CN103904171A - GaN基发光二极管的外延片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法，属于半导体技术领域。所述方法包括：提供一衬底；在该衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层，该多量子阱层为超晶格结构，每个周期包括量子阱层和量子垒层，紧邻p型层的至少2层量子垒层的生长温度高于除了至少2层量子垒层以外的量子垒层的生长温度。本发明通过使靠近n型层的量子垒层生长温度较低，晶体的质量较差，将应力逐步释放，从而降低压电极化效应，进而有利于靠近p型层的量子垒层的生长，且靠近p型层的量子垒层由于生长温度较高，晶体的质量得到很好的改善，降低了半宽高，进一步提高电子和空穴的复合几率，从而提高GaN基发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法。
背景技术
LED（Lighting Emitting Diode，发光二极管）因其体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等优点，被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，GaN及其合金的带隙复盖了从红色到紫外的光谱范围。同时，GaN材料系列具有低热的产生率和高的击穿电场，有利于器件在大功率条件下工作。因此，GaN材料系列被广泛应用于LED中。
现有的GaN基发光二极管的外延片通常包括衬底、以及依次生长在衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，其中，多量子阱层的结构是InGaN量子阱层和GaN量子垒层，对载流子起限制作用。
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：
由于GaN量子垒层和InGaN量子阱层之间的晶格失配，使得多量子阱层的压电极化电场的作用较强，InGaN量子阱层和GaN量子垒层的能带弯曲度变大，减弱了对载流子的束缚能力，容易形成漏电流，因此GaN基发光二极管的发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术中多量子阱层的压电极化电场作用较强导致的GaN基发光二极管的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层，所述多量子阱层为超晶格结构，所述多量子阱层的每个周期包括量子阱层和在量子阱层上生长的量子垒层，紧邻所述p型层的至少2层量子垒层的生长温度高于除了所述至少2层量子垒层以外的量子垒层的生长温度。
优选地，从所述n型层一侧开始，所述至少2层量子垒层的生长温度是逐渐升高的或者是保持不变的。
优选地，从所述n型层一侧开始，除了所述至少2层量子垒层以外的多层所述量子垒层的生长温度是保持不变的，或者是逐渐升高的，或者是先逐渐升高再保持不变的，或者所述至少2层量子垒层的生长温度是先逐渐升高再逐渐降低的。
进一步地，每层所述量子垒层的生长温度先逐渐升高再保持不变再逐渐降低，或者每层所述量子垒层的生长温度先逐渐升高再逐渐降低。
进一步地，所述多量子阱层的所有所述量子垒层的生长温度中的最高温度与最低温度的差值为5℃～50℃，所述最低温度为900℃。
可选地，所述量子阱层的生长温度大于或等于700℃，且小于900℃。
可选地，紧邻所述p型层的量子垒层的生长厚度小于除了紧邻所述p型层的量子垒层以外的量子垒层的生长厚度。
进一步地，从所述n型层一侧开始，所述多量子阱层中的所有所述量子垒层的生长厚度逐渐减薄，或者所有所述量子垒层的生长厚度先保持不变再逐渐减薄。
优选地，每层所述量子垒层的厚度为8nm～20nm。
可选地，所述量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr，所述量子垒层的生长压力高于所述量子阱层的生长压力。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过使量子垒层的生长温度为变化的，紧邻p型层的至少2层量子垒层的温度高于其他量子垒层的温度，这样靠近n型层的量子垒层由于生长温度较低，晶体的质量较差，可以将多量子阱层的应力逐步释放，从而降低压电极化效应，且由于靠近p型层的量子垒层由于生长温度较高，晶体的质量得到很好的改善，降低了半宽高，进一步提高电子和空穴的复合机率，从而提高GaN基发光二极管的发光效率。
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基发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图1a-1d是本发明实施例一提供的多量子阱层的生长温度的变化的示意图；
图1e是图1a提供的多量子阱层的另一种生长温度的变化的示意图；
