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CN106057988A - 一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法 - Google Patents

一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法，属于半导体技术领域。所述制备方法包括：在蓝宝石衬底上依次层叠缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、应力释放层、多量子阱层和P型层；应力释放层包括多个应力释放子层，应力释放子层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，第一子层为AlGaN层，第三子层为InGaN层，第二子层和第四子层均为GaN层，第一子层的生长温度高于第三子层的生长温度。本发明通过应力释放层为周期性结构且InGaN层采用较低的生长温度，有利于晶格的良好生长，释放蓝宝石衬底与GaN之间晶格失配产生的应力，提高多量子阱层的生长质量，提高LED的光电性能。

Description

一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法。
背景技术
在发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)产业的发展中，宽带隙(Eg＞2.3eV)半导体材料GaN发展迅速，被广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源等领域。如何提高GaN基LED的光电性能一直是LED行业的研究热点。
现有的LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。其中，多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。N型层的电子和P型层的空穴在多量子阱层复合发光。
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：
蓝宝石衬底与GaN之间存在晶格失配，在外延生长过程中会引入大量的晶格缺陷，降低多量子阱层的生长质量，影响LED的光电性能。
发明内容
为了解决现有技术影响LED的光电性能的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上依次层叠缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、应力释放层、多量子阱层和P型层；
其中，所述应力释放层包括多个应力释放子层，所述应力释放子层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第三子层为InGaN层，所述第二子层和所述第四子层均为GaN层，所述第一子层的生长温度高于所述第三子层的生长温度。
可选地，所述第一子层的生长温度＞所述第二子层的生长温度＞所述第三子层的生长温度，所述第三子层的生长温度≤所述第四子层的生长温度＜所述第一子层的生长温度。
优选地，所述应力释放子层的四个子层的生长温度各不相同。
可选地，所述应力释放子层的层数为2～20层。
可选地，所述应力释放子层的四个子层的厚度相同或不同。
可选地，所述第二子层为未掺杂的GaN层或者N型掺杂的GaN层，所述N型掺杂的GaN层的掺杂浓度低于所述N型层的掺杂浓度。
可选地，所述第四子层为未掺杂的GaN层或者N型掺杂的GaN层，所述N型掺杂的GaN层的掺杂浓度低于所述N型层的掺杂浓度。
优选地，所述N型掺杂的GaN层采用硅掺杂或者锗掺杂。
优选地，所述N型掺杂的GaN层的掺杂浓度为1017～1019cm-3。
可选地，所述应力释放层与所述多量子阱层相互贴合。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过应力释放层包括多层由第一子层、第二子层、第三子层、第四子层依次层叠形成的应力释放子层，第一子层为AlGaN层，第三子层为InGaN层，第二子层和第四子层均为GaN层，第一子层的生长温度高于第三子层的生长温度，应力释放层为周期性结构且InGaN层采用较低的生长温度，有利于晶格的良好生长，释放蓝宝石衬底与GaN之间晶格失配产生的应力，提高多量子阱层的生长质量，提高LED的光电性能。
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基发光二极管的外延片的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的发光二极管的外延片的结构示意图。
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基发光二极管的外延片的制备方法，参见图1，该制备方法包括：
步骤100：清洁蓝宝石衬底的表面。
具体地，该步骤100可以包括：
将蓝宝石衬底在金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)反应腔中加热至1110℃，在氢气(H2)气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理8～10分钟。
在实际应用中，也可以采用Si衬底或者SiC衬底替换蓝宝石衬底。
步骤101：在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
具体地，该步骤101可以包括：
控制生长温度为540℃，在蓝宝石衬底上生长一层厚度为30nm的GaN缓冲层。
步骤102：在缓冲层上生长非掺杂GaN层。
具体地，该步骤102可以包括：
控制生长温度为1100℃，在缓冲层上生长一层厚度为0.5μm的非掺杂GaN层。
步骤103：在非掺杂GaN层上生长N型层。
具体地，N型层可以为GaN层。
具体地，该步骤103可以包括：
控制生长温度为1050～1100℃，在非掺杂GaN层上生长一层厚度为1μm的Si掺杂的GaN层。
在本实施例中，N型层的掺杂浓度大于1019cm-3，且小于或等于9×1019cm-3。
在实际应用中，N型层还可以采用其它掺杂，如Ge。
步骤104：在N型层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括多个应力释放子层，应力释放子层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，第一子层为AlGaN层，第三子层为InGaN层，第二子层和第四子层均为GaN层，第一子层的生长温度高于第三子层的生长温度。
在具体实现中，应力释放层直接生长在N型层上。
可选地，第一子层的生长温度＞第二子层的生长温度＞第三子层的生长温度，第三子层的生长温度≤第四子层的生长温度＜第一子层的生长温度。
优选地，应力释放子层的四个子层的生长温度可以各不相同。
