CN104362233A - 一种GaN基发光二极管的外延片及其制备方法 - 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及其制备方法，属于发光二极管领域。所述方法包括：在衬底上依次生长缓冲层、N型层、应力释放层、多量子阱层和P型层，多量子阱层的每个周期包括InyGa1-yN层和GaN层，应力释放层为超晶格结构，应力释放层的每个周期包括InxGa1-xN层和GaN层，0<x＜y，从N型层开始，应力释放层生长温度随周期数逐渐降低，InxGa1-xN层中In含量随周期数逐层增加。本发明通过变温变In含量的应力释放层，在靠近N型层一侧采用较高温度较低In含量生长应力释放层，应力释放层的晶格质量比较高，有效地延缓了V型缺陷的产生，从而有效地减少了V型缺陷的数量，提高了多量子阱层的晶体质量，进而改善了GaN基发光二极管器件的内量子效率和抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别涉及一种GaN基发光二极管的外延片及其制备方法。
背景技术
在LED(Light Emitting Diode，发光二极管)产业的发展中，宽带隙(Eg＞2.3eV)半导体材料GaN发展异常迅速，GaN基LED很快实现了商业化。
传统的GaN基发光二极管的外延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上依次生长的缓冲层、无掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。其中，多量子阱层为超晶格结构，每个周期包括交替生长的InGaN层和GaN层。由于InGaN与GaN之间存在较大的晶格失配，使得晶体质量较差，容易形成漏电流，并且多量子阱层中的InGaN层中存在较大的压应力，该压应力随着In组分的增加而增强，这种压应力会使阴离子和阳离子的排列发生移动，在InGaN层和GaN层界面处产生极化电荷，并在InGaN层和GaN层产生内建极化电场，压电极化又会引起量子限制斯塔克效应，从而降低LED的内量子效率。为了减少多量子阱层中的晶格失配，释放多量子阱层中的压应力，现有技术在N型层和多量子阱层之间引入了InGaN层和GaN层交替生长形成的超晶格结构作为应力释放层。
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：
由于现有技术中的应力释放层通常在低温恒温条件生长，其中的In的含量通常也比较高，这会很容易引入V型缺陷，V型缺陷会降低多量子阱层中的InGaN层与GaN层界面的陡峭度，并且该V型缺陷经过应力释放层的超晶格结构后会进一步放大，进而降低多量子阱层的晶体质量，降低发光二极管的内量子效率，并引入漏电通道，削弱LED器件的抗静电能力。
发明内容
为了解决现有技术中低温恒温条件生长的含In量较高的应力释放层中引入的V型缺陷的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片及其制备方法。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InyGa1-yN层和GaN层，0<y＜1，所述外延片还包括生长在所述N型层和所述多量子阱层之间的应力释放层，所述应力释放层为超晶格结构，所述应力释放层的每个周期包括InxGa1-xN层和生长在所述InxGa1-xN层之上的GaN层，0<x＜y，从所述N型层一侧开始，所述应力释放层的生长温度随周期数逐渐降低，所述InxGa1-xN层中的In的含量随周期数逐层增加。
其中，所述应力释放层的周期数为2～20。
进一步地，所述应力释放层的每个周期的生长温度小于所述N型层的生长温度。
更进一步地，所述应力释放层的生长温度为800～1050℃，所述应力释放层的每个周期中的所述InxGa1-xN层的生长温度与所述GaN层的生长温度相同或不同。
可选地，所述应力释放层中的每层所述InxGa1-xN层的生长厚度为1～20nm，所述应力释放层中的每层所述GaN层的生长厚度为1～20nm。
可选地，所述应力释放层的每个周期中的所述InxGa1-xN层的生长厚度与所述GaN层的生长厚度相同或不同。
可选地，所述应力释放层中的每层所述GaN层掺杂，掺杂杂质元素为硅或锗，掺杂后的所述应力释放层中的每层所述GaN层的电子浓度范围为1017～1019cm-3。
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和N型层，所述方法还包括：