图1f是本发明实施例一提供的一种GaN基发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的多量子阱层的生长温度和生长时间的变化的示意图。
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基发光二极管的外延片的制备方法，参见图1，该方法包括：
步骤101：提供一衬底。
该衬底包括但不限于蓝宝石衬底。
实现时，可以将蓝宝石衬底在MOCVD（Metal-organic Chemical VaporDeposition金属有机化合物化学气相沉淀）反应腔中加热至1060℃，在氢气气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理以及氮化处理10分钟，以清洁衬底表面。
步骤102：在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的GaN层和n型层。
其中，缓冲层可以为氮化镓层、氮化铝层或铝镓氮层等。
n型层可以为Si掺杂的GaN层，但不限于Si掺杂。实现时，可以选用硅烷完成n型层中的硅掺杂。该n型层可以为单层结构也可以为多层结构。
步骤103：在n型层上生长多量子阱层，该多量子阱层为超晶格结构，该多量子阱层的每个周期包括量子阱层和在量子阱层上生长的量子垒层，紧邻p型层的至少2层量子垒层的生长温度高于除了至少2层量子垒层以外的量子垒层的生长温度。
其中，从n型层一侧开始，至少2层量子垒层的生长温度可以逐渐升高，或者至少2层量子垒层的生长温度是也可以保持不变。例如，至少2层量子垒层刚好为2层时，则其生长方式可以是，这2层的温度相同（例如都为930℃），还可以是从n型层一侧开始，一层为933℃，而另一层的温度为935℃。
在本实施例中，量子阱层为InGaN量子阱层。量子阱层的生长温度是保持不变的，且低于量子垒层的生长温度。具体地，量子阱层的生长温度大于等于700℃，且小于900℃。优选的量子阱层的生长温度为850℃。
实现时，多量子阱层的所有量子垒层的生长温度中的最高温度与最低温度的差值为5℃～50℃，其中，最低温度可以为900℃。需要说明的是，最低生长温度会受到发光二极管生长的光的类型以及其他的外部生长环境的影响，具体的可以根据实际生长情况做适当的调整。这里的最低温度为生长白光发光二极管。
在本实施例中，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度可以是不变的，也可以是变化的，例如，逐渐升高，或者先逐渐升高再逐渐降低，或者先逐渐升高再保持不变。
在一种实现方式中，从n型层一侧开始，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度是逐渐升高的，且至少2层量子垒层的生长温度是逐渐升高的。参见图1a，所有的量子阱层均采用TQW的温度生长。假设量子垒层的生长温度是，第一层量子垒层采用TQB1温度生长，第二层量子垒层采用TQB2温度生长，第n层量子垒层采用TQBn温度生长，并且各个量子垒层的生长温度的关系为：TQB1＜TQB2＜...＜TQBn，5℃≤TQBn-TQB1≤50℃。容易理解的，在这种实现方式中，多量子阱层的各个量子垒层的生长温度均不同，其中TQB1的温度最低，TQBn的温度最高，这样靠近n型GaN一侧量子垒层的生长温度较低，生长的量子垒层晶体质量较差，可以释放底层及多量子阱层所产生的应力，同时，靠近p型层的量子垒层由于生长温度较高，晶体的质量得到很好的改善，可以提高电子和空穴的复合机率，从而提高GaN基发光二极管的发光效率。
在另一种实现方式中，从n型层一侧开始，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度是先逐渐升高再保持不变的，且至少2层量子垒层的生长温度是保持不变的。参见图1b，所有的量子阱层均采用TQW的温度生长。以生长7层量子垒层为例，并假设量子垒层的生长温度是，第一层量子垒层采用TQB1温度生长，第二层量子垒层采用TQB2温度生长，第三层量子垒层采用TQB3温度生长，第四层量子垒层采用TQB4温度生长，第5层量子垒层采用TQB5温度生长，第6层量子垒层采用TQB6温度生长，第7层量子垒层采用TQB7温度生长，则，TQB1＜TQB2＜TQB3，且TQB3=TQB4=TQB5<TQB6=TQB7，并且5℃≤TQB6-TQB1≤50℃。采用这种方式来改变量子垒层的生长温度，由于只是使生长温度先逐渐升高，然后保持不变，生长条件比较容易控制，实现较为简单。容易理解的，在其他实现方式中，至少2层量子垒层的生长温度也可以是逐渐升高的。
