CN104022198B - GaN基发光二极管的外延片及其制作方法 - Google Patents

GaN基发光二极管的外延片及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管的外延片及其制作方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括：衬底、生长在衬底上的缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层、复合层和P型氮化镓层，复合层包括多个周期，每个周期中的复合层包括插入层和电子阻挡层，从多量子阱层一侧开始，插入层和电子阻挡层依次层叠布置，插入层为Al元素掺杂的氧化锌层。本发明通过Al元素掺杂的ZnO插入层成为载流子的蓄积层，蓄积后的载流子迅速在二维平面内铺展，增强抗静电击穿能力，电子阻挡层可以有效地阻挡电子溢流，且ZnO与多量子阱层中的采用GaN层的量子垒层的晶格失配比较小，可有效避免晶格失配缺陷，有利于提高载流子的注入效率，进而增强发光二极管的发光效率。

Description

GaN基发光二极管的外延片及其制作方法
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，其优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，使其被广泛地应用于制作蓝、绿、紫外发光二极管。GaN基发光二极管通常包括外延片和设于外延片上的电极。
现有的一种GaN基半导体发光外延片，其包括衬底、以及依次生长在衬底上的N型层、多量子阱层、EBL(Electron Blocking Layer，电子阻挡层)和P型层，其中，多量子阱层是InGaN和GaN交替生长的超晶格结构，其对载流子起限制作用，当正向电流通过时，N型层中的电子和P型层中的空穴被限制在量子阱层中发光。EBL层为单层p型AlGaN或p型AlGaN和GaN构成的短周期超晶格结构，其通过抑制电子溢流出多量子阱层，提高载流子的注入效率，进而提高发光二极管的亮度。
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：
在EBL中，随着Al含量的增加，p型AlGaN或p型AlGaN和GaN构成的短周期超晶格结构的性质可以发生原子迁移率降低或者缺陷态的改变，使得外延片的质量变差，晶格失配和极化效应增强，进而导致EBL有效势垒高度降低，电子溢流的可能性增加，从而降低了发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的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基发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底、生长在所述衬底上的缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述多量子阱层为超晶格结构，所述超晶格结构包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述外延片还包括：生长在所述多量子阱层和所述P型氮化镓层之间的复合层，所述复合层包括多个周期，每个所述周期中的所述复合层包括插入层和电子阻挡层，从所述多量子阱层一侧开始，所述插入层和所述电子阻挡层依次层叠布置，所述插入层为Al元素掺杂的氧化锌层。
进一步地，每层所述插入层中的所述Al元素的氧化物的摩尔掺杂比大于0且小于或等于3.0％。
可选地，多层所述插入层中的所述Al元素的含量固定、逐层增加、逐层降低或者相邻的周期中的两层所述插入层中的所述Al元素的含量一高一低交替变化。
可选地，所述插入层还掺杂有金属元素和所述金属元素的氧化物中的至少一种，所述金属元素包括In、Sn、Ti、Ni、Ta和Ga。
进一步地，每层所述插入层中的所述金属元素和所述金属元素的氧化物的摩尔掺杂比为大于等于0且小于或等于2.0％。
可选地，多层所述插入层中的所述金属元素和所述金属元素的氧化物的含量固定、逐层增加、逐层降低或者相邻的周期中的两层所述插入层中的所述金属元素和所述金属元素的氧化物的含量一高一低交替变化。
可选地，所述复合层的周期数为1～50。
可选地，所述复合层的总体厚度为20～200nm，所述复合层的每个周期的厚度为1～20nm。
进一步地，每层所述插入层中的Al元素的摩尔掺杂比大于0且小于或等于3.0％。