在所述N型层上依次生长应力释放层、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InyGa1-yN层和GaN层，0<y＜1，所述应力释放层为超晶格结构，所述应力释放层的每个周期包括InxGa1-xN层和生长在所述InxGa1-xN层之上的GaN层，0<x＜y，从所述N型层一侧开始，所述应力释放层的生长温度随周期数逐渐降低，所述InxGa1-xN层中的In的含量随周期数逐层增加。
其中，所述应力释放层的周期数为2～20。
优选地，在所述应力释放层中的最后一层GaN层上直接生长所述多量子阱层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在生长多量子阱层之前插入一层超晶格结构的应力释放层，且从N型层一侧开始，该应力释放层的生长温度逐渐降低、InxGa1-xN层中In的含量逐渐增加，在靠近N型层一侧的应力释放层采用较高温度较低In含量的生长条件生长应力释放层，由于此时In含量比较低，应力释放层的晶格质量比较高，且采用较高的生长温度，有效地延缓了V型缺陷的产生，从而有效地减少了V型缺陷的数量，减少了LED器件的漏电通道，并为生长多量子阱层提供了更好的底层基础，进而提高LED的晶体质量和抗静电能力。
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一种GaN基发光二极管的外延片的制备方法的流程图。
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，参见图1，该外延片包括衬底1、生长在衬底1上的缓冲层2、N型层3、多量子阱层4和P型层5，多量子阱层4为超晶格结构，多量子阱层4的每个周期包括InyGa1-yN层41和GaN层42，0<y＜1，外延片还可以包括生长在N型层3和多量子阱层4之间的应力释放层6，应力释放层6为超晶格结构，应力释放层6的每个周期包括InxGa1-xN层61和生长在InxGa1-xN层61之上的GaN层62，0<x＜y，从N型层3一侧开始，应力释放层6的生长温度随周期数逐渐降低，InxGa1-xN层61中的In的含量随周期数逐层增加。
在本实施例中，应力释放层6的周期数可以为2～20。
实现时，应力释放层6中的最后一层GaN层62上直接生长多量子阱层4。由于GaN层的组分比较单纯，生长质量较好，以此为基础生长的多量子阱层会比在InGaN层上生长的多量子阱层晶体质量更好，从而多量子阱层的内量子效率也会较高。在一种实现方式中，从N型层3一侧开始，应力释放层6中的第一层InyGa1-yN层61可以直接生长在N型层3上。在其他实现方式中，也可以先在N型层上生长一层掺杂或无掺杂的GaN层后再生长应力释放层6，即此时也可以认为应力释放层6的每个周期包括GaN层62和生长在GaN层62之上的InxGa1-xN层61，并在应力释放层6中的最后一层InxGa1-xN层61上生长一层GaN层62后，再直接生长多量子阱层4。
具体地，应力释放层6中的InxGa1-xN层61可以采用无掺杂的InGaN材料生长。
容易理解地，因为0<x＜y，所以应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层中的In的含量均低于多量子阱层4的每个周期中的InyGa1-yN层41中的In的含量。具体地，多量子阱层4的每个周期中的InyGa1-yN层41中的In的含量与实际的需求有关，例如在波长各不相同的白光、蓝绿光和黄光等发光二极管中In的含量各不相同。
具体地，应力释放层6中的每层GaN层62可以掺杂，该掺杂杂质元素可以为硅(Si)或锗(Ge)，掺杂后的应力释放层6中的每层GaN层62的电子浓度范围为1017～1019cm-3。在其他实施例中，应力释放层6中的每层GaN层62也可以采用无掺杂的GaN材料生长。一般而言，GaN层如果掺杂一定杂质元素，其抗静电能力会提高，但是掺杂也会影响到其反向工作电压，并且GaN层掺杂的杂质元素过量时，其抗静电能力反而会降低，且反向工作电压会进一步降低，所以GaN层是否需要掺杂可以结合具体的生长条件进行考虑。
在本实施例中，应力释放层6的生长温度小于N型层3的生长温度。具体地，应力释放层6的每个周期的中的InxGa1-xN层61和GaN层62的生长温度均低于N型层3的生长温度。其中，N型层3的生长温度范围可以是1050～1100℃，应力释放层6的生长温度可以为800～1050℃，优选地，该应力释放层6的生长温度可以为900～950℃。
