CN104393130B - 一种GaN基LED外延结构及其制备方法 - Google Patents

一种GaN基LED外延结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN基LED外延结构及其制备方法，该GaN基LED外延结构依次包括：衬底；GaN成核层；超晶格缓冲层；非掺杂GaN层；N型GaN层；多量子阱发光层；P型GaN层，其中，超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构。本发明可缓解蓝宝石衬底和GaN晶格不匹配造成的晶格失配问题，大大降低外延片在整个高温生长过程中的翘曲，提升外延片波长集中性及良率，同时有效提升GaN晶格质量，减少晶格位错密度，使器件光电特性更为稳定。

Description

一种GaN基LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
目前，商业化大规模LED外延片制备多采用MOCVD方式制成。由于缺乏与GaN晶格匹配的衬底，GaN基LED外延片都是采用异质外延的方式在其他材料的衬底上制备而成。常用异质外延衬底为蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)等；由于GaN与衬底之间的晶格失配及热膨胀系数差异均很大，无法直接生长高质量的GaN外延结构。
现有常规的GaN基LED外延结构一般采用两步生长法，以蓝宝石衬底为例，先在低温环境下(400℃～700℃)生长一层底层GaN成核层，该层由于在低温下生长，未能形成二维层状生长，但可形成GaN成核晶种，为下一步形成高质量的二维层状生长奠定成核条件；其次升高温度至1000℃以上，配合以适当的生长速率及五三比，即可形成较高质量的GaN层结构；最后，在此较高质量的未掺杂的GaN结构层上，继续生长出n-GaN层，MQW有源层及p-GaN层，形成完整的GaN基LED外延结构。
尽管上述两步生长法可以规避由于衬底与GaN晶格失配及热失配差异很大从而造成的GaN结晶质量不高、翘曲应力大的问题，已经取得不错效果，且被广泛应用于商业化规模生产中，但采用该制备方式仍然存在一些问题。例如，低温GaN成核层和高温非掺杂GaN缓冲层生长后，其表面平整度只能达到几十个nm级的相对高度差，代表其GaN结晶性仍未有更高质量的改善，这点在高功率器件制作上，表现尤为明显。另一方面，为了降低LED生产成本，现有商业化生产越来越多地引入更大尺寸的外延垒晶及芯片制程技术，如从现有2英寸衬底及外延片向4英寸、6英寸以及8英寸的衬底及外延片发展，从而提高单位时间产出，大幅降低生产成本。更大尺寸的衬底及外延片，由于晶格不匹配及热膨胀系数不匹配，会造成更大的翘曲及晶格应力，无法形成在原有的2英寸小尺寸外延片上实现的较好的二维层状生长结构，导致GaN底层结晶性较低，表面粗糙度大，生长完全结构后，电性良率偏低，且波长良率低，最终无法实现更大尺寸外延片(如4英寸及以上)规模化量产。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构依次包括：
衬底；
位于衬底上的GaN成核层；
位于GaN成核层上的超晶格缓冲层，所述超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构，所述超晶格缓冲层中，AlGaN缓冲层的总厚度为5nm～25nm，AlN缓冲层的总厚度为1nm～5nm，GaN缓冲层的总厚度为2nm～15nm；
位于超晶格缓冲层上的非掺杂GaN层；
位于非掺杂GaN层上的N型GaN层；
位于N型GaN层上的多量子阱发光层；
位于多量子阱发光层上方的P型GaN层。
作为本发明的进一步改进，所述超晶格缓冲层为由2～10对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构。
作为本发明的进一步改进，所述超晶格缓冲层的总厚度为10nm～40nm。
作为本发明的进一步改进，所述AlGaN缓冲层中的Al组份含量为10％-50％。
作为本发明的进一步改进，所述P型GaN层上方还包括P型GaN接触层。
相应地，一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上生长GaN成核层；
S3、在GaN成核层上生长超晶格缓冲层，所述超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构，其中，AlGaN缓冲层的总厚度为5nm～25nm，AlN缓冲层的总厚度为1nm～5nm，GaN缓冲层的总厚度为2nm～15nm；
S4、在超晶格缓冲层上生长非掺杂GaN层；
S5、在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
S6、在N型GaN层上生长多量子阱发光层；
S7、在多量子阱发光层上生长P型GaN层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度为500℃～800℃。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中GaN缓冲层的生长温度比AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度高10℃～30℃。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成超晶格缓冲层，通过控制Al组份含量、厚度及生长温度，可缓解蓝宝石衬底和GaN晶格不匹配造成的晶格失配问题，尤其在大尺寸外延片(如4英寸及以上)上更为有效，从而大大降低外延片在整个高温生长过程中的翘曲，提升外延片波长集中性及良率，同时有效提升GaN晶格质量，减少晶格位错密度，使器件光电特性更为稳定。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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为现有技术中GaN基LED外延结构的示意图；
图2为本发明一具体实施方式中GaN基LED外延结构的示意图；
图3为现有技术中GaN基LED外延结构生长过程中的最大翘曲示意图；
图4为本发明中GaN基LED外延结构生长过程中的最大翘曲示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示为现有技术中GaN基LED外延结构的示意图，从下向上依次包括：蓝宝石衬底、GaN成核层、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层和P型GaN接触层。
针对GaN与蓝宝石衬底之间的晶格失配及热膨胀系数差异问题，常规的GaN基LED外延结构一般采用两步生长法，但其晶体表面质量不高，在大尺寸上面翘曲无法得到很好解决。
参图2所示，本发明一具体实施方式中，GaN基LED外延结构从下向上依次包括：
衬底10；
位于衬底10上的GaN成核层20；
位于GaN成核层20上的超晶格缓冲层30；
位于超晶格缓冲层30上的非掺杂GaN层40；
位于非掺杂GaN层40上的N型GaN层50；
位于N型GaN层50上的多量子阱发光层60；
位于多量子阱发光层60上方的P型GaN层70；
位于P型GaN层70上的P型GaN接触层80。