另一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片的制作方法，用于制备如上述一方面所述的外延片，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长复合层，所述复合层包括多个周期，每个所述周期中的所述复合层包括插入层和电子阻挡层，从所述多量子阱层一侧开始，所述插入层和所述电子阻挡层依次层叠布置，所述插入层为Al元素掺杂的氧化锌层；
在所述复合层上生长P型氮化镓层。
进一步地，所述插入层和所述电子阻挡层的生长温度为200～1000℃，生长压力为50～500托。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在多量子阱层和P型氮化镓层之间增加复合层，该复合层包括插入层和电子阻挡层，插入层为Al元素掺杂的氧化锌层，合理的Al元素掺杂的ZnO可以调控插入层的带隙和阻值，低阻的插入层可以成为载流子的蓄积层，使蓄积后的载流子迅速的在二维平面内铺展，增强其抗静电击穿能力，与插入层配合使用的电子阻挡层可以有效地阻挡电子溢流，且ZnO与多量子阱层中的采用GaN层的量子垒层的晶格失配比较小，可有效避免晶格失配缺陷，有利于提高载流子的注入效率，进而增强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结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的GaN基发光二极管的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基发光二极管的外延片的结构示意图，参见图1，该外延片包括：该外延片包括衬底1、生长在衬底1上的缓冲层2、N型氮化镓层4、多量子阱层5和P型氮化镓层6，多量子阱层5为超晶格结构，该超晶格结构包括交替生长的量子阱层51和量子垒层52，该外延片还包括生长在多量子阱层5和P型氮化镓层6之间的复合层7，复合层7包括多个周期，每个周期中的复合层7包括插入层71和电子阻挡层72，从多量子阱层5一侧开始，插入层71和电子阻挡层72依次层叠布置，插入层71为Al元素掺杂的氧化锌(ZnO)层。
采用Al元素掺杂的ZnO层的插入层带隙较大，且其带隙可以通过Al元素的掺杂浓度进行调节，其生长温度区间和生长压力区间宽泛，制备工艺简单粗放，制作成本低。
其中，电子阻挡层72为AlyGa1-yN层或者InAlN层，其中，0.1<y<0.5。
优选地，复合层7可以为超晶格结构或叠层结构。当复合层7采用超晶格结构时，其一个周期即为超晶格结构的一个周期，当复合层7采用叠层结构时，其一个周期即为一层插入层71和一层电子阻挡层72，这里的叠层结构的每个周期的复合层对应的厚度大于超晶格结构的每个周期的复合层的对应的厚度。
在本实施例中，插入层71还可以掺杂金属元素和金属元素的氧化物中的至少一种，金属元素包括In、Sn、Ti、Ni、Ta和Ga。随着电流的注入，掺杂Al元素的ZnO材料的性质可能会发生原子迁移或者缺陷态的改变，使插入层的电学性质不稳定，而金属元素和其氧化物的掺入可以提高插入层的稳定性，提高了空穴的注入效率，从而进一步提高发光二极管的发光效率。
其中，每层插入层71中的Al元素的摩尔掺杂比大于0且小于或等于3.0％，优选的Al元素的摩尔掺杂比大于0且小于或等于1.5％。
多层插入层71中的Al元素的含量固定、逐层增加、逐层降低或者相邻的周期中的两层插入层71中的Al元素的含量一高一低交替变化。
每层插入层71中的金属元素和金属元素氧化物的摩尔掺杂比大于等于0且小于或等于2.0％。
多层插入层71中的金属元素和金属元素的氧化物的含量固定、逐层增加、逐层降低或者相邻的周期中的两层插入层71中的金属元素和金属元素的氧化物的含量一高一低交替变化。需要说明的是，在相邻的周期中的两层插入层71中的金属元素和金属元素的氧化物的含量一高一低交替变化的方式中，含量较低的插入层中的金属元素和金属元素的氧化物的含量可以为0。
在实际应用中，可以根据需要对插入层71中的Al元素的含量的变化和金属元素和金属元素的氧化物的含量的变化进行任意组合。
在本实施例中，复合层7的周期数可以为1～50。复合层7的总体厚度可以为20～200nm，复合层7的每个周期的厚度可以为1～20nm。实现时，复合层7的周期数优选为1～30，复合层7的总体厚度优选为20～120nm，复合层7的每个周期厚度优选为1～12nm。