在又一种实现方式中，从n型层一侧开始，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度是先逐渐升高再逐渐降低的，且至少2层量子垒层的生长温度是保持不变的。参见图1c，所有的量子阱层均采用TQW的温度生长。以生长6层量子垒层为例，并假设量子垒层的生长温度是，第一层量子垒层采用TQB1温度生长，第二层量子垒层采用TQB2温度生长，第三层量子垒层采用TQB3温度生长，第四层量子垒层采用TQB4温度生长，第5层量子垒层采用TQB5温度生长，第6层量子垒层采用TQB6温度生长，第7层量子垒层采用TQB7温度生长，并且各个量子垒层的生长温度的关系为：TQB1＜TQB2＜TQB3，且TQB3>TQB4>TQB5，TQB6=TQB7>TQB3，5℃≤TQB7-TQB1≤50℃。可以理解地，还可以是TQB3不等于TQB6。容易理解的，在其他实现方式中，至少2层量子垒层的生长温度也可以是逐渐升高的。
需要说明的是，与示例性图1b和1c对应的生长方式，从n型层一侧开始，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度可以是周期性的先逐渐升高再保持不变，或者周期性的先逐渐升高再逐渐降低，例如，在图1b和图1c中，也可以将TQB1至TQB5看作一个变化周期。
在又一种实现方式中，从n型层一侧开始，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度是保持不变的，且至少2层量子垒层的生长温度是保持不变的。参见图1d，所有的量子阱层均采用TQW的温度生长。假设量子垒层的生长温度是，第一层量子垒层采用TQB1温度生长，TQB1=TQB2=...<TQBn-1=TQBn，第二层量子垒层采用TQB2温度生长，第n层量子垒层采用TQBn温度生长，则，并且5℃≤TQBn-TQB1≤50℃。采用这种方式来改变量子垒层的生长温度，由于生长温度的一直保持不变，生长条件比较容易控制，实现最为简单。容易理解的，在其他实现方式中，至少2层量子垒层的生长温度也可以是逐渐升高的。
容易理解的，在以上四种实现方式中，靠近p型层的量子垒层的晶体质量要高于靠近n型层的量子垒层的晶体质量，而多量子阱层的发光区主要靠近p型层，这样可以提高电子和空穴的复合机率，降低了半宽高，从而提高GaN基发光二极管的发光效率。
在其他实施例中，从n型层一侧开始，除了至少2层量子垒层以外的多层量子垒层的生长温度还可以是先逐渐降低再逐渐升高。容易理解地，在这种实现方式中仍然需要保证紧邻p型层的至少2层量子垒层的温度高于除了至少2层量子垒层以外的量子垒层的温度。
在本实施例中，每层量子垒层的生长温度可以是先逐渐升高再保持不变再逐渐降低，或者每层量子垒层的生长温度也可以是先逐渐升高再逐渐降低。容易理解地，由于在从量子阱层的生长温度升高到量子垒层的生长温度的过程中，以及从量子垒层的生长温度降低到量子阱层的生长温度的过程中，均是在生长量子垒层，所以每层量子垒层的生长温度也是变化的，且至少会经历先升高，再降低的过程。当多层量子垒层采用如图1a-1d的生长模式生长时，每层量子垒层的生长温度还有保持恒温的过程。
具体地，以生长1层量子阱层和1层量子垒层为例来说明多量子阱层的生长过程，参见图1a-1d，首先采用TQW生长第一层量子阱层，然后逐渐升温至TQB1并保持一段时间（即采用恒温），再逐渐降温至TQW，在从TQW逐渐升温至TQB1并保持一段时间以及再逐渐降温至TQW的过程生长第一层量子垒层。
在其他实施例中，多量子阱层的生长过程还可以是，在生长量子垒层的过程中不包括恒温的部分。仍以生长1层量子阱层和1层量子垒层为例来说明。参见图1e，首先采用TQW生长第一层量子阱层，然后逐渐升温至TQB1，再逐渐降温至TQW，在从TQW逐渐升温至TQB1并逐渐降温至TQW的过程生长第二层量子垒层。容易理解地，图1b-1d也可以采用不包括恒温的部分，其与图1e类似，在此不再赘述。
上述举例仅用于说明本发明的量子垒层的生长温度的变化，具体的量子垒层的生长温度与层数关系可以根据实际需要设置，本发明对此不作限制。
在本实施例中，量子垒层的厚度为8nm～20nm。量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr，量子垒层的生长压力高于所述量子阱层的生长压力。
步骤105：在多量子阱层上生长p型层。
p型层可以是Mg掺杂的GaN层，但不限于Mg掺杂。具体地，可以选用二茂镁对p型层进行镁掺杂。该p型层可以为单层结构也可以为多层结构。
可选地，该方法还可以包括：在多量子阱层和生长p型电子阻挡层，以增强多量子阱层束缚电子的能力。该步骤在步骤105之前执行。
需要说明的是，在实现过程中，可以以高纯NH3作为氮源，三甲基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源来制备与该方法对应的外延片。
参见图1f，根据该方法制备的外延片可以包括衬底1以及在衬底1上依次生长的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、n型层4、多量子阱层5、p型电子阻挡层6和p型层7，多量子阱层5为超晶格结构，多量子阱层5的每个周期包括量子阱层5a和在量子阱层5a上生长的量子垒层5b。