其中，超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层31/AlN缓冲层32/GaN缓冲层33交替堆叠组成的超晶格结构，本发明中由2～10对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成。
超晶格缓冲层的厚度为10nm～40nm，AlGaN缓冲层的总厚度为5nm～25nm，AlN缓冲层的总厚度为1nm～5nm，GaN缓冲层的总厚度为2nm～15nm。其中，AlGaN缓冲层中的Al组份含量为10％-50％。
相应地，本发明一具体实施方式中，GaN基LED外延结构的制备方法包括：
提供一衬底；
在衬底上生长GaN成核层；
在GaN成核层上生长超晶格缓冲层，超晶格缓冲层为由2～10对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构；
在超晶格缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱发光层；
在多量子阱发光层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型GaN接触层。
其中，超晶格缓冲层中AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度为500℃～800℃，GaN缓冲层的生长温度比AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度高10℃～30℃。
本实施方式中衬底选用蓝宝石衬底，而外延层选用GaN外延层，在其他实施方式中，衬底也可以为Si衬底、SiC衬底等，外延层也可以为GaAs、InP、InGaAsP等。
本发明中超晶格缓冲层中包括AlGaN缓冲层和AlN缓冲层，通过调节AlGaN缓冲层中的Al组份及AlGaN缓冲层与AlN缓冲层厚度，可有效缓解蓝宝石衬底和GaN晶格不匹配造成的晶格失配问题，尤其在大尺寸外延片(如4英寸及以上)上更为有效，从而大大降低外延片在整个高温生长过程中的翘曲，提升外延片波长集中性及良率，同时有效提升GaN晶格质量，减少晶格位错密度，使器件光电特性更为稳定。
进一步地，超晶格缓冲层中还包括GaN缓冲层，此层的重要作用是与上层非掺杂GaN层能形成更好界面效果，使得GaN的晶格质量更高。
参图3所示为现有技术中GaN基LED外延结构生长过程中的最大翘曲示意图，而图4所示为本发明中GaN基LED外延结构生长过程中的最大翘曲示意图，由图3和图4可以看出，本发明中能够显著地减小外延结构的翘曲。
在本发明的一具体实施例中，超晶格缓冲层由3对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成；超晶格缓冲层的总厚度在15nm，3层AlGaN缓冲层中Al组份为20％，总厚度为9nm，3层AlN缓冲层的总厚度为1.2nm，3层GaN缓冲层的总厚度为4.8nm，即每一对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层结构中，AlGaN缓冲层、AlN缓冲层、GaN缓冲层的厚度分别为3nm、
0.4nm、1.6nm；AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度为540℃,GaN缓冲层的生长温度560℃。
如下表1、表2所示分别为现有技术和本实施例中表面粗糙度、XRD半峰值宽度和PhotoDetect的测试数据。
表1：表面粗糙度
表2：XRD半峰值宽度和PhotoDetect
其中，表1中的表面粗糙度越小表示界面结合越好，晶格质量高；表2中的XRD半峰值宽度越小直接表示晶格质量高；PhotoDetect表示光致发光强度，PhotoDetect越大说明器件亮度越亮。由表1、表2可以看出，本发明中GaN基LED外延结构的晶格质量、器件亮度明显优于现有技术中的外延结构。
以上实施例仅为一优选的实施例，在本发明其他实施例中，AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层的总厚度和各层厚度、各层的生长温度可以设置为上述范围中的任意数值，在此不再进行赘述。
由以上技术方案可以看出，本发明通过AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成超晶格缓冲层，通过控制Al组份含量、厚度及生长温度，可缓解蓝宝石衬底和GaN晶格不匹配造成的晶格失配问题，尤其在大尺寸外延片(如4英寸及以上)上更为有效，从而大大降低外延片在整个高温生长过程中的翘曲，提升外延片波长集中性及良率，同时有效提升GaN晶格质量，减少晶格位错密度，使器件光电特性更为稳定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种GaN基LED外延结构，其特征在于，所述GaN基LED外延结构依次包括：
衬底；
位于衬底上的GaN成核层；
位于GaN成核层上的超晶格缓冲层，所述超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构，所述超晶格缓冲层中，AlGaN缓冲层的总厚度为5nm～25nm，AlN缓冲层的总厚度为1nm～5nm，GaN缓冲层的总厚度为2nm～15nm；
位于超晶格缓冲层上的非掺杂GaN层；
位于非掺杂GaN层上的N型GaN层；
位于N型GaN层上的多量子阱发光层；
位于多量子阱发光层上方的P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述超晶格缓冲层为由2～10对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述超晶格缓冲层的总厚度为10nm～40nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述AlGaN缓冲层中的Al组份含量为10％-50％。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构，其特征在于，所述P型GaN层上方还包括P型GaN接触层。
6.一种GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
S1、提供一衬底；
S2、在衬底上生长GaN成核层；
S3、在GaN成核层上生长超晶格缓冲层，所述超晶格缓冲层为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构，其中，AlGaN缓冲层的总厚度为5nm～25nm，AlN缓冲层的总厚度为1nm～5nm，GaN缓冲层的总厚度为2nm～15nm；
S4、在超晶格缓冲层上生长非掺杂GaN层；
S5、在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
S6、在N型GaN层上生长多量子阱发光层；
S7、在多量子阱发光层上生长P型GaN层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度为500℃～800℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中GaN缓冲层的生长温度比AlGaN缓冲层和AlN缓冲层的生长温度高10℃～30℃。
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