实现时，量子阱层为InGaN层，量子垒层为GaN层。
可选地，衬底1包括但不限于蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2可以包括低温缓冲层21和高温缓冲层22。可选地，低温缓冲层22可以为氮化镓、氮化铝或铝镓氮等材料。高温缓冲层22可以为非掺杂的GaN层。
可选地，N型氮化镓层4的上面可直接生长多量子阱层5，也可插入其他缓冲层或应力释放层后再生长多量子阱层5。在本实施例中，N型氮化镓层4包括但不限于Si掺杂，该N型GaN层可以为单层也可以为多层。
可选地，P型氮化镓层6包括但不限于Mg掺杂。
本发明实施例通过在多量子阱层和P型氮化镓层之间增加复合层，该复合层包括插入层和电子阻挡层，插入层为Al元素掺杂的氧化锌层，合理的Al元素掺杂的ZnO可以调控插入层的带隙和阻值，低阻的插入层可以成为载流子的蓄积层，使蓄积后的载流子迅速的在二维平面内铺展，增强其抗静电击穿能力，与插入层配合使用的电子阻挡层可以有效地阻挡电子溢流，且ZnO与多量子阱层中的采用GaN层的量子垒层的晶格失配比较小，可有效避免晶格失配缺陷，有利于提高载流子的注入效率，进而增强发光二极管的发光效率。另外，金属元素或其氧化物的掺入可以提高插入层的稳定性，提高了空穴的注入效率，从而进一步提高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作方法，参见图2，方法包括：
步骤201：提供一衬底。
在本实施例中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底。
在实现时，可以将衬底在1000～1200℃的H2气氛下进行热处理8分钟，清洁其表面，然后在对衬底进行氮化处理。
步骤202：在衬底上依次生长缓冲层、N型氮化镓层。
其中，缓冲层可以包括低温缓冲层和高温缓冲层。
可选地，低温缓冲层可以为氮化镓层，也可以为氮化铝层或者铝镓氮层。具体地，将反应腔内的温度下降至400～600℃，在压力为400～600torr(托)的环境下，生长厚度为15～35nm的低温氮化镓层，然后再进行原位退火处理。其中，原位退火温度为1000～1200℃，退火时间为5～10分钟。
具体地，生长非掺杂的氮化镓层可以是，将温度升至1000～1100℃，在压力为100～500Torr的环境下，在低温缓冲层上生长一层厚度为1～5μm的非掺杂的GaN层，即高温缓冲层。
可选地，N型氮化镓层的上面可直接生长多量子阱层，也可插入其他缓冲层或应力释放层后再生长多量子阱层。在本实施例中，N型氮化镓层包括但不限于Si掺杂，该N型GaN层可以为单层也可以为多层。具体地，将温度调节至1000～1200℃，在压力为100～500Torr的环境下，在缓冲层上生长一层厚度为1～5μm的Si掺杂的GaN。其中，掺杂Si的浓度为1018～1019cm-3。
步骤203：在N型氮化镓层上生长多量子阱层，多量子阱层为超晶格结构，该超晶格结构包括交替生长的量子阱层和量子垒层。
其中，量子阱层为InGaN层，量子垒层为GaN层。
多量子阱层的周期数可以为5～11，每个周期的InGaN层的厚度为2-3nm，生长温度为720～829℃，生长压力为100～500Torr，每个周期的GaN层的厚度为9～20nm，生长温度为850～959℃，生长压力为100～500Torr。
步骤204：在多量子阱层上生长复合层，复合层包括多个周期，每个周期中的复合层包括插入层和电子阻挡层，从多量子阱层一侧开始，插入层和电子阻挡层依次层叠布置，插入层为Al元素掺杂的氧化锌层。
复合层的周期数可以为1～50。复合层的总体厚度可以为20～200nm，复合层的每个周期的厚度可以为1～20nm。实现时，复合层7的周期数优选为1～30，复合层7的总体厚度优选为20～120nm，复合层7的每个周期厚度优选为1～12nm。
插入层还可以掺杂金属元素和金属元素的氧化物中的一种或多种，掺杂过渡金属元包括In、Sn、Ti、Ni、Ta和Ga。电子阻挡层为AlyGa1-yN层，其中，0.1<y<0.5。
具体地，插入层和电子阻挡层的生长温度为200～1000℃，生长压力为50～500Torr，插入层的总体厚度区间为1～150nm，电子阻挡层的总体厚度为20～100nm。
可选地，还可以在复合层上继续生长一个或者多个复合层。由于复合层的周期数限制在1～50内，根据实际需要还可以在复合层上继续生长一个或者多个复合层，以进一步提高电子和空穴的注入效率，进而提高发光二极管的发光效率。容易理解地，当采用多个复合层时，各个复合层的周期数可以相同，也可以不同。