本发明实施例通过使量子垒层的生长温度为变化的，紧邻p型层的至少2层量子垒层的温度高于其他量子垒层的温度，这样靠近n型层的量子垒层由于生长温度较低，晶体的质量较差，可以将多量子阱层的应力逐步释放，从而降低压电极化效应，且由于靠近p型层的量子垒层由于生长温度较高，晶体的质量得到很好的改善，降低了半宽高，进一步提高电子和空穴的复合机率，从而提高GaN基发光二极管的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法，本实施例中的外延片的制备方法基本与实施例一相同，不同之处在于，紧邻p型层的量子垒层的生长厚度小于除了紧邻p型层的量子垒层以外的量子垒层的生长厚度。
具体时，从n型层一侧开始，多量子阱层中的所有量子垒层的生长厚度逐渐减薄，或者所有量子垒层的生长厚度先保持不变再逐渐减薄。
实现时，量子垒层的生长厚度可以通过改变量子垒层的生长时间或者生长速率来控制。具体地，量子垒层的生长厚度与生长时间成正比。在其他的生长条件不变的条件下，可以缩短量子垒层的生长时间以减薄其生长厚度。例如，参见图2，通过逐渐缩短生长时间以使多层量子垒层的生长厚度从n型层一侧开始逐渐变薄。对于量子垒层来说，在其他的生长条件不变的条件下，其生长速率与生长压力成反比，而与TMGa源的通入量成正比，故控制量子垒层的生长速率可以包括调整TMGa（三甲基镓）源的通入量或改变量子垒层的生长压力。
在本实施例中，每层量子垒层的生长厚度为8nm～20nm。优选地，量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr，量子垒层的生长压力高于量子阱层的生长压力。
本发明实施例通过使量子垒层的生长温度为变化的，紧邻p型层的至少2层量子垒层的温度高于其他量子垒层的温度，这样靠近n型层的量子垒层由于生长温度较低，晶体的质量较差，可以将多量子阱层的应力逐步释放，从而降低压电极化效应，且由于靠近p型层的量子垒层由于生长温度较高，晶体的质量得到很好的改善，降低了半宽高，进一步提高电子和空穴的复合机率，从而提高GaN基发光二极管的发光效率。另外，采用生长厚度不同的量子垒层，使靠近n型层的量子垒层的厚度较厚，可以更好地阻挡电子，将更多的电子限制在量子阱层中，而靠近p型层的量子垒层的厚度较薄，p型层中的空穴可以更容易进入到量子阱层中与电子复合发光，从而进一步提高GaN基发光二极管的发光效率。
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 (10)
1.一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层，所述多量子阱层为超晶格结构，所述多量子阱层的每个周期包括量子阱层和在量子阱层上生长的量子垒层，其特征在于，
紧邻所述p型层的至少2层量子垒层的生长温度高于除了所述至少2层量子垒层以外的量子垒层的生长温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述n型层一侧开始，所述至少2层量子垒层的生长温度是逐渐升高的，或者所述至少2层量子垒层的生长温度是保持不变的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述n型层一侧开始，除了所述至少2层量子垒层以外的多层所述量子垒层的生长温度是保持不变的，或者是逐渐升高的，或者是先逐渐升高再保持不变的，或者是先逐渐升高再逐渐降低的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每层所述量子垒层的生长温度先逐渐升高再保持不变再逐渐降低，或者每层所述量子垒层的生长温度先逐渐升高再逐渐降低。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述多量子阱层的所有所述量子垒层的生长温度中的最高温度与最低温度的差值为5℃～50℃，所述最低温度为900℃。
6.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述量子阱层的生长温度大于或等于700℃，且小于900℃。
7.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，紧邻所述p型层的量子垒层的生长厚度小于除了紧邻所述p型层的量子垒层以外的量子垒层的生长厚度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，从所述n型层一侧开始，所述多量子阱层中的所有所述量子垒层的生长厚度逐渐减薄，或者所有所述量子垒层的生长厚度先保持不变再逐渐减薄。
9.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，每层所述量子垒层的厚度为8nm～20nm。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr，所述量子垒层的生长压力高于所述量子阱层的生长压力。
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