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CN106848017B - 一种GaN基发光二极管的外延片及其生长方法 - Google Patents

一种GaN基发光二极管的外延片及其生长方法 Download PDF

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CN106848017B CN201611159816.4A CN201611159816A CN106848017B CN 106848017 B CN106848017 B CN 106848017B CN 201611159816 A CN201611159816 A CN 201611159816A CN 106848017 B CN106848017 B CN 106848017B
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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管的外延片及其生长方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、过渡层、未掺杂GaN层、N型电子提供层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型空穴提供层、P型接触层，过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，所述AlxGaN层和所述AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数。本发明有利于底层生长时的应力释放，可以改善外延片的翘曲度，减少破片率，同时降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，特别适用于大尺寸外延片的生产。

Description

一种GaN基发光二极管的外延片及其生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管的外延片及其生长方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diodes，简称：LED)具有体积小、颜色丰富多彩、使用寿命长等优点，是信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
GaN是制作LED的理想材料，现有的GaN基LED外延片通常采用蓝宝石衬底，但是GaN和蓝宝石之间存在晶格失配，会造成LED外延片高密度缺陷、热膨胀系数大，产生的应力无法充分释放，外延片表面不平整，翘曲度较高。
随着近年来经济的不断发展和人力成本的不断提高，LED芯片厂商已经逐步朝大尺寸外延工艺(大于2英寸的外延片)发展，以提高生产效率和LED芯片产能(如6英寸外延片的芯片产能是4英寸外延片的2倍、3英寸外延片的3～4倍、2英寸外延片的8～9倍)，降低生产成本。大尺寸外延片相比传统的2英寸外延片，具有更高的翘曲度，破片率较高，严重制约了大尺寸外延技术的发展。
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种GaN基发光二极管的外延片及其生长方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型电子提供层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型空穴提供层、P型接触层，所述外延片还包括层叠在所述缓冲层和所述未掺杂GaN层之间的过渡层，所述过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，所述AlxGaN层和所述AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数。
可选地，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层中In组分的含量大于所述AlaInbGaN层中In组分的含量。
可选地，所述过渡层中所有所述AlxGaN层中Al组分的含量沿所述外延片层的层叠方向线性增加或线性减少。
可选地，所述AlaInbGaN层的厚度为10～500nm，所述AlxGaN层的厚度为10～500nm。
可选地，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
另一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的生长方法，所述生长方法包括：
升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理；
降低温度在所述衬底上生长缓冲层；
进行多个阶段的升温，再生长过渡层，所述过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，所述AlxGaN层和所述AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，所述AlaInbGaN层在纯氮气气氛下生长，且所述AlaInbGaN层的生长温度低于所述AlxGaN层的生长温度；
升高温度在所述过渡层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型电子提供层；
在所述N型电子提供层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型空穴提供层；
在所述P型空穴提供层上生长P型接触层。
可选地，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层中In组分的含量大于所述AlaInbGaN层中In组分的含量。
可选地，所述过渡层中所有所述AlxGaN层中Al组分的含量沿所述外延片层的层叠方向线性增加或线性减少。
可选地，所述AlaInbGaN层的厚度为10～500nm，所述AlxGaN层的厚度为10～500nm。
可选地，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在缓冲层和未掺杂GaN层之间设置过渡层，过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，AlxGaN层和AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，有利于底层生长时的应力释放，可以改善外延片的翘曲度，减少破片率，同时降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，特别适用于大尺寸外延片的生产。