在一种实现方式中，应力释放层6的生长温度可以随周期数均匀降低，例如，每个周期间隔10℃。在另一种实现方式中，应力释放层6的生长温度可以无规律降低。
进一步地，应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层61的生长温度与GaN层62的生长温度可以相同，也可以不同。
容易理解地，应力释放层6的生长温度随周期数均匀降低，可以包括应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层61的生长温度与GaN层62的生长温度相同，并且InxGa1-xN层61和GaN层62的生长温度均随周期数均匀降低，还可以包括应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层61的生长温度与GaN层62的生长温度不同，且InxGa1-xN层61的生长温度随周期数均匀降低，且GaN层62的生长温度随周期数均匀降低。同理，应力释放层6的生长温度无规律降低时，有类似规律。
优选应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层61的生长温度与GaN层62的生长温度相同的生长方式，因为相同的生长温度在实际生产中生长条件比较好控制。
实现时，应力释放层6中的每层InxGa1-xN层61的生长厚度可以为1～20nm，应力释放层6中的每层GaN层62的生长厚度的范围可以为1～20nm。
进一步地，应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层61的生长厚度与GaN层62的生长厚度可以相同，也可以不同。容易理解地，当两者的生长厚度不同时，可以包括每个周期中的InxGa1-xN层61的生长厚度小于或者大于GaN层62的生长厚度。
优选应力释放层6的每个周期中的InxGa1-xN层61的生长厚度小于GaN层62的生长厚度的生长方式，因为GaN层62的组分比较简单，生长的晶体质量更好，当GaN层62生长的较厚时，有利于提升LED的抗静电能力。
作为一种举例，当应力释放层6的周期数为6时，从N型层3一侧开始，每个周期中的InxGa1-xN层61的生长温度与GaN层62的生长温度相同，可以分别为950℃、940℃、930℃、920℃、910℃和900℃。从N型层3一侧开始，每个周期中的InxGa1-xN层61中的In含量可以分别为0.02、0.04、0.06、0.08和0.10，其每层的生长厚度可以为2nm。每个周期中的GaN层62采用无掺杂的GaN材料生长，其每层的生长厚度可以为3nm。
实现时，该衬底1可以为蓝宝石衬底，也可以是Si衬底或SiC衬底。该缓冲层2可以为复合层，其可以包括低温缓冲层和无掺杂的GaN层。该N型层3为GaN层，其包括并不限于Si掺杂，还可以采用其他掺杂，例如Ge。P型层5可以为复合层，其包括P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN层和P型GaN接触层。其中，P型层5的掺杂元素包括但不限于镁(Mg)。
本发明实施例通过在生长多量子阱层之前插入一层超晶格结构的应力释放层，且从N型层一侧开始，该应力释放层的生长温度逐渐降低、InxGa1-xN层中In的含量逐渐增加，在靠近N型层一侧的应力释放层采用较高温度较低In含量的生长条件生长应力释放层，由于此时In含量比较低，应力释放层的晶格质量比较高，且采用较高的生长温度，有效地延缓了V型缺陷的产生，从而有效地减少了V型缺陷的数量，减少了LED器件的漏电通道，并为生长多量子阱层提供了更好的底层基础，进而提高LED的晶体质量和抗静电能力，并且，采用InxGa1-xN层和GaN层交替生长的超晶格结构的应力释放层，其晶格常数和多量子阱层晶格常数的平均值比较接近，从而也可以缓冲多量子阱层中由于晶格失配而产生的应力。
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，参见图2，该方法包括：
步骤201：提供一衬底。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底，也可以为Si衬底和SiC衬底。
该步骤还可以包括清洁衬底的表面。实现时，可以将蓝宝石衬底在MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机化合物化学气相沉淀)反应腔中加热至1110℃，在氢气(H2)气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理以及氮化处理8～10分钟，以清洁衬底表面。