步骤205：在复合层上生长P型氮化镓层。
P型氮化镓层包括但不限于Mg掺杂，具体地，将反应腔内的温度调为600～1000℃，在100～300Torr的环境下，生长厚度为100～800nm的P型GaN层。
可选地，还可以将反应腔内的温度调至850～1050℃，在压力为100～30torr的环境下，在P型GaN层上生长厚度为5～300nm的p型接触层。
在实际操作时，在步骤205之后，该方法还可以包括：将反应腔内的温度降低，并在氮气气氛中退火处理5～15分钟，其中，退火处理的温度为650～850℃，静置至反应腔内的温度降至室温，结束外延片的生长。
本发明实施例通过在多量子阱层和P型氮化镓层之间增加复合层，该复合层包括插入层和电子阻挡层，插入层为Al元素掺杂的氧化锌层，合理的Al元素掺杂的ZnO可以调控插入层的带隙和阻值，低阻的插入层可以成为载流子的蓄积层，使蓄积后的载流子迅速的在二维平面内铺展，增强其抗静电击穿能力，与插入层配合使用的电子阻挡层可以有效地阻挡电子溢流，且ZnO与多量子阱层中的采用GaN层的量子垒层的晶格失配比较小，可有效避免晶格失配缺陷，有利于提高载流子的注入效率，进而增强发光二极管的发光效率。另外，金属元素或其氧化物的掺入可以提高插入层的稳定性，提高了空穴的注入效率，从而进一步提高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，所述外延片包括衬底、生长在所述衬底上的缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述多量子阱层为超晶格结构，所述超晶格结构包括交替生长的量子阱层和量子垒层，其特征在于，
所述外延片还包括：生长在所述多量子阱层和所述P型氮化镓层之间的复合层，所述复合层包括多个周期，每个所述周期中的所述复合层包括插入层和电子阻挡层，从所述多量子阱层一侧开始，所述插入层和所述电子阻挡层依次层叠布置，所述插入层为Al元素掺杂的氧化锌层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，每层所述插入层中的Al元素的摩尔掺杂比大于0且小于或等于3.0％。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，多层所述插入层中的所述Al元素的含量固定、逐层增加、逐层降低或者相邻的周期中的两层所述插入层中的所述Al元素的含量一高一低交替变化。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述插入层还掺杂有金属元素和所述金属元素的氧化物中的至少一种，所述金属元素包括In、Sn、Ti、Ni、Ta和Ga。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，每层所述插入层中的所述金属元素和所述金属元素的氧化物的摩尔掺杂比为大于等于0且小于或等于2.0％。
6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，多层所述插入层中的所述金属元素和所述金属元素的氧化物的含量固定、逐层增加、逐层降低或者相邻的周期中的两层所述插入层中的所述金属元素和所述金属元素的氧化物的含量一高一低交替变化。
7.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述复合层的周期数为1～50。
8.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述复合层的总体厚度为20～200nm，所述复合层的每个周期的厚度为1～20nm。
9.一种GaN基发光二极管的外延片的制作方法，用于制备如权利要求1-8任一项所述的外延片，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长复合层，所述复合层包括多个周期，每个所述周期中的所述复合层包括插入层和电子阻挡层，从所述多量子阱层一侧开始，所述插入层和所述电子阻挡层依次层叠布置，所述插入层为Al元素掺杂的氧化锌层；
在所述复合层上生长P型氮化镓层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述插入层和所述电子阻挡层的生长温度为200～1000℃，生长压力为50～500托。
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