生长一层厚度为5nm～25nm的YxGa1-xN子层。
进一步地，所述缓冲层的厚度为15～40nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过采用由SiN子层、AlN子层、以及YxGa1-xN子层(0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个)构成的缓冲层，其中，AlN子层可以对后续生长的GaN基外延层产生压应力，进而能缓解制备出的GaN基外延片中心下凹的翘曲，YxGa1-xN子层可以对后续生长的GaN基外延层产生张应力，可以在一定范围内调节AlN子层对后续生长的GaN基外延层产生压应力，使得制备出的GaN基外延片翘曲在一定范围内可控，进而提高制备出的GaN基外延片中心与边缘的电性及波长均匀性，提高最终良品率。
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是本发明实施例一提供的一种GaN基LED外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种缓冲层的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种GaN基LED外延片的制备方法流程图；
图4是本发明实施例二提供的一种缓冲层的制备方式流程图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种GaN基LED外延片，参见图1，该外延片包括：衬底10、和依次层叠在衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、n型GaN层40、低温应力释放层50、多量子阱层60、电子阻挡层70、p型GaN层80、以及p型欧姆接触层90。
参见图2，该缓冲层20包括：依次生长的SiN子层21、AlN子层22、以及YxGa1-xN子层23，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。
在本实施例中，衬底10可以为蓝宝石材料。
在本实施例中，SiN子层21生长在衬底上，为后续缓冲层20提供窗口，有利于侧向外延生长，能够更好的降低后续生长的GaN基外延层的位错密度，进而提高GaN基LED外延片的质量。
需要说明的是，常规制备LED外延片时，由于GaN与衬底(例如：蓝宝石)之间的晶格失配度、热膨胀系数差异较大，磊晶时外延层受到张应力的影响，进而造成常规GaN基外延片翘曲呈中心下凹。
在本实施例中，由于AlN比GaN的晶格常数小，AlN子层22会对后续生长的GaN基的外延层产生压应力，后续生长的GaN基外延片受压应力影响其翘曲呈中心上凸的趋势，能在一定程度上缓解常规GaN基外延片中心下凹的翘曲，进而提高生成的GaN基LED外延片中心与边缘的电性和波长均匀性。
在本实施例中，YxGa1-xN含有Ga，其整体晶格常数虽小于GaN但大于AlN，YxGa1-xN子层23会对后续生长的GaN基的外延层产生张应力，通过调节YxGa1-xN子层23的厚度、Y的材料的选择、以及YxGa1-xN子层中Y的比例，可以调节GaN基外延层生长中受到AlN子层22的压应力对翘曲的影响，使得备出的GaN基外延片的翘曲度在一定范围内可控，进而能提高GaN基外延片中心与边缘的电性和波长均匀性。具体地，YxGa1-xN子层23的厚度越大，YxGa1-xN子层23对GaN基的外延层产生张应力较大，在调节GaN基外延片的翘曲度时，可以根据AlN子层22的厚度来选择YxGa1-xN子层23的厚度，例如：当AlN子层22的厚度为20～25nm时，YxGa1-xN子层23的厚度可以选择为15～25nm。进一步地，在YxGa1-xN子层23的厚度不变的情况下，YxGa1-xN子层23中，Y的选择也会影响其对GaN基的外延层产生张应力的大小。当Y选择Si或者Mg时，YxGa1-xN子层23对GaN基的外延层产生张应力相对较大；当Y选择Al时，YxGa1-xN子层23对GaN基的外延层产生张应力相对较小。在实际应用中，在YxGa1-xN子层23的厚度不变的情况下，如果AlN子层22的厚度为5～15nm时，Y可以选择Al；如果AlN子层22的厚度为15～25nm时，Y可以选择Si或者Mg。此外，在YxGa1-xN子层23的厚度不变的情况下，YxGa1-xN子层23中，Y的比例的选择也会影响其对GaN基的外延层产生张应力的大小。当Y选择Si或者Mg时，YxGa1-xN子层23中Y的比例越大，YxGa1-xN子层23对GaN基的外延层产生张应力越大；当Y选择Al时，YxGa1-xN子层23中Y的比例越大，YxGa1-xN子层23对GaN基的外延层产生张应力越小。
具体地，SiN子层21的厚度可以为0.5nm～5nm。
具体地，AlN子层22的厚度可以为5nm～25nm。
具体地，YxGa1-xN子层23的厚度可以为5nm～25nm。
进一步地，缓冲层20的厚度可以为15～40nm。
在本实施例中，缓冲层20不宜生长过厚，缓冲层20的厚度可以为15～40nm。在生长AlN子层22和YxGa1-xN子层23时，可以考虑上述YxGa1-xN子层23的厚度、Y的材料的选择、以及YxGa1-xN子层中Y的比例，对后续生长的GaN基的外延层产生张应力的影响，来选择AlN子层22和YxGa1-xN子层23的厚度。例如：1，SiN子层21的厚度为3nm，AlN子层22的厚度为20nm，YxGa1-xN子层23为10nm厚的Si0.1Ga0.9N子层；2，SiN子层21的厚度为3nm，AlN子层22的厚度为20nm，YxGa1-xN子层23为10nm厚的Si0.1Mg0.1Ga0.8N子层；3，SiN子层21的厚度为3nm，AlN子层22的厚度为20nm，YxGa1-xN子层23为15nm厚的Al0.2Mg0.1Ga0。7N子层。