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基发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的过渡层的结构示意图；
图3a和图3b是本发明实施例一提供的过渡层中所有AlxGaN层中Al组分的含量沿外延片层的层叠方向变化的示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管的外延片的生长方法的流程示意图；
图5是本发明实施例三提供的一种GaN基发光二极管的外延片的生长方法的流程示意图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片，参见图1，该外延片包括外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、过渡层3、未掺杂GaN层4、N型电子提供层5、多量子阱层6、P型电子阻挡层7、P型空穴提供层8、P型接触层9。
在本实施例中，参见图2，过渡层3包括N层AlaInbGaN层31和N+1层AlxGaN层32，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，AlxGaN层32和AlaInbGaN层31交替层叠，N为正整数。
可选地，多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，InGaN量子阱层中In组分的含量可以大于AlaInbGaN层中In组分的含量。
可选地，过渡层中所有AlxGaN层中Al组分的含量可以沿外延片层的层叠方向线性增加(如图3a所示)，也可以沿外延片层的层叠方向线性减少(如图3b所示)。
可选地，AlaInbGaN层的厚度可以为10～500nm，AlxGaN层的厚度可以为10～500nm。
可选地，过渡层的厚度可以小于或等于1.5μm。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底，缓冲层可以为GaN层，N型电子提供层可以为掺杂Si的GaN层，P型电子阻挡层可以为掺杂Mg的AlGaN层，P型空穴提供层可以为掺杂Mg的GaN层，P型接触层可以为掺杂Mg的GaN层。
可选地，衬底的尺寸可以为3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸。
本发明实施例通过在缓冲层和未掺杂GaN层之间设置过渡层，过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，AlxGaN层和AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，有利于底层生长时的应力释放，可以改善外延片的翘曲度，减少破片率，同时降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，特别适用于大尺寸外延片的生产。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的生长方法，参见图4，该生长方法包括：
步骤201：升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理。
可选地，该步骤101可以包括：
进行多个阶段的升温，再将衬底在纯氢气气氛下进行热处理。
在本实施例中，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高。
可选地，不同阶段的温度的升高速率可以保持不变、逐渐减小或者逐渐升高。
可选地，衬底的尺寸可以为3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸。
可选地，衬底的材料可以采用蓝宝石、Si、SiC、GaN、AlN、ZnO、GaAs、金属中的任一种。
需要说明的是，热处理的目的是清洁衬底表面。
步骤202：降低温度在衬底上生长缓冲层。
具体地，缓冲层可以为GaN层。
步骤203：进行多个阶段的升温，再生长过渡层。
在本实施例中，同一阶段的温度恒定，且不同阶段的温度随时间的增长而升高。过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，AlxGaN层和AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，AlaInbGaN层在纯氮气气氛下生长，且AlaInbGaN层的生长温度低于AlxGaN层的生长温度，以利于AlaInbGaN层的形成。
可选地，不同阶段的温度的升高速率可以保持不变、逐渐减小或者逐渐升高。
需要说明的是，热处理之前进行多个阶段的升温的方式与生长过渡层之前进行多个阶段的升温的方式可以相同，也可以不同。例如，热处理之前进行多个阶段的升温的速率逐渐升高，生长过渡层之前进行多个阶段的升温的速率保持不变。
可选地，多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，InGaN量子阱层中In组分的含量可以大于AlaInbGaN层中In组分的含量。
可选地，过渡层中所有AlxGaN层中Al组分的含量可以沿外延片层的层叠方向线性增加，也可以沿外延片层的层叠方向线性减少。
可选地，AlaInbGaN层的厚度可以为10～500nm，AlxGaN层的厚度可以为10～500nm。
可选地，过渡层的厚度可以小于或等于1.5μm。
步骤204：升高温度在过渡层上生长未掺杂GaN层。
步骤205：在未掺杂GaN层上生长N型电子提供层。
具体地，N型电子提供层可以为掺杂Si的GaN层。
步骤206：在N型电子提供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InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
步骤207：在多量子阱层上生长P型电子阻挡层。
具体地，P型电子阻挡层可以为掺杂Mg的AlGaN层。
步骤208：在P型电子阻挡层上生长P型空穴提供层。
具体地，P型空穴提供层可以为掺杂Mg的GaN层。
步骤209：在P型空穴提供层上生长P型接触层。
具体地，P型接触层可以为掺杂Mg的GaN层，P型接触层的厚度小于P型层的厚度。
本发明实施例通过在缓冲层和未掺杂GaN层之间设置过渡层，过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，AlxGaN层和AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，有利于底层生长时的应力释放，可以改善外延片的翘曲度，减少破片率，同时降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，特别适用于大尺寸外延片的生产。
