CN103489974B - 一种GaN基发光二极管外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片及其制作方法，属于半导体技术领域。该外延片包括：衬底以及在衬底上依次生长的未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层，多量子阱层由若干个量子阱层和若干个量子垒层依次交替层叠而成，外延片还包括在n型层与多量子阱层之间自组装生长的纳米杆层，纳米杆层包括在n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆。本发明通过上述方案，衬底与未掺杂的GaN层之间以及未掺杂的GaN层与n型层之间由于晶格失配导致的位错，在n型GaN纳米杆不断形成的自由表面终止，因此多量子阱层和p型层的位错密度低，多量子阱层和p型层的质量高，GaN基发光二极管外延片发光效率高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片及其制作方法。
背景技术
GaN（氮化镓）是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，其优异的物理和化学特性使其在微电子器件和光电子器件等领域有着很重大的应用前景。GaN基发光二极管具有体积小、亮度高、能耗小的特显，被广泛地应用于显示屏、背光源和照明领域。GaN基发光二极管的核心组件是芯片，芯片又包括外延片和设于外延片上的电极。
现有的GaN基发光二极管外延片一般包括衬底以及在衬底上依次生长的未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层。
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：
现有的GaN基发光二极管外延片中，衬底与未掺杂的GaN层以及未掺杂的GaN层与n型层之间由于晶格失配导致的位错，会延伸至生长在n型层上的多量子阱层和p型层中，使得量子阱层和p型层的位错密度较大，影响了多量子阱层和p型层的质量，降低了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，影响了GaN基发光二极管外延片的发光效率。
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基发光二极管外延片及其制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片，所述外延片包括：衬底以及在所述衬底上依次生长的未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层，所述多量子阱层由若干个量子阱层和若干个量子垒层依次交替层叠而成，所述外延片还包括在所述n型层与所述多量子阱层之间自组装生长的纳米杆层，所述纳米杆层包括在所述n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆。
优选地，所述外延片还包括在所述纳米杆层和所述多量子阱层之间二维平面生长模式生长的n型GaN合拢层。
具体地，所述n型GaN合拢层的厚度为100～1000nm。
优选地，所述n型GaN纳米杆的直径为10～150nm。
优选地，所述n型GaN纳米杆的长度为0.8～4μm。
优选地，所述纳米杆层的密度为1×108～9×1010个/cm2。
另一方面，本发明实施例还提供了一种GaN基发光二极管外延片的制作方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长未掺杂的GaN层和n型层；
在所述n型层上自组装生长纳米杆层，所述纳米杆层包括在所述n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆；
在所述纳米杆层上依次生长多量子阱层和p型层。
优选地，所述在所述纳米杆层上依次生长多量子阱层和p型层，包括：
在所述纳米杆层上采用二维平面生长模式，以大于生长所述n型层的生长速率生长n型GaN合拢层；
在所述n型GaN合拢层上依次生长所述多量子阱层和所述p型层。
优选地，所述n型层的生长速率为1.5～2.5μm/h。
优选地，所述合拢层的生长速率为3～6μm/h。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
n型层与多量子阱层之间自组装生长有纳米杆层，该纳米杆层包括在n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆，在纳米杆层自组装生长的过程中，衬底与未掺杂的GaN层之间以及未掺杂的GaN层与n型层之间由于晶格失配导致的位错，起始于衬底和未掺杂的GaN层接触的界面而终止于自组织生长的n型GaN纳米杆的自由表面，不会延伸至生长在纳米杆层上的多量子阱层和p型层中，且形成的纳米杆层基本没有位错，多量子阱层和p型层生长在基本没有位错的纳米杆层上，降低了多量子阱层和p型层的位错密度，提高了多量子阱层和p型层的质量，提高了电子和空穴的复合效率，增大了GaN基发光二极管外延片的发光效率。