可选地，应力释放子层的层数可以为2～20层。
可选地，应力释放子层的四个子层的厚度可以相同或不同。
可选地，第二子层可以为未掺杂的GaN层或者N型掺杂的GaN层，N型掺杂的GaN层的掺杂浓度低于N型层的掺杂浓度。
可选地，第四子层可以为未掺杂的GaN层或者N型掺杂的GaN层，N型掺杂的GaN层的掺杂浓度低于N型层的掺杂浓度。
优选地，N型掺杂的GaN层可以采用硅(Si)掺杂或者锗(Ge)掺杂。
在实际应用中，GaN层若掺杂杂质元素，则可以提高抗静电能力，同时也会对反向工作电压，并且GaN层的掺杂浓度过高时，抗静电能力反而会降低，同时反向工作电压会进一步降低，所以可以结合具体的生长条件确定GaN层是否掺杂、以及掺杂浓度。
优选地，N型掺杂的GaN层的掺杂浓度可以为1017～1019cm-3。
例如，应力释放层包括6个应力释放子层，第一子层的生长温度为1000℃，第二子层的生长温度为900℃，第三子层的生长温度为800℃，第四子层的生长温度为900℃。第一子层中Al的摩尔含量为0.15，第三子层中In的摩尔含量为0.1，第一子层、第二子层、第三子层、第四子层的厚度均为10nm，且第一子层、第二子层、第三子层、第四子层均无掺杂。
又如，应力释放层包括4个应力释放子层，第一子层的生长温度为1000℃，第二子层的生长温度为900℃，第三子层的生长温度为800℃，第四子层的生长温度为900℃。第一子层中Al的摩尔含量为0.15，第三子层中In的摩尔含量为0.15，第一子层、第二子层、第三子层、第四子层的厚度均为10nm，且第一子层和第三子层均为N型掺杂的GaN层，N型掺杂的GaN层的掺杂浓度为1.8*1018cm-3。
步骤105：在应力释放层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层。量子阱层为InxGa1-xN层，0＜x＜1，量子垒层为GaN层。
例如，多量子阱层包括交替层叠的12个量子阱层和12个量子垒层。量子阱层的厚度为3nm，采用InGaN作为生长材料，生长温度为800℃；量子垒层的厚度为11nm，采用GaN作为生长材料，生长温度为930℃。
可选地，多量子阱层可以与应力释放层相互贴合。具体地，多量子阱层与应力释放层中的GaN层相互贴合，即多量子阱层直接生长在GaN层上。由于GaN层的组分比较单纯，生长质量较高，因此以此为基础生长的多量子阱层会比在InGaN层上生长的多量子阱层晶体质量较好，多量子阱层的内量子效率也较高。
步骤106：在多量子阱层上生长P型层。
具体地，该步骤106可以包括：
在多量子阱层上生长一层厚度为200nm的P型层、
可选地，P型层可以包括依次层叠的P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN层、P型接触层。
可选地，P型层可以采用Mg掺杂。
在具体实现中，可以采用高纯H2或者N2作为载气，采用TEGa或TMGa、TMAl、TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源，并可以采用SiH4和Cp2Mg分别作为N型和P型掺杂剂，还可以采用TeESi(四乙基硅)和Si2H6作为Si源，可以采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片的生长。
图2为本实施例制作的发光二极管的外延片的结构示意图，其中，10为蓝宝石衬底，20为缓冲层，30为非掺杂GaN层，40为N型层，50为应力释放层，51为应力释放子层，51a为第一子层，51b为第二子层，51c为第三子层，51d为第四子层，60为多量子阱层，61为量子阱层，62为量子垒层，70为P型层。
本发明实施例通过应力释放层包括多层由第一子层、第二子层、第三子层、第四子层依次层叠形成的应力释放子层，第一子层为AlGaN层，第三子层为InGaN层，第二子层和第四子层均为GaN层，第一子层的生长温度高于第三子层的生长温度，应力释放层为周期性结构且InGaN层采用较低的生长温度，有利于晶格的良好生长，释放蓝宝石衬底与GaN之间晶格失配产生的应力，提高多量子阱层的生长质量，提高LED的光电性能。同时AlGaN层采用较高的生长温度，有利于Al组分的并入，从而提高势垒高度，有利于电流的横向扩展，降低LED的正向电压，进一步提高LED的光电性能、以及延长LED的使用寿命。
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基发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上依次层叠缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、应力释放层、多量子阱层和P型层；
其中，所述应力释放层包括多个应力释放子层，所述应力释放子层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第三子层为InGaN层，所述第二子层和所述第四子层均为GaN层，所述第一子层的生长温度高于所述第三子层的生长温度。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度＞所述第二子层的生长温度＞所述第三子层的生长温度，所述第三子层的生长温度≤所述第四子层的生长温度＜所述第一子层的生长温度。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述应力释放子层的四个子层的生长温度各不相同。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述应力释放子层的层数为2～20层。
5.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述应力释放子层的四个子层的厚度相同或不同。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二子层为未掺杂的GaN层或者N型掺杂的GaN层，所述N型掺杂的GaN层的掺杂浓度低于所述N型层的掺杂浓度。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第四子层为未掺杂的GaN层或者N型掺杂的GaN层，所述N型掺杂的GaN层的掺杂浓度低于所述N型层的掺杂浓度。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述N型掺杂的GaN层采用硅掺杂或者锗掺杂。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述N型掺杂的GaN层的掺杂浓度为1017～1019cm-3。
10.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述应力释放层与所述多量子阱层相互贴合。
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