CN101847673A - 一种氮化镓基led外延片及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化镓基LED外延片及其生长方法，该外延片的结构自下而上依次为蓝宝石衬底、低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其中的非掺杂氮化镓层含有第一非掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层；在不同的压强下，生长第一非掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层；通过第一非掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层的结合可缓解衬底与氮化镓材料的晶格失配带给氮化镓外延层的应力，减小氮化镓外延层的位错密度，其线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，从而可以有效提升发光二极管的工作寿命、抗静电能力和反向特性等重要技术指标。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种LED外延片及其生长方法，特别是一种含有两层非掺杂GaN层的氮化镓基LED外延片及其生长方法。
技术背景
GaN基材料，包括InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN合金，为直接带隙半导体，且带隙从1.8～6.2eV连续可调，是生产高亮度蓝、绿光和白光LED的首选材料，产品广泛应用于大屏幕彩色显示、车辆及交通信号、室内外装饰照明、景观装饰照明、标识标牌指示、太阳能路灯、智能交通控制和通用照明等工程以及手机、电脑、音响及家电产品的指示光源等。
GaN基材料绝大多生长在蓝宝石衬底上，由于GaN基材料与蓝宝石衬底之间有较大的晶格失配度，约为13.5％，会在外延层中产生大量的位错与缺陷，缺陷的密度高达1×1010～1×1011/cm3。其次，蓝宝石衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异导致较大的热失配。蓝宝石的热膨胀系数为7.5×10-6K-1，而GaN的热膨胀系数为5.59×10-6K-1，二者相差很大，造成高温生长后降温的过程中外延层将承受很大的张应力，由于外延层的厚度远小于衬底厚度，所以外延层易产生裂纹。
由于缓冲层技术条件下生长出的GaN材料仍具有较高的缺陷密度1×108～1×1010/cm3，会影响到发光器件的发光强度、工作寿命、抗静电能力和反向特性等重要技术指标，因此需要在此基础上发展其他技术，从而获得更高质量的GaN单晶材料。Wen，T.C.等人在Semiconductor Device Research Symposium，2003International，10-12 Dec.2003 Page(s)：77-78上发表的Improved ESDreliability by using a modulation doped Al0.12Ga0.88N/GaN superlatticein nitride-based LED，其通过生长超晶格结构的调制掺杂，降低缺陷密度，提高器件的抗静电能力。何清华等人提出一种提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法(中国专利公开号101071836)，其在p-GaN层中形成电流释放通道，并对生长的外延薄膜进行一次降温、升温退火处理以消除部分累计应力，改善了p-GaN外延层的晶体质量，因此提高了GaN基LED芯片抗静电能力。这两种方法均是在非掺杂氮化镓生长之后的外延层中提高的晶体质量，并没有大幅度降低GaN基外延层中的位错密度及应力，因此GaN基LED芯片抗静电能力提高有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓基LED外延片及其生长方法。通过高压下生长的第一非掺杂氮化镓(GaN)层与低压下生长的第二非掺杂氮化镓(GaN)层的结合可缓解蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配带给GaN外延层的应力，减小GaN外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，因此可以提高GaN基LED芯片的抗静电能力。
生长LED外延片的基本步骤为：在衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂的GaN基电极接触层。其中生长低温GaN缓冲层后，经过高温重结晶使很多GaN被高温烤掉，在缓冲层表面留下不规则的六角形结构的GaN晶体，晶体间不连接或极少连接，高温时GaN晶体成长为大的岛状晶体。岛的大小决定位错的密度，当堆积不规则晶体成长时，多数的位错是岛状晶体结合时产生的，所以岛状晶体横向成长越大，数目越少，位错缺陷也越少。为了减少位错，本发明先在高压下生长一层非掺杂GaN层，为了使外延表面长得平整，然后再在低压下生长一层非掺杂GaN层。高压下不但可以促进小的晶体分解，增加较大晶体的分布，而且可以增加横向生长，有助于大的岛状晶体的成长。高压决定了岛状晶体的分布及缺陷密度。低压可以促进GaN晶体的纵向生长，使GaN外延层表面在生长过程中，晶体与晶体之间快速铺平，为以后的生长奠定良好的基础。若第一、第二非掺杂氮化镓层均采用低压的生长方式，会得到缺陷密度较大的GaN外延层，降低晶体质量。若第二非掺杂氮化镓层仍采用高压的生长方式，会放大第一非掺杂氮化镓层的缺陷，同样会使晶体的生长质量变差。只有高压与低压的匹配结合可以有效较低GaN外延层的缺陷密度，使晶体的生长质量变得更好。
本发明的技术方案是：一种氮化镓基LED外延片，其结构自下而上依次为蓝宝石衬底、低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，所述的非掺杂氮化镓层从下到上依次含有第一非掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层，所述第一非掺杂氮化镓层的厚度为50～1000nm，所述第二非掺杂氮化镓层的厚度为1.0～2.0μm，生长压强为100～500乇，第一非掺杂氮化镓层的生长压强始终高于第二非掺杂氮化镓层的生长压强。
所述一种氮化镓基LED外延片的生长方法，采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法，在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂的GaN基电极接触层，其中，生长所述的非掺杂氮化镓层时，首先在1050～1200℃的温度下，在200～1000乇的压强下，在低温氮化镓缓冲层上生长厚度为50～1000nm的第一非掺杂氮化镓层；然后在1050℃～1200℃的温度下，在100～500乇的压强下，在第一非掺杂氮化镓层上生长厚度为1.0～2.Oμm的第二非掺杂氮化镓层，其中第一非掺杂氮化镓层的生长压强始终高于第二非掺杂氮化镓层的生长压强。
本发明采用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD，Metalorganic ChemicalVapor Deposition)生长，衬底选用(0001)晶向的蓝宝石，金属有机源是三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)，氮源为氨气(NH3)，n型掺杂剂为200ppm的H2携载的硅烷(SiH4)，p型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)。
非掺杂GaN的生长质量可以通过X射线衍射(X-ray)表征。X射线摇摆曲线的半高宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)可以评价晶体的生长质量，半高宽值越高说明生长质量越差，半高宽值越小说明生长质量越好。从图2X-ray摇摆曲线可以看出，相对于只有一层低压100～500乇下生长的非掺杂氮化镓层来说，本发明含有高压200～1000乇下生长的第一非掺杂GaN层与低压100～500乇下生长的第二非掺杂氮化镓层的非掺杂氮化镓层，其氮化镓(1002)面的半高宽从495降至323，缺陷密度从1×108～1×1010/cm3降至1×108/cm3以下。此技术生长的发光二极管的抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD从82％提升至91％，反向电压从-23V降至-27V以下。
