CN109326692B - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制备技术领域，一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法，氮化镓基发光二极管外延片从下到上依次为蓝宝石衬底、AlN缓冲层、3D生长过程中插入5～20个周期AlxGa(1‑x)N/AlN/GaN超晶格层应力释放层、2D GaN层、n型GaN层、nsls应力释放层、MQW发光层和P型GaN层。超晶格的生长方式能有效调控外延层中的应力，有效避免外延层生长后薄膜龟裂的出现，同时也提高了GaN薄膜的生长质量。由于超晶格层能有效释放应力，MQW发光层中由于应力产生的内建电场在较大程度上得以减弱，量子阱能带倾斜减小，电子和空穴波函数重叠增加，MQW发光层亮度得到有效提升。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管制备技术领域，涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
近年来，基于蓝宝石衬底的GaN基LED成功实现了大规模生产和商业化。随着LED市场的饱和化，LED厂家之间的竞争也越来越激烈，LED下游厂家之间的价格战愈演愈烈，同时LED上游产品的性能要求也逐渐变高，亮度、抗静电性能、工作电压等参数指标要求越来越严格。
由于蓝宝石衬底与GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，LED外延层内存在较大的应力，进而外延层中存在大量的位错，这些位错延伸到发光层中会严重影响芯片的亮度。为了减少位错线延伸到发光层，通常在nGaN长完后生长数十纳米厚度的体结构AlGaN层，起到阻挡位错和电流扩展的作用。但由于GaN与AlN存在较大的晶格失配，在GaN与AlGaN界面处会存在较大的应力，影响了AlGaN层对位错的屏蔽作用。
发明内容
一般的专利是在2D GaN层或者nGaN层结束之后，生长体结构AlGaN层，起到电流阻挡的作用，本发明则是通过在溅射AlN衬底和GaN中间插入AlxGa(1-x)N/AlN/GaN超晶格释放应力，削弱发光层的内建电场和减小能带倾斜，电子和空穴波函数重叠增加，MQW发光层亮度得到有效提升。
本发明的技术方案：
一种氮化镓基发光二极管外延片，从下到上的次序：在蓝宝石衬底上依次为AlN层、3D本征GaN层、超晶格应力释放层、3D本征GaN层、2D本征GaN层、n型GaN层、nsls应力释放层、MQW层和p-GaN层；
所述的超晶格应力释放层是在3D本征GaN层中插入的低压高温生长AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层，其厚度为100-300nm，AlxGa(1-x)N/AlN/GaN周期数为5～20；AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层中AlxGa(1-x)N层的厚度为2～5nm，AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层中AlN层的厚度为2～4nm，AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层中GaN层的厚度5～8nm；
所述的AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层的AlxGa(1-x)N Al组分x的值为0.05～0.1或0.1～0.2。
所述的蓝宝石衬底为Al2O3蓝宝石衬底。
一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，步骤如下：
步骤1：在Al2O3蓝宝石衬底上溅射AlN，形成AlN层；
步骤2：将在步骤1得到的AlN层上生长3D本征GaN层；
步骤3：在3D本征GaN层插入超晶格应力释放层，继续生长3D本征GaN层；
步骤4：在步骤3基础上生长2D本征GaN层；
步骤5：在2D本征GaN层上生长掺入Si原子的n型GaN层；
步骤6：在掺入Si原子的n型GaN层上生长nsls应力释放层；
步骤7：在nsls应力释放层上生长MQW发光层；
步骤8：在MQW发光层上生长掺入Mg原子的P-GaN层。
其中，步骤3所述应力释放层包括周期性交替生长AlxGa(1-x)N层、AlN层和GaN层；
进一步，在步骤3所述超晶格应力释放层包括周期性交替生长AlxGa(1-x)N层和AlN层的生长压力为100～300mbar，交替生长GaN层压力为200～600mbar。
优选地，在步骤3所述AlxGa(1-x)N层、AlN层和GaN层数相同；周期数为5～20。
本发明的有益效果：则是通过在溅射AlN衬底和GaN中间插入Alx Ga(1-x)N/AlN/GaN超晶格释放应力，来减少AlN缓冲层与本征GaN之间晶格常数的失配，由此降低外延层中的螺旋位错和刃型位错密度，减少延伸至发光区的位错线，从而提高发光二极管亮度。超晶格的生长方式能有效调控外延层中的应力，有效避免外延层生长后薄膜龟裂的出现，同时也提高了GaN薄膜的生长质量。削弱发光层的内建电场和减小能带倾斜，电子和空穴波函数重叠增加，MQW发光层亮度得到有效提升。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