步骤202：在衬底上生长缓冲层。
其中，缓冲层可以为复合层，其可以包括低温缓冲层和无掺杂的GaN层。具体地，在540℃温度下，在衬底上生长一层厚度为30nm的GaN层作为低温缓冲层。然后将温度升至1100℃左右，在低温缓冲层上生长一层厚度约为0.5μm的无掺杂的GaN层。
步骤203：在缓冲层上生长N型层。
其中，N型层的生长温度范围可以是1050～1100℃。具体地，在无掺杂的GaN层上生长一层厚度约为1μm的Si掺杂的GaN层。在本实施例中，N型层中总电子浓度的浓度范围大于1019cm-3，且小于等于9×1019cm-3。
容易理解地，N型层包括并不限于Si掺杂，还可以采用其他掺杂，例如Ge。
步骤204：在N型层上生长应力释放层。
其中，应力释放层为超晶格结构，应力释放层的每个周期包括InxGa1-xN层和生长在InxGa1-xN层之上的GaN层，0<x＜y，从N型层一侧开始，应力释放层的生长温度随周期数逐渐降低，InxGa1-xN层中的In的含量随周期数逐层增加。
在本实施例中，应力释放层的周期数可以为2～20，其中，y为多量子阱层的每个周期中的InyGa1-yN层中的In的含量。
实现时，从N型层一侧开始，在N型层上直接生长应力释放层中的第一层InyGa1-yN层，在应力释放层中的最后一层GaN层上直接生长多量子阱层。
具体地，应力释放层中的InxGa1-xN层可以采用无掺杂的InGaN材料生长。容易理解地，因为0<x＜y，所以应力释放层的每个周期中的InxGa1-xN层中的In的含量均低于多量子阱层的每个周期中的InyGa1-yN层中的In的含量。具体地，多量子阱层的每个周期中的InyGa1-yN层中的In的含量与实际的需求有关，例如在波长各不相同的白光、蓝绿光和黄光等发光二极管中In的含量各不相同。
具体地，应力释放层中的每层GaN层可以掺杂，该掺杂杂质元素可以为硅(Si)或锗(Ge)，掺杂后的应力释放层中的每层GaN层的电子浓度范围为1017～1019cm-3。在其他实施例中，应力释放层中的每层GaN层也可以采用无掺杂的GaN材料生长。
在本实施例中，应力释放层的生长温度小于N型层的生长温度。具体地，应力释放层的每个周期的中的InxGa1-xN层和GaN层的生长温度均低于N型层的生长温度。其中，应力释放层的生长温度可以为800～1050℃，优选地，该应力释放层的生长温度可以为900～950℃。
进一步地，应力释放层的每个周期中的InxGa1-xN层的生长温度与GaN层的生长温度可以相同，也可以不同。
优选应力释放层的每个周期中的InxGa1-xN层的生长温度与GaN层的生长温度相同的生长方式，因为相同的生长温度在实际生产中生长条件比较好控制。
实现时，应力释放层中的每层InxGa1-xN层的生长厚度可以为1～20nm，应力释放层中的每层GaN层的生长厚度的范围可以为1～20nm。
进一步地，应力释放层的每个周期中的InxGa1-xN层的生长厚度与GaN层的生长厚度可以相同，也可以不同。容易理解地，当两者的生长厚度不同时，可以包括每个周期中的InxGa1-xN层的生长厚度小于或者大于GaN层的生长厚度。
优选应力释放层的每个周期中的InxGa1-xN层的生长厚度小于GaN层的生长厚度的生长方式，因为GaN层的组分比较简单，生长的晶体质量更好，当GaN层生长的较厚时，有利于提升LED的抗静电能力。
作为一种举例，当应力释放层的周期数为6时，从N型层一侧开始，每个周期中的InxGa1-xN层的生长温度与GaN层62的生长温度相同，可以分别为950℃、940℃、930℃、920℃、910℃和900℃。从N型层一侧开始，每个周期中的InxGa1-xN层中的In含量可以分别为0.02、0.04、0.06、0.08和0.10，其每层的生长厚度可以为2nm。每个周期中的GaN层采用少量掺杂的GaN材料生长，其每层的生长厚度可以为3nm，掺杂后的GaN层的电子浓度为1.8x1018cm-3。
步骤205：在应力释放层上生长多量子阱层。
多量子阱层为超晶格结构，该多量子阱层的每个周期包括InyGa1-yN层和GaN层，0<y＜1。
实现时，可以在应力释放层上生长一层周期数为12的多量子阱层，即在应力释放层的最后一层GaN层交替生长十二层量子阱层和十二层量子垒层。其中，量子阱层的厚度可以为3nm，可以采用InGaN作为生长材料，其生长温度可以为800℃；量子垒层的厚度可以为11nm，可以采用GaN作为生长材料，生长温度可以为930℃。
步骤206：在多量子阱层上生长P型层。