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基发光二极管外延片的示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管外延片的制作方法的流程图。
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基发光二极管外延片，参见图1，该外延片包括：衬底11以及在衬底11上依次生长的未掺杂的GaN层12、n型层13、多量子阱层15和p型层16，多量子阱层15由若干个量子阱层和若干个量子垒层依次交替层叠而成，该外延片还包括在n型层13与多量子阱层15之间自组装生长的纳米杆层14，纳米杆层14包括在n型层13上阵列形式排列的n型GaN纳米杆141。
需要说明的是，未掺杂的GaN层12、n型层13、多量子阱层15和p型层16是采用二维平面的生长模式生长的，此技术为本领域的技术人员所熟知，在此不再详述。
纳米杆层14是自组装生长的。自组装生长是指通过改变应力状况或者生长条件，使薄膜的生长从二维平面生长模式转变到三维岛状生长模式，继续保持三位岛状生长模式就可以形成一定形态的纳米杆阵列（即本实施例中所指的纳米杆层14）。衬底11与未掺杂的GaN层12之间以及未掺杂的GaN层12与n型层13之间由于晶格失配导致的位错，终止于n型GaN纳米杆141在自组装生长过程中不断形成的自由表面，不会延伸至生长在纳米杆层14上的多量子阱层15和p型层16中，且形成的纳米杆层14基本没有位错。
优选地，在本实施例中，该外延片还包括在纳米杆层14和多量子阱层15之间二维平面生长模式生长的n型GaN合拢层17。需要说明的是，由于纳米杆层14包括阵列形式排列的n型GaN纳米杆141，且n型GaN合拢层17采用二维平面生长模式生长，则在纳米杆层14上生长n型GaN合拢层17的过程中，n型GaN合拢层17最开始会部分填充到相邻的n型GaN纳米杆141之间的间隙中，最后会形成薄膜，且形成的薄膜与多量子阱层15接触的界面是凹凸不平的。通过设置n型GaN合拢层17，在n型GaN合拢层17上生长的多量子阱层15可以直接形成连续的薄膜，避免了因受n型GaN纳米杆141形态的影响，多量子阱层15直接在纳米杆层14上形成连续的薄膜较为困难的问题。
优选地，n型GaN合拢层17的厚度为100～1000nm。n型GaN合拢层17的厚度越薄，其与多量子阱层15接触的界面越是凹凸不平，则多量子阱层15之与n型GaN合拢层17接触的界面也越是凹凸不平，该界面可以改变多量子阱层15发射的光的出射角度，使得光可以从GaN基发光二极管外延片内射出，提高了多量子阱层15的出光效率。
优选地，n型GaN纳米杆141的直径为10～150nm。在本实施例中，在自组织生长纳米杆层14时，可以通过改变生长温度、生长速率等条件以控制n型GaN纳米杆141的直径。
优选地，n型GaN纳米杆141的长度为0.8～4μm。在本实施例中，在自组织生长纳米杆层14时，可以通过控制生长时间来控制纳米杆141的长度。
优选地，纳米杆层14的密度为1×108～9×1010个/cm2，即每平方厘米的纳米杆层14具有1×108～9×1010个n型GaN纳米杆141。在本实施例中，自组织生长纳米杆层14时，可以通过改变生长温度等条件以控制纳米杆层14的密度。
n型GaN纳米杆141的直径越大，n型GaN合拢层17形成薄膜状的时间就越短，则n型GaN合拢层17的厚度就越薄；n型GaN纳米杆141的长度越大，n型GaN合拢层17形成薄膜状的时间就越短，则n型GaN合拢层17的厚度就越薄；纳米杆层14的密度越大，n型GaN合拢层17形成薄膜状的时间就越短，则合拢层17的厚度就越薄。因此，通过调整n型GaN纳米杆141的直径、n型GaN纳米杆141的长度或纳米杆层14的密度，可以改变n型GaN合拢层17的厚度，进而改变多量子阱层15之与n型GaN合拢层17接触的界面的形状，调整多量子阱层15的发光效率。由于GaN材料和空气折射率的差异，多量子阱层15发出的光，会在外延片内部发生全反射而（全反射的现象是指光不容易从GaN材料射向空气）难以取出，一定尺寸的n型GaN纳米杆141和一定密度的纳米杆层14可以解决由于折射率差异导致的光不易取出的问题。多量子阱层15由于全反射不易取出的光，经过多量子阱层15之与n型GaN合拢层17接触的界面，该界面改变了这些光的出射角度，使得这些光可以被射向空气，从而提高了外延片的二次出光效率。
可选地，在本实施例中，衬底11可以为蓝宝石衬底。
可选地，在本实施例中，未掺杂的GaN层12的厚度可以为2～3μm，n型层13可以为厚度为1～3μm的n型GaN层。多量子阱层15的量子阱层由InGaN制成，量子垒层由GaN制成。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：n型层与多量子阱层之间自组装生长有纳米杆层，该纳米杆层包括在n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆，在纳米杆层自组装生长的过程中，衬底与未掺杂的GaN层之间以及未掺杂的GaN层与n型层之间由于晶格失配导致的位错，起始于衬底和未掺杂的GaN层接触的界面而终止于自组织生长的n型GaN纳米杆的自由表面，不会延伸至生长在纳米杆层上的多量子阱层和p型层中，且形成的纳米杆层基本没有位错，多量子阱层和p型层生长在基本没有位错的纳米杆层上，降低了多量子阱层和p型层的位错密度，提高了多量子阱层和p型层的质量，提高了电子和空穴的复合效率，增大了GaN基发光二极管外延片的发光效率；