本发明的优点在于：通过高压200～1000乇下生长的第一非掺杂GaN层与低压100～500乇下生长的第二非掺杂氮化镓层的结合，可缓解蓝宝石衬底与GaN材料的晶格失配带给GaN外延层的应力，减小GaN外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下。本发明可以有效提升发光二极管的工作寿命、抗静电能力和反向特性等重要技术指标。
附图说明
图1为外延片主要结构示意图。
100：蓝宝石衬底；
101：低温氮化镓基缓冲层；
102：第一非掺杂氮化镓层；
103：第二非掺杂氮化镓层；
104：n型氮化镓；
105：多量子阱层；
106：p型铝镓氮；
107：p型氮化镓；
108：高掺杂的GaN基电极接触层。
图2X-ray非掺杂GaN(1002)面扫描的摇摆曲线
虚线：含有第一非掺杂GaN层与第二非掺杂GaN层的非掺杂氮化镓层的摇摆曲线；实线：只含低压下生长的非掺杂氮化镓层的摇摆曲线。
具体实施方式
实施例1 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1050℃，稳定10分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至530℃生长20nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1100℃、保持压强为500乇，生长500nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1100℃，降压为300乇生长1.5μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1100℃生长1.5μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长5个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为20nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为1.6nm，生长温度为810℃。
7.升温至980℃生长50nm厚度的p-Al0.15Ga0.85N层。
8.在940℃生长150nm厚度的p型GaN层。
9.在940℃生长25nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例1生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到90％以上，反向电压可降至-27V以下。
实施例2 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1250℃，稳定5分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至540℃生长30nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1200℃、升压至400乇，生长400nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1200℃，降压至200乇生长1.6μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1200℃生长2μm厚度的n型GaN。
6.在N2环境中生长15个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为13nm，生长温度为950℃；InGaN阱层：厚度为2nm，生长温度为830℃。
7.升温至1080℃生长120nm厚度的p-Al0.1Ga0.9N层。
8.在1000℃生长200nm厚度的p型GaN。
9.在1000℃生长8nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.退火。
11.降温至室温，生长结束。
实施例2生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到89％以上，反向电压可降至-28V以下。
实施例3 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至550℃生长25nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1180℃、升压至300乇生长50nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1180℃，降压至150乇生长1.95μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1180℃生长3μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为820℃。
7.升温至1040℃生长100nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在1000℃生长300nm厚度的p型GaN层。
9.在1000℃生长15nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例3生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到90％以上，反向电压可降至-28V以下。
实施例4采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至550℃生长25nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1150℃、升压至600乇生长200nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1150℃，降压至300乇生长1.8μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1150℃生长1.7μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为800℃。
7.升温至1040℃生长100nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在1020℃生长400nm厚度的p型GaN层。
9.在1020℃生长10nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例4生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到89％以上，反向电压可降至-27V以下。
实施例5采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至540℃生长30nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1170℃、升压至800乇生长100nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1170℃，降压至500乇生长1.9μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1170℃生长1.8μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为780℃。
7.升温至1080℃生长70nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在1040℃生长350nm厚度的p型GaN层。
9.在1040℃生长15nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例5生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到90％以上，反向电压可降至-29V以下。
