CN105870279B - 一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片，衬底上生长AlN缓冲层，AlN缓冲层上生长复合缓冲层，复合缓冲层上生长非故意掺杂层，非故意掺杂层上生长第一型导电层，第一型导电层上生长有源层，有源层上生长第二型导电层，第二型导电层上生长欧姆接触层；复合缓冲层由GaN缓冲层和多层缓冲层构成，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上，多层缓冲层生长在GaN缓冲层上，多层缓冲层包括GaInN/GaN/AlGaN。本发明解决采用大尺寸衬底生长外延片过程中因温度变化导致翘曲变大而引起外延表面异常及电性能异常问题。

Description

一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，尤其是指一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片。

背景技术

如图1所示，现有技术揭示的传统大尺寸发光二极管外延片的结构，在大尺寸衬底10上采用PVD蒸镀一层缓冲层20，缓冲层20为AlN缓冲层，或者为GaN缓冲层，或者为AlGaN缓冲层；在缓冲层20上生长非故意掺杂层（uGaN）30；在非故意掺杂层30上生长第一型导电层（nGaN）40；在第一型导电层（nGaN）40上生长有源层（MQW）50；在有源层（MQW）50上生长第二型导电层（pGaN）60；在第二型导电层（pGaN）60生长欧姆接触层（ITO）70。

如图2a所示，在缓冲层上生长非故意掺杂层（uGaN）时，如果翘曲太大，会导致生长有源层（MQW）时的衬底还处于凹曲状态；如图2b所示，在缓冲层上生长非故意掺杂层（uGaN）时，如果翘曲适中，生长有源层（MQW）时的衬底可以处于平整状态；如图2c所示，在缓冲层上生长非故意掺杂层（uGaN）时，如果翘曲偏小，会导致生长有源层（MQW）时的衬底还处于凸曲状态。

由于缓冲层通常设置为一层，因此，在缓冲层上生长非故意掺杂层（uGaN）时难以翘曲适中，无法进行翘曲调整，进而使得外延生长过程中外延片的翘曲变化不稳定，导致的工艺窗口变窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片，以解决采用大尺寸衬底生长外延片过程中因温度变化导致翘曲变大而引起外延表面异常及电性能异常问题。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片，衬底上生长AlN缓冲层，AlN缓冲层上生长复合缓冲层，复合缓冲层上生长非故意掺杂层，非故意掺杂层上生长第一型导电层，第一型导电层上生长有源层，有源层上生长第二型导电层，第二型导电层上生长欧姆接触层；复合缓冲层由GaN缓冲层和多层缓冲层构成，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上，多层缓冲层生长在GaN缓冲层上，多层缓冲层包括GaInN/GaN/AlGaN、AlGaN/GaN/GaInN、GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构。

进一步，衬底为大尺寸蓝宝石衬底。

进一步，AlN缓冲层的厚度≦40nm。

进一步，GaN缓冲层的厚度≦10nm。

进一步，多层缓冲层的厚度≦200nm。

进一步，多层缓冲层GaInN/GaN/AlGaN中GaInN的厚度d1满足0<d1<150nm，GaN的厚度d2满足0<d2<30nm，AlGaN的厚度d3满足0<d3<150nm。

进一步，多层缓冲层GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构，其中超晶格的单组厚度小于10nm；超晶格对数最大30对。

进一步，在有源层与第二型导电层之间生长电子阻挡层。

一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，包括以下步骤：

一，在衬底上表面蒸镀AlN缓冲层；

二，在AlN缓冲层上外延生长GaN缓冲层，反应温度小于600℃，反应压力小于300乇，生长速率低于0.9um/h的，且在外延生长过程中，生长温升至900℃左右；

三，在GaN缓冲层上外延生长复合缓冲层，反应温度至1000℃左右；复合缓冲层由GaN缓冲层和多层缓冲层构成，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上，多层缓冲层生长在GaN缓冲层上，多层缓冲层包括GaInN/GaN/AlGaN、AlGaN/GaN/GaInN、GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构；复合缓冲层中的GaInN材料采用1000℃左右生长，然后再降温至900℃生长GaN材料，最后再升温至1000℃生长AlGaN材料；