通过调整n型GaN纳米杆的直径、n型GaN纳米杆长度或纳米杆层的密度，可以改变n型GaN合拢层的厚度，从而影响多量子阱层之与n型GaN合拢层接触的界面的形状，可以调整多量子阱层的发光效率；
一定长度、直径的n型GaN纳米杆和一定密度的纳米杆层可以解决由于折射率差异导致的光不易取出的问题，提高了外延片的二次出光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制作方法，可以用来制作实施例一中的外延片，参见图2，该方法包括：
步骤201：提供一衬底；
可选地，在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤202：在衬底上依次生长未掺杂的GaN层和n型层；
在本实施例中，可以生长厚度为2μm的未掺杂的GaN层和厚度为2μm的n型层，n型层可以为n型GaN层。
优选地，在本实施例中，n型层的生长速率可以为1.5～2.5μm/h。
步骤203：在n型层上自组装生长纳米杆层，该纳米杆层包括在n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆；
纳米杆层是自组装生长的。自组装生长是指通过改变应力状况或者生长条件，使薄膜的生长从二维平面生长模式转变到三维岛状生长模式，继续保持三位岛状生长模式就可以形成一定形态的纳米杆阵列（即本实施例中所指的纳米杆层）。自组装生长的纳米杆之间本身就存在间隔，通过改变生长条件可以调节间隔大小。衬底与未掺杂的GaN层之间以及未掺杂的GaN层与n型层之间由于晶格失配导致的位错，起始于衬底和未掺杂的GaN层接触的界面而终止于自组织生长的n型GaN纳米杆的自由表面，不会延伸至生长在纳米杆层上的多量子阱层和p型层中，且形成的纳米杆层基本没有位错。
优选地，n型GaN纳米杆的直径为10～150nm。在本实施例中，在自组织生长纳米杆层时，可以通过改变生长温度、生长速率等条件以控制n型GaN纳米杆的直径。
优选地，n型GaN纳米杆的长度为0.8～4μm。在本实施例中，在自组织生长纳米杆层时，可以通过控制生长时间来控制纳米杆的长度。
优选地，纳米杆层的密度为1×108～9×1010/cm2，即每平方厘米的纳米杆层具有1×108～9×1010个n型GaN纳米杆。在本实施例中，自组织生长纳米杆层时，可以通过改变生长温度等条件以控制纳米杆层的密度。
步骤204：在纳米杆层上依次生长多量子阱层和p型层。
优选地，在纳米杆层上依次生长多量子阱层和p型层，包括：
采用大于生长n型层的生长速率在纳米杆层上生长n型GaN合拢层，；
在n型GaN合拢层上依次生长多量子阱层和p型层。
需要说明的是，由于纳米杆层包括阵列形式排列的n型GaN纳米杆，且n型GaN合拢层采用二维平面生长模式生长，因此在纳米杆层上生长n型GaN合拢层的过程中，n型GaN合拢层最开始会部分填充到相邻的n型GaN纳米杆之间的间隙中，最后会形成薄膜，且形成的薄膜与多量子阱层接触的界面是凹凸不平的。通过设置n型GaN合拢层，在n型GaN合拢层上生长的多量子阱层可以直接形成连续的薄膜，避免了多量子阱层直接生长在纳米杆层上面而受到n型GaN纳米杆形态的影响，不易形成薄膜的问题。
优选地，n型GaN合拢层的生长速率为3～6μm/h。
优选地，n型GaN合拢层的厚度为100～1000nm。n型GaN合拢层的厚度越薄，其与多量子阱层接触的界面越是凹凸不平，则多量子阱层之与n型GaN合拢层接触的界面也越是凹凸不平，从而使得多量子阱层之与n型GaN合拢层接触的界面具有三维量子化的界面，该三维量子化的界面可以改变多量子阱层发射的光的出射角度，使得光可以从GaN基发光二极管外延片内射出，提高了多量子阱层的出光效率。
由于n型GaN纳米杆的直径越大，n型GaN合拢层形成薄膜状的时间就越短，则n型GaN合拢层的厚度就越薄；n型GaN纳米杆的长度越大，n型GaN合拢层形成薄膜状的时间就越短，则n型GaN合拢层的厚度就越薄；纳米杆层的密度越大，n型GaN合拢层形成薄膜状的时间就越短，则合拢层的厚度就越薄。因此，通过调整n型GaN纳米杆的直径、n型GaN纳米杆是长度或是纳米杆层的密度，可以改变n型GaN合拢层的厚度，进而改变多量子阱层之与n型GaN合拢层接触的界面的形状，调整多量子阱层的发光效率。由于GaN材料和空气折射率的差异，多量子阱层发出的光，会在外延片内部发生全反射而（全反射的现象是指光不容易从GaN材料射向空气）难以取出，一定长度、直径的的n型GaN纳米杆和一定密度的纳米杆层可以解决由于折射率差异导致的光不易取出的问题。多量子阱层由于全反射不易取出的光，经过多量子阱层之与n型GaN合拢层接触的界面，该界面改变了这些光的出射角度，使得这些光可以被射向空气，从而提高了外延片的二次出光效率。
优选地，在衬底上依次生长未掺杂的GaN层之前，该方法还包括：
在衬底上生长低温GaN成核层；
在低温GaN成核层上生长未掺杂的GaN层。
