CN105870278B - 一种氮化镓基发光二极管及其制备方法 - Google Patents

一种氮化镓基发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管及其制备方法，属于半导体技术领域。所述氮化镓基发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、应力改善层、N型GaN层、有源层、P型电子阻挡层、P型GaN层，应力改善层由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成，应力改善层的表面不平整。本发明通过在未掺杂GaN层和N型GaN层之间层叠由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成的应力改善层，缓解蓝宝石与GaN之间的晶格失配，提高发光二极管的晶体质量。

Description

一种氮化镓基发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为是一种能发光的半导体电子元件。氮化镓(GaN)基材料具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，广泛应用于全彩大屏幕显示，LCD背光源、信号灯、照明等领域。
现有的GaN基LED包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型AlGaN层、P型GaN层。其中，N型层中的电子和P型层中的空穴进入有源层复合发光。
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：
蓝宝石与GaN之间存在较大的晶格失配，导致LED晶体质量较差。
发明内容
为了解决现有技术LED晶体质量较差的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管，所述氮化镓基发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述氮化镓基发光二极管还包括层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间的应力改善层，所述应力改善层由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成，所述应力改善层的表面不平整。
可选地，所述应力改善层包括GaN层、以及层叠在所述GaN层上的AlGaN层。
可选地，所述应力改善层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且所述应力改善层中沿所述氮化镓基发光二极管的生长方向的最后一层为AlGaN层。
可选地，所述应力改善层的厚度为20～50nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下，由Al、Ga、N三种元素在所述未掺杂GaN层上生长应力改善层，所述应力改善层的表面不平整；
在所述应力改善层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层；
在所述有源层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
可选地，所述述应力改善层包括GaN层、以及层叠在所述GaN层上的AlGaN层。
可选地，所述应力改善层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且所述应力改善层中沿所述氮化镓基发光二极管的生长方向的最后一层为AlGaN层。
可选地，所述应力改善层的厚度为20～50nm。
可选地，所述应力改善层的生长温度为850～1100℃。
可选地，所述应力改善层的生长压力为80～400Torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在未掺杂GaN层和N型GaN层之间层叠由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成的应力改善层，一方面缓解蓝宝石与GaN之间的晶格失配，另一方面利用气氛和气流场的调整改变长速和掺杂，同时N2和H2的比热不同，可以改变温度分布，实现应力改善层表面的多样化，改善和调整发光二极管的翘曲度并实现缺陷和应力的释放，提高发光二极管的晶体质量。而且应力改善层的表面不平整，可以实现背向光的全反射，减少背面出光，使光反射回正面，提高正向和侧向出光能力，进而提高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氮化镓基发光二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种氮化镓基发光二极管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氮化镓基发光二极管，参见图1，该氮化镓基发光二极管包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、应力改善层4、N型GaN层5、有源层6、P型电子阻挡层7、P型GaN层8。
在本实施例中，应力改善层4由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成，应力改善层4的表面不平整。蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。缓冲层2为GaN层或AlGaN层，有源层6包括交替层叠的InGaN层和GaN层。P型电子阻挡层7包括AlGaN层和InGaN层，或者P型电子阻挡层7包括AlGaN。
可选地，应力改善层4可以包括GaN层、以及层叠在GaN层上的AlGaN层。
可选地，应力改善层4可以包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且应力改善层4中沿该氮化镓基发光二极管的生长方向的最后一层为AlGaN层。
需要说明的是，通过气氛和长速的调整实现AlGaN层的表面不平整，GaN层可以填充在AlGaN层，为下一AlGaN层的生长提供平整表面。同时AlGaN层的表面不平整，可以阻断缺陷和应力的衍生，为量子阱的生长提供良好条件。
优选地，N2和H2的体积比可以为1.5：1～1:1。
可选地，NH3、N2和H2的体积总量可以为100～200L。
优选地，NH3、N2和H2的体积总量可以为150～180L。
可选地，应力改善层4的厚度可以为20～50nm，以实现缺陷和应力的改善并提高反射率。
可选地，缓冲层2的厚度可以为15～35nm。
可选地，未掺杂GaN层3的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层5的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层5的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
可选地，有源层6中的InGaN层的厚度可以为1～5nm，有源层5中的GaN层的厚度可以为9～20nm。
可选地，有源层6中的InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～22。
可选地，P型电子阻挡层7的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型GaN层8的厚度可以为100～800nm。
本发明实施例通过在未掺杂GaN层和N型GaN层之间层叠由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成的应力改善层，一方面缓解蓝宝石与GaN之间的晶格失配，另一方面利用气氛和气流场的调整改变长速和掺杂，同时N2和H2的比热不同，可以改变温度分布，实现应力改善层表面的多样化，改善和调整发光二极管的翘曲度并实现缺陷和应力的释放，提高发光二极管的晶体质量。而且应力改善层的表面不平整，可以实现背向光的全反射，减少背面出光，使光反射回正面，提高正向和侧向出光能力，进而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氮化镓基发光二极管的制备方法，适用于制备实施例一提供的氮化镓基发光二极管，参见图2，该制备方法包括：