具体实施步骤如下：
步骤1：在厚度650μmAl2O3蓝宝石衬底上溅射，形成AlN层厚度在20～25nm；
步骤2：将步骤1得到的AlN衬底在MOCVD机台上生长3D本征GaN层，该层生长在H2条件下，press 600～900mbar，生长温度1020～1100℃，时间为20～30min，厚度1～1.5μm；
步骤3：在3D本征GaN层中插入5-20周期的AlxGa(1-x)N/AlN/GaN超晶格应力释放层；此超晶格应力释放层为100～300mbar，在温度为1050℃～1120℃，周期数5～20，之后再转入3D本征GaN层生长模式；
具体生长可以如下：
实例一：
在AlxGa(1-x)N/AlN/GaN超晶格应力释放层，AlxGa(1-x)N/AlN分别是X值为0.15，在H2条件下生长20个周期，压力为100mbar，温度为1050℃，生长AlxGa(1-x)N层3nm、AlN层厚度2nm、GaN厚度5nm。
实例二：
在AlxGa(1-x)N/AlN/GaN超晶格应力释放层，AlxGa(1-x)N/AlN分别是X值为0.15，在H2条件下生长10个周期，压力为300mbar，温度为1090℃，生长AlxGa(1-x)N层5nm、AlN层厚度3nm、GaN厚度7nm。
实例三：
在AlxGa(1-x)N/AlN/GaN超晶格应力释放层，AlxGa(1-x)N/AlN分别是X值为0.2，在H2条件下生长10个周期，压力为300mbar，温度为1090℃，生长AlxGa(1-x)N层5nm、AlN层厚度3nm、GaN厚度7nm。
在氢气条件下,温度继续上升10～20℃，压力转到500～600mbar，使3D生长模式转变成本征的2D生长模式；
温度到1000～1080℃，压力转到200～300mbar，并掺入Si原子，使其形成n型GaN层；
温度到750-800℃生长5～8个nsls应力释放层；
同步骤6生长条件10～15个MQW层；
在N2和H2混合条件下，温度上升到900～1050℃生长并入Mg原子，使其形成p-GaN层。
创新点说明：一般的专利是在2D GaN层或者nGaN层结束之后，生长数十纳米厚度的体结构AlGaN或者Alx Ga(1-x)N/GaN超晶格，但由于GaN与AlN存在较大的晶格失配，在GaN与AlGaN界面处会存在较大的应力，影响了AlGaN层对位错的屏蔽作用。而本专利则是通过在溅射AlN衬底和GaN中间插入超晶格释放应力，对减少晶格失配，对位错也能起到更好的屏蔽作用，从而减少缺陷往后面各层的延伸，提高了外延层的晶体质量，进而削弱发光层的内建电场和减小能带倾斜，电子和空穴波函数重叠增加，MQW发光层亮度得到有效提升。
Claims (3)
1.一种氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述的氮化镓基发光二极管外延片从下到上的次序：在蓝宝石衬底上依次为AlN层、3D本征GaN层、超晶格应力释放层、3D本征GaN层、2D本征GaN层、n型GaN层、nsls应力释放层、MQW层和p-GaN层；
所述的超晶格应力释放层是在3D本征GaN层中插入的低压高温生长AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层，其厚度为100-300nm，AlxGa(1-x)N/AlN/GaN周期数为5～20；AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层中AlxGa(1-x)N层的厚度为2～5nm，AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层中AlN层的厚度为2～4nm，AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层中GaN层的厚度5～8nm；
所述的AlxGa(1-x)N/AlN/GaN层的AlxGa(1-x)N Al组分x的值为0.05～0.1或0.1～0.2。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述的蓝宝石衬底为Al2O3蓝宝石衬底。
3.一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在Al2O3蓝宝石衬底上溅射AlN，形成AlN层；
步骤2：将在步骤1得到的AlN层上生长3D本征GaN层；
步骤3：在3D本征GaN层插入超晶格应力释放层，继续生长3D本征GaN层；其中，超晶格应力释放层包括周期性交替生长AlxGa(1-x)N层和AlN层的生长压力为100～300mbar，交替生长GaN层压力为200～600mbar；所述AlxGa(1-x)N层、AlN层和GaN层数相同；周期数为5～20；
步骤4：在步骤3基础上生长2D本征GaN层；
步骤5：在2D本征GaN层上生长掺入Si原子的n型GaN层；
步骤6：在掺入Si原子的n型GaN层上生长nsls应力释放层；
步骤7：在nsls应力释放层上生长MQW发光层；
步骤8：在MQW发光层上生长掺入Mg原子的P-GaN层。
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