四，生长完复合缓冲层再升高外延生长温度至1050℃以上依次进行外延生长非故意掺杂层及第一型导电层；

五，降低外延生长温度至低于800℃在第一型导电层上外延生长有源层；

六，升高温度至900℃以上，在有源层上依次生长第二型导电层及欧姆接触层。

进一步，在第二型导电层与欧姆接触层之间生长电子阻挡层，生长温度为900℃以上。

采用上述方案后，本发明复合缓冲层由GaN缓冲层和多层缓冲层构成，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上，多层缓冲层生长在GaN缓冲层上，多层缓冲层包括包括GaInN/GaN/AlGaN、AlGaN/GaN/GaInN、GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构。

因此，通过监控上一生长周期的翘曲曲线，对本周期外延结构中的多层缓冲层的结构做调整的，达到获得高质量、均匀性好的外延片：1、在偏凸的情况可通过提高GaInN层中In组分含量或厚度，使得外延片的应力变化为翘曲更倾向于凹状，从而改善外延片生长偏凸的状态；也可通过降低AlGaN层的Al组分含量或厚度可微调至凹状；2、在偏凹状的情况可通过提高AlGaN层的Al组分含量或厚度，使得外延片的应力变化为翘曲更倾向于凸状，从而改善外延片生长偏凹的状态；也可通过降低GaInN层中In组分含量或厚度微调至凸状。其中夹于GaInN和AlGaN中间的 GaN层起到渐进缓冲、调节应力的作用。通过GaN层的厚度调整也可适当调节外延片翘曲状态。

附图说明

图1是现有技术大尺寸发光二极管外延片的结构示意图；

图2a是现有技术生长非故意掺杂层与有源层时翘曲示意图一；

图2b是现有技术生长非故意掺杂层与有源层时翘曲示意图二；

图2c是现有技术生长非故意掺杂层与有源层时翘曲示意图三；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明翘曲产生原理及调整示意图。

标号说明

衬底10 缓冲层20

非故意掺杂层30 第一型导电层40

有源层 50 第二型导电层 60

欧姆接触层70

衬底1 AlN缓冲层2

复合缓冲层3 GaN缓冲层31

多层缓冲层32 GaInN层321

GaN层322 AlGaN层323

非故意掺杂层4 第一型导电层5

有源层6 第二型导电层7

欧姆接触层8。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。

参阅图3及图4所示，本发明揭示的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片，衬底1上生长AlN缓冲层2，AlN缓冲层2上生长复合缓冲层3，复合缓冲层3上生长非故意掺杂层（uGaN）4，非故意掺杂层4上生长第一型导电层（nGaN）5，第一型导电层5上生长有源层6，有源层6上生长第二型导电层7，第二型导电层7上生长欧姆接触层8。衬底1优选为大尺寸蓝宝石衬底。可以在有源层6与第二型导电层7之间生长电子阻挡层。

复合缓冲层3由GaN缓冲层31和多层缓冲层32构成，GaN缓冲层31生长在AlN缓冲层2上，多层缓冲层32生长在GaN缓冲层31上，本实施例中，多层缓冲层32包括GaInN层321、GaN层322和AlGaN层323，如图3所示，GaInN层321生长在GaN缓冲层31上，GaN层322生长在GaInN层321上，AlGaN层323生长在GaN层322上。

多层缓冲层32还可以包括AlGaN/GaN/GaInN、GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构。

AlN缓冲层2的厚度≦40nm。GaN缓冲层31的厚度≦10nm。多层缓冲层32的厚度≦200nm。多层缓冲层32GaInN/GaN/AlGaN中GaInN的厚度d1满足0<d1<150nm，GaN的厚度d2满足0<d2<30nm，AlGaN的厚度d3满足0<d3<150nm。多层缓冲层32GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构，其中超晶格的单组厚度小于10nm；超晶格对数最大30对。

本发明还揭示一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，包括以下步骤：

一，在大尺寸蓝宝石衬底1上表面采用PVD设备蒸镀AlN缓冲层2。

二，在AlN缓冲层2上外延生长GaN缓冲层31，反应温度小于600℃，反应压力小于300乇，生长速率低于0.9um/h的，且在外延生长过程中，生长温升至900℃左右。