步骤200：控制温度为1000～1200℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。
可以理解地，步骤200可以清洁蓝宝石衬底表面。
在本实施例中，蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。
步骤201：控制温度为400～600℃，压力为400～600Torr，在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，缓冲层为GaN层。
可选地，缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，在步骤201之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000～1200℃，压力为400～600Torr，时间为5～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤202：控制温度为1000～1100℃，压力为100～500Torr，在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
步骤203：控制温度为850～1100℃，压力为80～400Torr，在未掺杂GaN层上生长应力改善层。
在本实施例中，应力改善层由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成，应力改善层4的表面不平整。
可选地，应力改善层可以包括GaN层、以及层叠在GaN层上的AlGaN层。
可选地，应力改善层可以包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且应力改善层4中沿该氮化镓基发光二极管的生长方向的最后一层为AlGaN层。
需要说明的是，通过气氛和长速的调整实现AlGaN层的表面不平整，GaN层可以填充在AlGaN层，为下一AlGaN层的生长提供平整表面。同时AlGaN层的表面不平整，可以阻断缺陷和应力的衍生，为量子阱的生长提供良好条件。
优选地，N2和H2的体积比可以为1.5：1～1:1。
可选地，NH3、N2和H2的体积总量可以为100～200L。
优选地，NH3、N2和H2的体积总量可以为150～180L。
可选地，应力改善层的厚度可以为20～50nm，以实现缺陷和应力的改善并提高反射率。
优选地，应力改善层的生长温度可以为850～950℃，以实现缺陷和应力的改善并提高反射率。
优选地，应力改善层的生长压力可以为80～250Torr。
步骤204：控制温度为1000～1200℃，压力为100～500Torr，在应力改善层上生长N型GaN层。
在本实施例中，N型GaN层为GaN层。
可选地，N型GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
步骤205：在N型GaN层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
具体地，当生长InGaN层时，温度为720～829℃，压力为100～500Torr；当生长GaN层时，温度为850～959℃，压力为100～500Torr。
可选地，有源层中的InGaN层的厚度可以为3nm，有源层中的GaN层的厚度可以为9～20nm。
可选地，有源层中的InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～22。
步骤206：控制温度为850～1080℃，压力为200～500Torr，在有缘层上生长P型电子阻挡层。
在本实施例中，P型电子阻挡层可以为AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
可选地，P型电子阻挡层的厚度可以为50～150nm。
步骤207：控制温度为850～1080℃，压力为100～300Torr，在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
步骤208：控制温度为850～1050℃，压力为100～300Torr，在P型GaN层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
步骤209：控制温度为650～850℃，时间为5～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成单颗尺寸大小为9*7mil的LED芯片。经过LED芯片测试后发现，工作电流为20mA时，光效有明显提高。
本发明实施例通过在未掺杂GaN层和N型GaN层之间层叠由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成的应力改善层，一方面缓解蓝宝石与GaN之间的晶格失配，另一方面利用气氛和气流场的调整改变长速和掺杂，同时N2和H2的比热不同，可以改变温度分布，实现应力改善层表面的多样化，改善和调整发光二极管的翘曲度并实现缺陷和应力的释放，提高发光二极管的晶体质量。而且应力改善层的表面不平整，可以实现背向光的全反射，减少背面出光，使光反射回正面，提高正向和侧向出光能力，进而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)

1.一种氮化镓基发光二极管，所述氮化镓基发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型电子阻挡层、P型GaN层，其特征在于，所述氮化镓基发光二极管还包括层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间的应力改善层，所述应力改善层由Al、Ga、N三种元素在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下形成，所述应力改善层的表面不平整。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述应力改善层包括GaN层、以及层叠在所述GaN层上的AlGaN层。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述应力改善层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且所述应力改善层中沿所述氮化镓基发光二极管的生长方向的最后一层为AlGaN层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述应力改善层的厚度为20～50nm。
5.一种氮化镓基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在体积比为2:1～1:1的N2和H2的气氛下，由Al、Ga、N三种元素在所述未掺杂GaN层上生长应力改善层，所述应力改善层的表面不平整；
在所述应力改善层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层；
在所述有源层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述应力改善层包括 GaN层、以及层叠在所述GaN层上的AlGaN层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述应力改善层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且所述应力改善层中沿所述氮化镓基发光二极管的生长方向的最后一层为AlGaN层。
8.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述应力改善层的厚度为20～50nm。
9.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述应力改善层的生长温度为850～1100℃。
10.根据权利要求5-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述应力改善层的生长压力为80～400Torr。
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