其中，P型层可以为复合层，其包括P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN层和P型GaN接触层。具体地，可以在多量子阱层上生长一层厚度约为200nm的P型层。
在具体实现中，本发明实施例可以采用高纯H2或者N2作为载气，分别采用TEGa或TMGa、TMAl、TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源，并可以分别采用SiH4和Cp2Mg作为N型和P型掺杂剂，还可以采用TeESi(四乙基硅)和Si2H6作为Si源，可以采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片的生长。
本发明实施例通过在生长多量子阱层之前插入一层超晶格结构的应力释放层，且从N型层一侧开始，该应力释放层的生长温度逐渐降低、InxGa1-xN层中In的含量逐渐增加，在靠近N型层一侧的应力释放层采用较高温度较低In含量的生长条件生长应力释放层，由于此时In含量比较低，应力释放层的晶格质量比较高，且采用较高的生长温度，有效地延缓了V型缺陷的产生，从而有效地减少了V型缺陷的数量，减少了LED器件的漏电通道，并为生长多量子阱层提供了更好的底层基础，进而提高LED的晶体质量和抗静电能力，并且，采用InxGa1-xN层和GaN层交替生长的超晶格结构的应力释放层，其晶格常数和多量子阱层晶格常数的平均值比较接近，从而也可以缓冲多量子阱层中由于晶格失配而产生的应力。
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InyGa1-yN层和GaN层，0<y＜1，其特征在于，所述外延片还包括生长在所述N型层和所述多量子阱层之间的应力释放层，所述应力释放层为超晶格结构，所述应力释放层的每个周期包括InxGa1-xN层和生长在所述InxGa1-xN层之上的GaN层，0<x＜y，从所述N型层一侧开始，所述应力释放层的生长温度随周期数逐渐降低，所述InxGa1-xN层中的In的含量随周期数逐层增加。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层的周期数为2～20。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层的每个周期的生长温度小于所述N型层的生长温度。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层的生长温度为800～1050℃，所述应力释放层的每个周期中的所述InxGa1-xN层的生长温度与所述GaN层的生长温度相同或不同。
5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层中的每层所述InxGa1-xN层的生长厚度为1～20nm，所述应力释放层中的每层所述GaN层的生长厚度为1～20nm。
6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层的每个周期中的所述InxGa1-xN层的生长厚度与所述GaN层的生长厚度相同或不同。
7.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层中的每层所述GaN层掺杂，掺杂杂质元素为硅或锗，掺杂后的所述应力释放层中的每层所述GaN层的电子浓度范围为1017～1019cm-3。
8.一种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和N型层，其特征在于，所述方法还包括：
在所述N型层上依次生长应力释放层、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InyGa1-yN层和GaN层，0<y＜1，所述应力释放层为超晶格结构，所述应力释放层的每个周期包括InxGa1-xN层和生长在所述InxGa1-xN层之上的GaN层，0<x＜y，从所述N型层一侧开始，所述应力释放层的生长温度随周期数逐渐降低，所述InxGa1-xN层中的In的含量随周期数逐层增加。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述应力释放层的周期数为2～20。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述应力释放层中的最后一层GaN层上直接生长所述多量子阱层。
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