在本实施例中，非掺杂GaN层30的厚度可以为800～1200nm；n型GaN层40的厚度可以为1～3μm；低温应力释放层50的厚度可以为10nm～30nm(其中，低温应力释放层50的生长温度为800～900度)；多量子阱层60为周期性结构，每个周期的厚度可以为9～15nm；电子阻挡层70可以为p型AlGaN层，其厚度可以为20～100nm；p型GaN层80的厚度为50～200nm；p型欧姆接触层90的厚度为0.5～10nm。
需要说明的是，本实施例提供的GaN基LED外延片仅可以为常规尺寸，也可以为大尺寸(例如：4寸、6寸、以及8寸)。
本发明实施例通过采用由SiN子层、AlN子层、以及YxGa1-xN子层(0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个)构成的缓冲层，其中，AlN子层可以对后续生长的GaN基外延层产生压应力，进而能缓解制备出的GaN基外延片中心下凹的翘曲，YxGa1-xN子层可以对后续生长的GaN基外延层产生张应力，可以在一定范围内调节AlN子层对后续生长的GaN基外延层产生压应力，使得制备出的GaN基外延片翘曲在一定范围内可控，进而提高制备出的GaN基外延片中心与边缘的电性及波长均匀性，提高最终良品率。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基LED外延片的制备方法，参见图3，该方法包括：
步骤S21，在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，衬底材料可以为蓝宝石。
参见图4，上述步骤S21可以通过如下方式实现：
步骤S211，在衬底上生长一层SiN子层；
具体地，上述步骤S211可以通过如下方式实现：
在生长温度为500℃～1000℃、压强为100torr～600torr的条件下，在衬底上生长一层厚度为0.5nm～5nm的SiN子层。
在本实施例中，SiN子层生长在衬底上，为后续缓冲层提供窗口，有利于侧向外延生长，能够更好的降低后续生长的GaN基外延层的位错密度，进而提高GaN基LED外延片的质量。
步骤S212，在SiN子层上生长一层AlN子层；
具体地，上述步骤S212可以通过如下方式实现：
在生长温度为450℃～750℃、压强为50torr～500torr的条件下，在SiN子层上生长一层厚度为5nm～25nm的AlN子层。
需要说明的是，常规制备LED外延片时，由于GaN与衬底(例如：蓝宝石)之间的晶格失配度、热膨胀系数差异较大，磊晶时外延层受到张应力的影响，进而造成常规GaN基外延片翘曲呈中心下凹。
在本实施例中，由于AlN比GaN的晶格常数小，AlN子层会对后续生长的GaN基的外延层产生压应力，后续生长的GaN基外延片受压应力影响其翘曲呈中心上凸的趋势，能在一定程度上缓解常规GaN基外延片中心下凹的翘曲，进而提高生成的GaN基LED外延片中心与边缘的电性和波长均匀性。
步骤S213，在AlN子层上生长一层YxGa1-xN子层，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。
具体地，上述步骤S213可以通过如下方式实现：
在生长温度为450℃～700℃、压强为50torr～500torr的条件下，在AlN子层上生长一层厚度为5nm～25nm的YxGa1-xN子层。
在本实施例中，YxGa1-xN含有Ga，其整体晶格常数虽小于GaN但大于AlN，YxGa1-xN子层会对后续生长的GaN基的外延层产生张应力，通过调节YxGa1-xN子层的厚度、Y的材料的选择、以及YxGa1-xN子层中Y的比例，可以调节GaN基外延层生长中受到AlN子层的压应力对翘曲的影响，使得备出的GaN基外延片的翘曲度在一定范围内可控，进而能提高GaN基外延片中心与边缘的电性和波长均匀性。具体地，YxGa1-xN子层的厚度越大，YxGa1-xN子层对GaN基的外延层产生张应力较大，在调节GaN基外延片的翘曲度时，可以根据AlN子层的厚度来选择YxGa1-xN子层的厚度，例如：当AlN子层的厚度为20～25nm时，YxGa1-xN子层的厚度可以选择为15～25nm。进一步地，在YxGa1-xN子层的厚度不变的情况下，YxGa1-xN子层中，Y的选择也会影响其对GaN基的外延层产生张应力的大小。当Y选择Si或者Mg时，YxGa1-xN子层对GaN基的外延层产生张应力相对较大；当Y选择Al时，YxGa1-xN子层对GaN基的外延层产生张应力相对较小。在实际应用中，在YxGa1-xN子层的厚度不变的情况下，如果AlN子层的厚度为5～15nm时，Y可以选择Al；如果AlN子层的厚度为15～25nm时，Y可以选择Si或者Mg。此外，在YxGa1-xN子层的厚度不变的情况下，YxGa1-xN子层中，Y的比例的选择也会影响其对GaN基的外延层产生张应力的大小。当Y选择Si或者Mg时，YxGa1-xN子层中Y的比例越大，YxGa1-xN子层对GaN基的外延层产生张应力越大；当Y选择Al时，YxGa1-xN子层中Y的比例越大，YxGa1-xN子层对GaN基的外延层产生张应力越小。
步骤S22，在缓冲层上依次生长非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层。
具体地，缓冲层的厚度可以为15～40nm。
需要说明的是，本实施例提供的一种GaN基LED外延片的制备方法不仅可以适用于制备常规尺寸LED，也可以适用于制备大尺寸(例如：4寸、6寸、以及8寸)LED。
下面简要举例说明一下在实际应用中GaN基LED外延片的制备过程：
