CN103337571B - 改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构及生长方法，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、AlxGa1-xN插入层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；其特征在于，在GaN非掺杂层后插入一层AlxGa1-xN层，当AlxGa1-xN层插入外延结构以后，在生长GaN非掺杂层时，该GaN非掺杂层流量相对不插入AlxGa1-xN层的情况减少10%~30%；在插入AlxGa1-xN层以后生长N型GaN层时，该N型GaN层流量相对不插入所述AlxGa1-xN层的情况减少0~20%。本发明方法可以有效提高LED外延片内波长集中度。
Description
技术领域
本发明属于Ⅲ-Ⅵ族氮化物材料制备技术领域，特别涉及一种新型的GaN外延结构，能够有效提高GaN基外延片内波长集中度的外延结构及其生长方法。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以将电能直接转换为光能。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，复合的能量以光的形式发射，可以形成各种颜色的光。
以GaN为代表的Ⅲ-Ⅵ族材料属于宽禁带半导体材料，在20世纪90年代之后得到迅猛发展。优异的耐腐蚀能力、高击穿电场、高热导率、高电子饱和速率、高抗辐射能力，使得GaN为代表的Ⅲ-Ⅵ族材料成为新兴半导体产业的基础器件和核心材料，被誉为IT产业的发动机。GaN基材料是现代发光二极管的基石，已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用，具有高效、环保、节能、寿命长等显著特点，是一种新型固态冷光源。
目前在LED的外延制备过程中，工业生产均采用异质外延的生长方式。但异质外延会对LED带来不利影响，以蓝宝石衬底为例：蓝宝石和GaN材料之间存在很大的晶格失配和热失配，加上生长时，外延片受到高温产生的翘曲，使得片子生长表面不是一个理想的平面，这对LED外延片内波长集中度产生不利影响。鉴于此，有必要提供一种新的LED外延结构及生长方法以克服上述缺点。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供一种改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构及生长方法，通过在GaN非掺杂层后插入一层应力释放层AlxGa1-xN(0.05<x<0.25)，可以限制缺陷在向有源区延伸的同时，减少外延片的翘曲程度，使得材料在生长时，接近理想的平面，从而提高LED外延片内波长集中度，增强GaN基LED外延的良率。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构，该外延结构从下向上的顺序依次为： 衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、AlxGa1-xN插入层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；其特征在于，在所述GaN非掺杂层后插入一层AlxGa1-xN层，其中0.05<x<0.25。
一种改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构的生长方法，在所述GaN非掺杂层后插入一层AlxGa1-xN层的方法是：当AlxGa1-xN层插入外延结构以后，在生长GaN非掺杂层时，该GaN非掺杂层流量相对不插入AlxGa1-xN层的情况减少10％～30％；在插入AlxGa1-xN层以后生长N型GaN层时，该N型GaN层流量相对不插入所述AlxGa1-xN层的情况减少0～20％。
所述AlxGa1-xN层的插入生长厚度保持在0-1μm之间。
本发明的优点在于，通过在GaN非掺杂层后插入一层应力释放层AlxGa1-xN(0.05<x<0.25)的方法，一方面，可以降低GaN非掺杂的厚度，另一方面可以限制缺陷在向有源区延伸的同时，减少外延片的翘曲程度，从而提高LED外延片内波长集中度，增强GaN基LED外延的良率。
附图说明
图1是本发明所提供的LED外延结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示的LED外延结构，从下向上的顺序依次包括：衬底1、低温GaN缓冲层2、GaN非掺杂层3、AlxGa1-xN(0.05<x<0.25)层4、n型GaN层5、多量子阱结构MQW 6、多量子阱有源层7、低温P型GaN层8、P型AlGaN层9、高温P型GaN层10和P型接触层11。
步骤一：将4inch衬底1在氢气气氛里进行退火，清洁衬底表面，温度控制在1000-1200℃之间，然后对蓝宝石衬底表面进行氮化处理，所述衬底是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，GaN单晶，单晶硅、碳化硅单晶；
步骤二：将温度下降到450-650℃之间，生长15-35nm厚的低温GaN缓冲层，此生长过程时，生长压力控制在400-760Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在50-3000之间；