实施例三
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的生长方法，本实施例提供的生长方法是实施例而提供的生长方法的具体实现。在实施例中，以高纯氢气(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、N源，采用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为N型、P型掺杂剂。参见图5，该制备方法包括：
步骤301：将衬底先升温到500℃，再升温到800℃并稳定30s，再升温到1000℃并稳定30s，再升温到1300℃并稳定10min，在纯氢气气氛下进行热处理。
步骤302：降低温度至625℃，沉积一层厚度为30nm的GaN层，形成缓冲层。
步骤303：先升温到800℃并稳定30s，再升温到1000℃并稳定30s，再升温到1255℃并稳定300s，在1255℃的温度下先生长一层厚度为200nm的AlGaN层，再在纯氮气气氛下生长一层厚度为50nm的AlInGaN层，最后再生长一层200nm的AlGaN层，形成过渡层。
步骤304：升高温度至1285℃，沉积厚度为1.5μm的未掺杂GaN层。
步骤305：生长厚度为2μm的掺杂Si的GaN层，形成N型电子提供层。
步骤306：交替生长8层InGaN量子阱层和8层GaN量子垒层，形成多量子阱层。
在本实施例中，InGaN量子阱层的厚度为3nm，生长温度为880℃；GaN量子垒层的厚度为12nm，生长温度为960℃。需要说明的是，由于In对温度敏感，容易在高温下挥发，为了便于In的生长，InGaN量子阱层的生长温度要低一些，而GaN量子垒层要求晶体质量要好，因此温度要适当高些。
步骤307：在970℃的温度下，生长厚度为50nm的掺杂Mg的AlGaN层，形成P型电子阻挡层。
步骤308：在1090℃的温度下，生长厚度为200nm的掺杂Mg的GaN层，形成P型空穴提供层。
步骤309：在1120℃的温度下，生长厚度为10nm的掺杂Mg的GaN层，形成P型接触层。
需要说明的是，上述步骤可以采用金属有机化学气相沉积设备实现，外延生长结束后，对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺，即可制成单颗芯片。
本发明实施例通过在缓冲层和未掺杂GaN层之间设置过渡层，过渡层包括N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，AlxGaN层和AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，有利于底层生长时的应力释放，可以改善外延片的翘曲度，减少破片率，同时降低外延片的位错和缺陷密度，改善晶体质量，提高空穴的注入效率和器件的发光效率，特别适用于大尺寸外延片的生产。
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，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型电子提供层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型空穴提供层、P型接触层，其特征在于，所述外延片还包括层叠在所述缓冲层和所述未掺杂GaN层之间的过渡层，所述过渡层由N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层组成，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，所述AlxGaN层和所述AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数；所述AlaInbGaN层在纯氮气气氛下生长，且所述AlaInbGaN层的生长温度低于所述AlxGaN层的生长温度。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层中In组分的含量大于所述AlaInbGaN层中In组分的含量。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述过渡层中所有所述AlxGaN层中Al组分的含量沿所述外延片层的层叠方向线性增加或线性减少。
4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述AlaInbGaN层的厚度为10～500nm，所述AlxGaN层的厚度为10～500nm。
5.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
6.一种GaN基发光二极管的外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
升高温度将衬底在纯氢气气氛下进行热处理；
降低温度在所述衬底上生长缓冲层；
进行多个阶段的升温，再生长过渡层，所述过渡层由N层AlaInbGaN层和N+1层AlxGaN层组成，0≤a＜1，0＜b＜1，0≤x＜1，所述AlxGaN层和所述AlaInbGaN层交替层叠，N为正整数，所述AlaInbGaN层在纯氮气气氛下生长，且所述AlaInbGaN层的生长温度低于所述AlxGaN层的生长温度；
升高温度在所述过渡层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型电子提供层；
在所述N型电子提供层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型空穴提供层；
在所述P型空穴提供层上生长P型接触层。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层中In组分的含量大于所述AlaInbGaN层中In组分的含量。
8.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述过渡层中所有所述AlxGaN层中Al组分的含量沿所述外延片层的层叠方向线性增加或线性减少。
9.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述AlaInbGaN层的厚度为10～500nm，所述AlxGaN层的厚度为10～500nm。
10.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述过渡层的厚度小于或等于1.5μm。
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