CN103515495A - 一种GaN基发光二极管芯片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,属于半导体技术领域。方法包括:提供一衬底;在衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层;在多量子阱层上生长p型层和电流扩展层;在多量子阱层上生长p型层,具体包括:在多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层,并对第一子层和第二子层进行Mg的掺杂,第一子层在纯氮气气氛下生长,第二子层在纯氢气气氛下生长。本发明通过将第一子层在纯氮气气氛下生长,有利于提高掺杂的Mg的活化,Mg的活化的提高可以提高空穴浓度;第二子层在纯氢气气氛下生长,由于氢气的强还原性,可以减少晶体中的杂质,增加了空穴的注入效率,提高了晶体的质量和芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种GaN基发光二极管芯片的生长方法。
背景技术
当今GaN基发光二极管的应用已经遍布于显示屏、背光源、交通信号灯、景观灯、照明等各个领域。GaN基发光二极管芯片是GaN基发光二极管的核心组成部分。
现有的GaN基发光二极管芯片一般采用异质外延生长方法,由于材料间的晶格常数和热膨胀系数失配,会产生大量的位错和缺陷,又因多量子阱层一般在较低温度生长,其较低的生长温度也会产生大量的位错和缺陷,这些位错和缺陷会延伸至p型层,影响p型层的晶体质量,为了提高p型层的晶体质量,一般会在N2和H2混合气氛下生长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:
现有技术中在N2和H2混合气氛下生长p型层,其提升p型层质量的效果有限,其生长的发光二极管芯片的空穴注入效率不高,发光效率不高。
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GaN基发光二极管芯片的生长方法。所述技术方案如下:
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,所述方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层;
在所述多量子阱层上生长p型层和电流扩展层;
所述在所述多量子阱层上生长p型层,具体包括:
在所述多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层,并对所述第一子层和所述第二子层进行Mg的掺杂,所述第一子层在纯氮气气氛下生长,所述第二子层在纯氢气气氛下生长。
优选地,所述第一子层和所述第二子层的厚度皆为5~50nm。
优选地,所述第二子层由AlxGayN制成,其中,0≤x<1,0<y<1。
优选地,所述第一子层由AlaInbGaN制成,其中,0≤a<1,0≤b<1。
优选地,各所述第一子层的组分相同。
进一步地,当所述第一子层由AlaInbGaN制成,且0<b<1时,
采用不同的生长温度生长第一子层和第二子层,第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度。
优选地,当所述第一子层由AlaInbGaN制成,且b=0时,
采用相同的温度生长第一子层和第二子层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:将第一子层在纯氮气气氛下生长,有利于提高第一子层中掺杂的Mg的活化,Mg的活化的提高可以提高空穴浓度,从而增加了空穴注入到多量子阱层的效率;第二子层在纯氢气气氛下生长,由于氢气的强还原性,可以减少晶体中的杂质,提高了晶体的质量;依次交替层叠生长第一子层和第二子层,层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力,应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度,提高了晶体质量;第一子层和第二子层的交替生长形成了超晶格结构,改善了空穴的注入和晶体质量,提高了芯片的发光效率,相对于混气氛围下生长的p型层的芯片,其发光效率可以提高10%~15%。
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是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管芯片的生长方法流程图。
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
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,参见图1,该方法包括:
步骤101:提供一衬底。
具体地,在本实施例中,衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤102:在衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层。
可选地,在本实施例中,n型层可以为掺杂Si的GaN层。
可选地,在本实施例中,多量子阱层是由InGaN层和GaN层依次交替层叠而成。在生长多量子阱层时,由于In对温度很敏感在高温下容易挥发,为了便于In的生长,InGaN层的生长温度要低一点,而GaN层要求晶体质量要好,温度要适当高些,因此InGaN层的生长温度低于GaN层的生长温度。
步骤103:在多量子阱层上生长p型层,具体包括:
在多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层,并对第一子层和第二子层进行Mg的掺杂,第一子层在纯氮气气氛下生长,第二子层在纯氢气气氛下生长。
优选地,在本实施例中,第一子层和第二子层的厚度皆为5~50nm。第一子层和第二子层的厚度太厚,会吸光,影响芯片的亮度,厚度太薄,生长条件不好控制。显然地,在本实施例中,第一子层和第二子层的厚度可以相同也可以不同。例如,第一子层和第二子层的厚度都为12.5nm;又例如,各第一子层的厚度为10nm,各第二子层的厚度为15nm。
优选地,第二子层由AlxGayN制成,其中,0≤x<1,0<y<1,即第二子层是由AlGaN制成,还可以是GaN制成。
可选地,各第二子层的组分可以相同也可以不同。例如,各第二子层都由GaN制成;又例如,部分第二子层由AlGaN制成,部分第二子层由GaN制成。
优选地,第一子层由AlaInbGaN制成,其中,0≤a<1,0≤b<1,即第一子层可以是由AlInGaN制成,也可以是由InGaN制成,又可以是AlGaN制成,还可以是GaN制成。
进一步地,在本实施例中,各第一子层的组分相同。第一子层的组分相同,有利于生长条件的控制,简化了生长工艺。显然地,各第一子层的组分也可以不同。例如p型层由3个第一子层和3个第二子层相互交替层叠而成,则三个第一子层分别是由AlInGaN、InGaN、GaN制成,则在生长AlInGaN第一子层时,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和N源,在生长InGaN第一子层时,以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、In和N源,在生长GaN第一子层时,以三甲基镓(TMGa)和氨气(NH3)分别作为Ga和N源。