实施例6 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至540℃生长25nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1190℃、升压至1000乇生长200nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1190℃，降压至400乇生长1.8μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1190℃生长1.6μm厚度的n型GaN岑。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为860℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为760℃。
7.升温至1060℃生长90nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在1000℃生长250nm厚度的p型GaN层。
9.在1000℃生长13nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例6生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到89％以上，反向电压可降至-29V以下。
实施例7采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至560℃生长25nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1110℃、升压至200乇生长300nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1110℃，降压至100乇生长1.7μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1110℃生长1.9μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为830℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为750℃。
7.升温至1020℃生长30nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在980℃生长230nm厚度的p型GaN层。
9.在980℃生长17nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例7生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到91％以上，反向电压可降至-29V以下。
实施例8 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至540℃生长25nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1120℃、升压至250乇生长600nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1120℃，降压至100乇生长1.4μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1120℃生长2.5μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为810℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为740℃。
7.升温至980℃生长60nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在960℃生长170nm厚度的p型GaN层。
9.在960℃生长25nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例8生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到89％以上，反向电压可降至-27V以下。
实施例9 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至550℃生长30nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1140℃、升压至900乇生长800nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1140℃，降压至500乇生长1.2μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1140℃，生长2.7μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为770℃。
7.升温至1070℃生长70nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在1010℃生长400nm厚度的p型GaN层。
9.在1010℃生长27nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例9生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到90％以上，反向电压可降至-27V以下。
实施例10采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
1.将(0001)晶向的蓝宝石衬底放入反应室中，然后在H2环境中升温至1150℃，稳定7分钟，对衬底进行高温净化。
2.降温至560℃生长20nm厚度的低温GaN基缓冲层。
3.升温至1180℃、升压至200乇生长1000nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1180℃，降压至100乇生长1.0μm厚度的第二非掺杂GaN层。
5.在1180℃生长2μm厚度的n型GaN层。
6.在N2环境中生长10个周期的多量子阱层，GaN垒层：厚度为15nm，生长温度为850℃；InGaN阱层：厚度为1.8nm，生长温度为790℃。
7.升温至1080℃生长100nm厚度的p-Al0.08Ga0.92N层。
8.在1020℃生长370nm厚度的p型GaN层。
9.在1020℃生长15nm厚度的高掺杂p型GaN电极接触层。
10.降温至室温，生长结束。
实施例10生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到91％以上，反向电压可降至-29V以下。
实施例11 采用MOCVD生长外延片，从下到上依次生长：
除步骤3和4以外，其它步骤如实施例4所示，
3.升温至1050℃、升压至550乇生长600nm厚度的第一非掺杂GaN层。
4.在1050℃，降压至300乇生长1.8μm厚度的第二非掺杂GaN层。
实施例11生长的GaN基外延片，均可减小外延层的位错密度，线缺陷密度可降低至1×108/cm3以下，抗静电能力(ESD)和反向特性等指标均有明显提升，人体模式4000V ESD可达到92％以上，反向电压可降至-29V以下。
Claims (2)
1.一种氮化镓基LED外延片，其结构自下而上依次为蓝宝石衬底、低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、p型铝镓氮层、p型氮化镓层和高掺杂p型氮化镓电极接触层，其特征在于所述的非掺杂氮化镓层从下到上依次含有第一非掺杂氮化镓层和第二非掺杂氮化镓层，所述第一非掺杂氮化镓层的厚度为50～1000nm，所述第二非掺杂氮化镓层的厚度为1.0～2.0μm。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基LED外延片的生长方法，采用金属有机化合物化学气相沉积方法，其生长步骤为：
(1)在H2环境中，净化蓝宝石衬底；
(2)在蓝宝石衬底上生长一层低温氮化镓缓冲层；
(3)生长非掺杂氮化镓层；
(4)生长n型氮化镓层；
(5)在N2环境中，生长多量子阱层；
(6)生长p型铝镓氮层；
(7)生长p型氮化镓层；
(8)生长高掺杂p型GaN电极接触层；
其特征在于在步骤(3)中生长所述的非掺杂氮化镓层时，首先在1050～1200℃的温度下，在200～1000乇的压强下，在步骤(2)生长的低温氮化镓缓冲层上生长厚度为50～1000nm的第一非掺杂氮化镓层；然后在1050～1200℃的温度下，在100～500乇的压强下，在所述第一非掺杂氮化镓层上生长厚度为1.0～2.0μm的第二非掺杂氮化镓层；在生长过程中，所述第一非掺杂氮化镓层的生长压强始终高于所述第二非掺杂氮化镓层的生长压强。
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