需要说明的是，未掺杂的GaN层、n型层、合拢层、多量子阱层和p型层是采用二维平面的生长模式生长的，此技术为本领域的技术人员所熟知，在此不再详述。
具体地，步骤201～204可以通过以下步骤实现：
（1）提供蓝宝石衬底；
（2）采用MOVCD（Metal-organicChemicalVaporDePosition，金属有机化合物化学气相淀积）方法，在反应腔内将蓝宝石衬底在1100℃、纯氢气气氛里处理15分钟，以净化蓝宝石衬底的杂质；
（3）降温至600℃，在衬底上生长20nm厚度的GaN成核层；
（4）升温至1000℃，在GaN成核层上生长3μm的未掺杂的GaN层；
（5）在未掺杂的GaN层上生长2μm的n型GaN层；
（6）自组装生长纳米杆层，各n型GaN纳米杆的直径为60nm、长度为2.5μm，纳米杆层的密度为1×109个/cm2；
（8）在纳米杆层上生长300nm的n型GaN合拢层；
（9）在n型GaN合拢层上生长多量子阱层，其中，量子阱层由In0.16Ga0.84N层制成，量子垒层由GaN层制成，各量子阱层的厚度为2.5nm，各量子垒层的厚度为12nm；
（10）在多量子阱层上生长0.4μm的p型层。
所有外延生长结束后，将反应腔的温度降至800℃，纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延生长。
需要说明的是，未掺杂的GaN层、n型层、n型GaN合拢层、多量子阱层和p型层是采用二维平面的生长模式生长的，此技术为本领域的技术人员所熟知，在此不再详述。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：n型层与多量子阱层之间自组装生长有纳米杆层，纳米杆层包括在n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆，在自组装生长的过程中，衬底与未掺杂的GaN层之间以及未掺杂的GaN层与n型层之间由于晶格失配导致的位错，起始于衬底和未掺杂的GaN层接触的界面而终止于自组织生长的n型GaN纳米杆的自由表面，不会延伸至生长在纳米杆层上的多量子阱层和p型层中，且形成的纳米杆层基本没有位错，多量子阱层和p型层生长在基本没有位错的纳米杆层上，降低了多量子阱层和p型层的位错密度，提高了多量子阱层和p型层的质量，提高了电子和空穴的复合效率，增大了外延片的发光效率；
通过调整n型GaN纳米杆的直径、n型GaN纳米杆长度或是纳米杆层的密度，可以改变n型GaN合拢层的厚度，从而影响多量子阱层之与n型GaN合拢层接触的界面的形状，可以调整多量子阱层的发光效率；
一定长度、直径的n型GaN纳米杆和一定密度的纳米杆层可以解决由于折射率差异导致的光不易取出的问题，提高了外延片的二次出光效率。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (8)
1.一种GaN基发光二极管外延片，所述外延片包括衬底以及在所述衬底上依次生长的未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层，所述多量子阱层由若干个量子阱层和若干个量子垒层依次交替层叠而成，其特征在于，所述外延片还包括在所述n型层与所述多量子阱层之间自组装生长的纳米杆层，所述纳米杆层包括在所述n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆；
所述外延片还包括在所述纳米杆层和所述多量子阱层之间二维平面生长模式生长的n型GaN合拢层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述n型GaN合拢层的厚度为100～1000nm。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述n型GaN纳米杆的直径为10～150nm。
4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述n型GaN纳米杆的长度为0.8～4μm。
5.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述纳米杆层的密度为1×108～9×1010个/cm2。
6.一种GaN基发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长未掺杂的GaN层和n型层；
在所述n型层上自组装生长纳米杆层，所述纳米杆层包括在所述n型层上阵列形式排列的n型GaN纳米杆；
在所述纳米杆层上依次生长多量子阱层和p型层；
所述在所述纳米杆层上依次生长多量子阱层和p型层，包括：
在所述纳米杆层上采用二维平面生长模式，并以大于生长所述n型层的生长速率生长n型GaN合拢层；
在所述n型GaN合拢层上依次生长所述多量子阱层和所述p型层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述n型层的生长速率为1.5～2.5μm/h。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述n型GaN合拢层的生长速率为3～6μm/h。
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