步骤三：GaN非掺杂层3：低温GaN缓冲层2生长结束后，对其原位进行热退火处理，停止通入TMGa,将衬底温度升高至1000－1300℃之间，退火时间在5分钟至10min之间；退 火之后，将温度调节至1000-1300℃之间，生长厚度为0.8-4μm间的高温GaN非掺杂层3，此生长过程时，生长压力在100－600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤四：AlxGa1-xN(0.05<x<0.25)层4：GaN非掺杂层3生长结束后，生长一层Al掺杂浓度稳定的AlxGa1-xN(0.05<x<0.25)层4，厚度保持在0-1μm之间，生长温度在1000℃-1300℃之间，生长压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤五：n型GaN层5：AlxGa1-xN(0.05<x<0.25)层4生长结束后，生长一层掺杂浓度稳定的n型GaN层5，厚度在1～4μm，生长温度在1000℃-1300℃之间，生长压力在50-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-3300之间；
步骤六：多量子阱结构MQW 6：由5-15个周期的InxGa1-XN(0.01<x<0.4)/GaN多量子阱组成，其中阱的厚度在2-6nm之间，生长温度在700-950℃之间，压力在100-600Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-4000之间；
步骤七：多量子阱有源层7：多量子阱结构MQW 6生长结束后，开始生长多量子阱有源层7发光层结构，多量子阱有源层7发光层由2-20个周期的InyGa1-yN(x<y<1)/GaN多量子阱组成，阱的厚度在2－6nm之间，生长温度在700-950℃之间，生长压力在200-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在400-5500之间；
步骤八：低温P型GaN层8：多量子阱有源层7生长结束后，生长厚度10-100nm之间的低温P型GaN层8，生长温度在500-900℃之间，生长时间在5-20分钟之间，压力在100-500Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间。在生长P型层的过程中，N2作为载气，二茂镁作为掺杂介质；
步骤九：P型AlGaN层9：低温P型GaN层8生长结束后，将温度升至900℃-1200℃之间，生长压力在100-500Torr之间，生长时间在5-15分钟之间，生长厚度10-100nm之间的p型AlGaN电子阻挡层，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在100-2000之间，Al的组分控制在5％-35％之间，该层禁带宽度大，作为电子阻挡层使用；
步骤十：高温P型GaN层10：P型AlGaN层9生长结束后，生长一层厚度0.1-0.9nm之间的高温p型GaN层，其生长温度在900-1200℃之间，生长压力在100-600Torr之间，生长时间在5-20min之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间；
步骤十一：P型接触层11：高温P型GaN层10生长结束后，生长一层厚度5-30nm之间的p型接触层11，其生长温度在800-1100℃之间，压力在100-500Torr之间，生长时间在1-10min之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在100-2000之间；
步骤十二：外延生长结束后，将反应室的温度降至650-800℃之间，采用纯氮气氛围中退火处理5-15min，然后降至室温，结束外延生长；
然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制成单颗小尺寸芯片。
上述步骤四中，在GaN非掺杂层3后插入一层AlxGa1-xN层4的生长方法是：当AlxGa1-xN层插入外延结构以后，在生长GaN非掺杂层时，该GaN非掺杂层流量相对不插入AlxGa1-xN层的情况减少10％～30％；在插入AlxGa1-xN层以后生长N型GaN层时，该N型GaN层流量相对不插入所述AlxGa1-xN层的情况减少0～20％。
本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。
Claims (2)
1.一种改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构的生长方法，该外延结构从下向上的顺序依次为：衬底、低温GaN缓冲层、GaN非掺杂层、AlxGa1-xN插入层、N型GaN层、多量子阱结构MQW、多量子阱有源层、低温P型GaN层、P型AlGaN层、高温P型GaN层和P型接触层；其特征在于，在所述GaN非掺杂层后插入所述AlxGa1-xN层，其中0.05<x<0.25；在所述GaN非掺杂层后插入所述AlxGa1-xN层的方法是：当AlxGa1-xN层层插入外延结构以后，在生长GaN非掺杂层时，该GaN非掺杂层流量相对不插入AlxGa1-xN层的情况减少10％～30％；在插入AlxGa1-xN层以后生长N型GaN层时，该N型GaN层流量相对不插入所述AlxGa1-xN层的情况减少0～20％。
2.根据权利要求1所述的改善GaN基外延片内波长集中度的外延结构的生长方法，其特征在于，所述AlxGa1-xN层的插入生长厚度保持在0-1μm之间。
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