进一步地,当第一子层由AlaInbGaN制成,且0<b<1时,采用不同的生长温度生长第一子层和第二子层,第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度。由于In对温度很敏感,在高温下容易挥发,当第一子层是由含In元素的化合物制成,第二子层也不含In元素的化合物制成的时候,为了便于In的生长,第一子层的生长温度要低一点,而第二子层要求晶体质量要好,温度要适当高些,第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度,便于第一子层和第二子层的生长。例如,当第一子层由AlInGaN制成,第二子层由GaN制成时,各第一子层的生长温度可以为940℃,各第二子层的生长温度可以为960℃。显然地,在此步骤中,也可以采用相同的温度生长第一子层和第二子层。例如当第一子层由AlInGaN制成,第二子层由GaN制成时,第一子层和第二子层的生长温度都为950℃。
优选地,当第一子层由AlaInbGaN制成,且b=0时,采用相同的温度生长第一子层和第二子层。即当第一子层由不含In元素的化合物制成,第二子层也由不含In元素的化合物制成的时候,采用相同的温度生长第一子层和第二子层,生长条件比较容易控制,简化了生长工艺。例如,当第一子层由AlGaN制成,第二子层由GaN制成,第一子层和第二子层的生长温度都为950℃。显然地,在此步骤中,也可以采用不同的温度生长第一子层和第二子层,例如,当一子层由AlGaN制成,第二子层由GaN制成,各第一子层的生长温度可以为940℃,各第二子层的生长温度可以为960℃。
可选地,当各第一子层的组分相同、各第二子层的组分也相同时,第一子层的组分与第二子层的组分可以相同也可以不同。例如第一子层和第二子层都由AlGaN制成;又例如,各第一子层由AlGaN制成,各第二子层由GaN制成。
可选地,在本实施例中,第一子层和第二子层掺杂的Mg的浓度可以相同也可以不同。
步骤104:在p型层上生长电流扩展层。
优选地,该方法还包括:
在多量子阱层上生长p型阻挡层;
则在多量子阱层上生长p型层,具体包括:
在p型阻挡层上生长p型层。
通过设置p型阻挡层,可以防止电子溢流,从而增加了电子和空穴的复合效率,提高了发光效率。
具体地,步骤101~104可以通过以下步骤实现:
需要说明的是:在生长GaN基发光二极管芯片时,一般是以高纯氢(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和N源,用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。
(1)提供蓝宝石衬底,并将蓝宝石衬底在1070℃和H2气氛下进行热处理10分钟,以清洁表面;
(2)降至540℃,在衬底上沉积一层30nm的缓冲层;
(3)升温至1085℃,在缓冲层上沉积2μm厚的未掺杂的GaN层;
(4)在未掺杂的GaN层上生长2um厚的n型层,该n型层为掺杂Si的GaN层;
(5)在n型层上生长8个周期的InGaN/GaN多量子阱层,其中,各InGaN层的厚度为3nm,其生长温度为760℃;各GaN层的厚度为12nm,其生长温度为880℃;
(6)升温至940℃,在多量子阱层上生长p型电子阻挡层;
(7)升温至950℃,在p型电子阻挡层生长厚度为200nm的p型层,p型层包括8个第一子层和8个第二子层,第一子层在纯氮气气氛下生长,第二子层在纯氢气气氛下生长,且各第一子层和各第二子层的厚度分别为12.5nm。
(8)在950℃的温度下,在p型层上生长电流扩展层。
在除了p型层的生长气氛不同,别的生长工艺相同的条件下,本实施例提供的芯片比混气氛围下生长的芯片(在N2和H2混合气氛下生长p型层),其发 光效率能够提高10%~15%。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:将第一子层在纯氮气气氛下生长,有利于提高第一子层中掺杂的Mg的活化,Mg的活化的提高可以提高空穴浓度,从而增加了空穴注入到多量子阱层的效率;第二子层在纯氢气气氛下生长,由于氢气的强还原性,可以减少晶体中的杂质,提高了晶体的质量;依次交替层叠生长第一子层和第二子层,层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力,应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度,提高了晶体质量;第一子层和第二子层的交替生长形成了超晶格结构,改善了空穴的注入和晶体质量,提高了芯片的发光效率,相对于混气氛围下生长的p型层的芯片,其发光效率可以提高10%~15%。
以上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 (7)
1.一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,所述方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次层叠生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层;
在所述多量子阱层上生长p型层和电流扩展层;
其特征在于,所述在所述多量子阱层上生长p型层,具体包括:
在所述多量子阱层上交替生长第一子层和第二子层,并对所述第一子层和所述第二子层进行Mg的掺杂,所述第一子层在纯氮气气氛下生长,所述第二子层在纯氢气气氛下生长。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一子层和所述第二子层的厚度皆为5~50nm。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二子层由AlxGayN制成,其中,0≤x<1,0<y<1。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述第一子层由AlaInbGaN制成,其中,0≤a<1,0≤b<1。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,各所述第一子层的组分相同。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,当所述第一子层由AlaInbGaN制成,且0<b<1时,
采用不同的生长温度生长所述第一子层和所述第二子层,所述第一子层的生长温度低于所述第二子层的生长温度。
7.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,当所述第一子层由AlaInbGaN制成,且b=0时,
采用相同的温度生长所述第一子层和所述第二子层。
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