1，采用MOCVD法，调节反应腔的温度至800℃，通入硅烷和氨气，在蓝宝石衬底上沉积一层厚度为3nm的SiN子层；降低反应腔的温度至650℃，通入三甲基铝和氨气，在SiN子层上沉积一层厚度为20nm的AlN子层；降低反应腔的温度至550℃，通入硅烷、氨气以及三甲基镓，在AlN子层上沉积一层厚度为10nm的Si0.1Ga0.9N子层。随后，依次在Si0.1Ga0.9N子层上沉积非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层。其中，硅烷为Si源、氨气为N源、三甲基铝为Al源、三甲基镓为Ga源，另外，可以选择氮气和氢气为载气。
2，采用MOCVD法，调节反应腔的温度至800℃，通入硅烷和氨气，在蓝宝石衬底上沉积一层厚度为3nm的SiN子层；降低反应腔的温度至650℃，通入三甲基铝和氨气，在SiN子层上沉积一层厚度为20nm的AlN子层；降低反应腔的温度至550℃，通入硅烷、三甲基镓、氨气以及二戊镁，在AlN子层上沉积一层厚度为10nm的Si0.1Mg0.1Ga0.8N子层。随后，依次在Si0.1Mg0.1Ga0.8N子层上沉积非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层。其中，硅烷为Si源、氨气为N源、三甲基铝为Al源、三甲基镓为Ga源、二戊镁为Mg源，另外可以选择氮气和氢气为载气。
3，采用MOCVD法，调节反应腔的温度至800℃，通入硅烷和氨气，在蓝宝石衬底上沉积一层厚度为3nm的SiN子层；降低反应腔的温度至650℃，通入三甲基铝和氨气，在SiN子层上沉积一层厚度为20nm的AlN子层；降低反应腔的温度至550℃，通入三甲基铝、三甲基镓、氨气以及二戊镁，在AlN子层上沉积一层厚度为15nm的Al0.2Mg0.1Ga0。7N子层。随后，依次在Al0.2Mg0.1Ga07N子层上沉积非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层。其中，硅烷为Si源、氨气为N源、三甲基铝为Al源、三甲基镓为Ga源、二戊镁为Mg源，另外可以选择氮气和氢气为载气。
本发明实施例通过采用由SiN子层、AlN子层、以及YxGa1-xN子层(0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个)构成的缓冲层，其中，AlN子层可以对后续生长的GaN基外延层产生压应力，进而能缓解制备出的GaN基外延片中心下凹的翘曲，YxGa1-xN子层可以对后续生长的GaN基外延层产生张应力，可以在一定范围内调节AlN子层对后续生长的GaN基外延层产生压应力，使得制备出的GaN基外延片翘曲在一定范围内可控，进而提高制备出的GaN基外延片中心与边缘的电性及波长均匀性，提高最终良品率。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述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 (10)

1.一种GaN基LED外延片，所述外延片包括：衬底、和依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层，其特征在于，所述缓冲层包括：依次生长的SiN子层、AlN子层、以及YxGa1-xN子层，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述SiN子层的厚度为0.5nm～5nm。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlN子层的厚度为5nm～25nm。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述YxGa1-xN子层的厚度为5nm～25nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的外延片，其特征在于，所述缓冲层的厚度为15～40nm。
6.一种GaN基LED外延片的制备方法，所述方法包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长非掺杂GaN层、n型GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、p型GaN层、以及p型欧姆接触层，
其特征在于，所述在衬底上生长缓冲层，包括：
在所述衬底上生长一层SiN子层；
在所述SiN子层上生长一层AlN子层；
在所述AlN子层上生长一层YxGa1-xN子层，0＜X＜0.5，Y为Al、Si、以及Mg中一个或者多个。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述衬底上生长一层SiN子层，包括：
在生长温度为500℃～1000℃、压强为100torr～600torr的条件下，在所述衬底上生长一层厚度为0.5nm～5nm的SiN子层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述SiN子层上生长一层AlN子层，包括：
在生长温度为450℃～750℃、压强为50torr～500torr的条件下，在所述SiN子层上生长一层厚度为5nm～25nm的AlN子层。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述在所述AlN子层上生长一层YxGa1-xN子层，包括：
在生长温度为450℃～700℃、压强为50torr～500torr的条件下，在所述AlN子层上生长一层厚度为5nm～25nm的YxGa1-xN子层。
10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为15～40nm。
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