三，在GaN缓冲层31上外延生长复合缓冲层3，反应温度至1000℃左右；复合缓冲层3由GaN缓冲层31和多层缓冲层32构成，GaN缓冲层31生长在AlN缓冲层2上，多层缓冲层32生长在GaN缓冲层31上，多层缓冲层32包括GaInN层321、GaN层322和AlGaN层323，如图3所示，GaInN层321生长在GaN缓冲层31上，GaN层322生长在GaInN层321上，AlGaN层323生长在GaN层322上。复合缓冲层32中的GaInN材料采用1000℃左右生长，然后再降温至900℃生长GaN材料，最后再升温至1000℃生长AlGaN材料；

多层缓冲层32还可以包括AlGaN/GaN/GaInN、GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构。

四，生长完复合缓冲层3再升高外延生长温度至1050℃以上，依次进行外延生长非故意掺杂4及第一型导电层5。

五，降低外延生长温度至低于800℃，在第一型导电层5上外延生长有源层6。

六，升高温度至900℃以上，在有源层6上依次生长第二型导电层7及欧姆接触层8。

可以在第二型导电层7与欧姆接触层8之间生长电子阻挡层，生长温度为900℃以上。

如图4所示为晶体大小对内应力的影响示意图，晶格大小是AlN＜AlGaN＜GaN＜GaInN，当在小晶格上长大晶格时，是一种压应力，当在大晶格上长小晶时是一种张应力。压应力会导致晶体横向力向外，容易使生长非故意掺杂（uGaN）4时翘曲变小。张应力会导致晶体横向力向内，容易使生长非故意掺杂（uGaN）4时翘曲变大。

通过调整AlGaN层323的Al组分含量会使得晶格变小，所以可调整生长非故意掺杂（uGaN）4时翘曲变小；增加AlGaN层323的厚度也可使得内应力变大，所以也可调整生长非故意掺杂（uGaN）4时翘曲变小。

通过调整GaInN层321的In组分含量会使得晶格变大，所以可调整生长非故意掺杂（uGaN）4时翘曲变大；增加GaInN层321的厚度也可使得内应力变大，所以也可调整生长非故意掺杂（uGaN）4时翘曲变大。

采用GaN缓冲层31作为AlN缓冲层2与GaInN层321的过渡层，采用GaN层322作为GaInN层321与AlGaN层323的过渡层，避免瞬间的晶格变化过大，导致应力过大而使得晶体质量严重恶化。

因此，对于图2a所述情况，在生长非故意掺杂（uGaN）4时如果翘曲太大，导致生长有源层6时的衬底1还处于凹曲状态时，可采用加厚AlGaN层323或提高Al组分含量。

对于图2c所述情况，在生长非故意掺杂（uGaN）4时如果翘曲偏小，会导致生长有源层6时的衬底1还处于凸曲状态；可采用加厚GaInN层321或提高In组分。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (7)

1.一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片，其特征在于：衬底上生长AlN缓冲层，AlN缓冲层上生长复合缓冲层，复合缓冲层上生长非故意掺杂层，非故意掺杂层上生长第一型导电层，第一型导电层上生长有源层，有源层上生长第二型导电层，第二型导电层上生长欧姆接触层；复合缓冲层由GaN缓冲层和多层缓冲层构成，GaN缓冲层生长在AlN缓冲层上，多层缓冲层生长在GaN缓冲层上，多层缓冲层包括GaInN/GaN/AlGaN、AlGaN/GaN/GaInN、GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构或AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构；其中，在所述第二型导电层与欧姆接触层之间生长电子阻挡层。

2.如权利要求1所述的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，其特征在于：衬底为蓝宝石衬底。

3.如权利要求1所述的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，其特征在于：AlN缓冲层的厚度≦40nm。

4.如权利要求1所述的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，其特征在于：GaN缓冲层的厚度≦10nm。

5.如权利要求1所述的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，其特征在于：多层缓冲层的厚度≦200nm。

6.如权利要求1所述的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片制作方法，其特征在于：多层缓冲层GaInN/GaN/AlGaN中GaInN的厚度d1满足0<d1<150nm，GaN的厚度d2满足0<d2<30nm，AlGaN的厚度d3满足0<d3<150nm。

7.如权利要求1所述的一种不易发生翘曲的大尺寸发光二极管外延片，其特征在于：多层缓冲层GaInN/GaN超晶格结构/AlGaN、GaInN/GaN/AlGaN超晶格结构、AlGaN/GaN/GaInN超晶格结构，其中超晶格的单组厚度小于10nm；超晶格对数最大30对。