CN105914266A - 一种GaN基发光二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管的制备方法，包括：提供一衬底；在所述衬底上生长N型GaN层；在所述N型GaN层上生长量子阱层；在所述量子阱层上生长P型GaN层；其中，所述N型GaN层或/和所述P型GaN层采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度。本发明所述N型GaN层或/和所述P型GaN层通过采用变温生长，可以改善所述N型GaN层或/和P型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光领域，特别是涉及一种GaN基发光二极管的制备方法。
背景技术
随着发光二极管技术的进步和光效的提高，发光二极管已经成为新一代的照明光源，普遍应用于背光源、显示屏、装饰照明，并且逐渐进入家用照明、室外照明领域。GaN基发光二极管作为固态光源以其高亮度、高效率、长寿命、节能环保、体积小等优点成为国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。但是GaN基发光二极管中由于蓝宝石、SiC或Si衬底和GaN基薄膜的晶格常数和热膨胀系数的不同导致GaN薄膜存在大量的位错缺陷，严重影响GaN基发光二极管的发光效率，因此改善GaN薄膜的晶体质量就成为提高GaN基发光二极管发光效率的重要手段。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种GaN基发光二极管的制备方法。
发明内容
本发明针对现有GaN薄膜晶体质量差导致GaN基发光二极管发光效率低的问题，提供一种GaN基发光二极管的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种GaN基发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长量子阱层；
在所述量子阱层上生长P型GaN层；
其中，所述N型GaN层或/和所述P型GaN层采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度。
进一步的，在所述的制备方法中，所述周期性波动温度的波动幅度为20℃～300℃。
较佳的，在所述的制备方法中，所述变温生长为周期性第一温度和第二温度交替生长，所述第一温度高于所述第二温度。
可选的，在所述的制备方法中，所述周期性波动温度的波动幅度为变动的。
较佳的，在所述的制备方法中，所述周期性波动温度的时间周期为固定的。
可选的，在所述的制备方法中，所述周期性波动温度的时间周期为变动的。
进一步的，在所述的制备方法中，所述N型GaN层生长温度的范围为700℃～1200℃，生长厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
进一步的，在所述的制备方法中，所述P型GaN层生长温度的范围为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～500nm，所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
进一步的，在所述的制备方法中，在所述衬底和N型GaN层之间形成依次层叠的缓冲层和未掺杂GaN层。
进一步的，在所述的制备方法中，在所述量子阱层和P型GaN层之间形成依次层叠的未掺杂AlGaN层、低温P型GaN层和P型电子阻挡层。
进一步的，在所述的制备方法中，所述衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
进一步的，在所述的制备方法中，所述量子阱层包括在所述N型GaN层上依次层叠的浅量子阱结构和多量子阱结构。
进一步的，在所述的制备方法中，所述量子阱层的生长温度为700℃～900℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用变温的方式生长N型GaN层或/和P型GaN层，不同的生长温度可以改变N型GaN层或/和P型GaN层的碳含量，同时，不同的生长温度可以改变N型GaN晶体或/和P型GaN晶体的横向生长速率和纵向生长速率，从而减少N型GaN层或/和P型GaN层的位错缺陷，提高发光二极管基本结构中N型GaN层或/和P型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明一种GaN基发光二极管的制备方法的流程图；
图2、图3、图5和图6为本发明实施例1的一种GaN基发光二极管制备方法的各工艺步骤中的结构示意图；
图4为本发明实施例中N型GaN层变温生长的生长时间t和生长温度T的关系曲线图；
图7至图8为本发明实施例2的一种GaN基发光二极管制备方法的各工艺步骤中的结构示意图；
图9为本发明实施例中P型GaN层变温生长的生长时间t和生长温度T的关系曲线图；
图10为本发明实施例3的一种GaN基发光二极管制备方法的各工艺步骤中的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合流程图和示意图对本发明的GaN基发光二极管的制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种GaN基发光二极管的制备方法，如图1所示：包括以下步骤：
步骤S1、提供一衬底；
步骤S2、在所述衬底上生长N型GaN层；
步骤S3、在所述N型GaN层上生长量子阱层；
步骤S4、在所述量子阱层上生长P型GaN层；
其中，所述N型GaN层或/和所述P型GaN层采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度。
本发明采用变温的方式生长N型GaN层或/和P型GaN层，不同的生长温度可以改变N型GaN层或/和P型GaN层的碳含量，同时，不同的生长温度可以改变N型GaN晶体或/和P型GaN晶体的横向生长速率和纵向生长速率，从而减少N型GaN层或/和P型GaN层的位错缺陷，提高发光二极管基本结构中N型GaN层或/和P型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
以下列举所述GaN基发光二极管的制备方法的几个实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
实施例1：
如图1所示，首先，进行步骤S1，如图2所示，提供一衬底100。所述衬底100的材料可以为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
然后，如图1所示，进行步骤S2，如图3所示，在所述衬底100上生长N型GaN层130。在实际生产中，在所述衬底100和所述N型GaN层130之间会形成依次层叠的缓冲层110和未掺杂GaN层120。所述缓冲层110的材料为GaN、AlN或AlGaN，所述缓冲层110的生长温度为450℃～650℃，生长厚度为15nm～50nm；所述未掺杂GaN层120的生长温度为900℃～1200℃。
所述N型GaN层130采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度(其中，所述周期性波动温度为周期性高温、低温交替变化的温度，每一周期中均具有一个高温和一个低温)，所述周期性波动温度的波动幅度(其中，温度的波动幅度为高温和低温之间的温度差)为20℃～300℃，例如50℃、100℃、200℃。所述N型GaN层130的生长温度的范围为700℃～1200℃，生长厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层130的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
在本实施例中，所述N型GaN层130采用周期性第一温度(高温)和第二温度(低温)交替生长，即不同周期中，高温的温度均相同，且低温的温度均相同，不同周期中的温度的波动幅度相同。所述N型GaN层130的生长时间t和生长温度T的曲线，如图4所示，其中，T1为第一温度，T2为第二温度，所述第一温度高于所述第二温度，则所述周期性波动温度的波动幅度△T＝T1-T2，较佳的，所述第一温度T1为1000℃，第二温度T2为950℃，则本实施例中的波动幅度△T为固定值50℃，t10至t11为第一个周期的时间，t11至t12为第二个周期的时间，以此类推，t1(n-1)至t1n为第n个周期的时间，n≥1，较佳的，每一周期的时间相同，即t11-t10＝t12-t11＝t1n-t1(n-1)。在具体的生长过程中，从第一温度到第二温度实际是一个温度渐变的过程，如图4所示，△t-11表示第一个周期中从第一温度到第二温度渐变的时间，同理，在周期性波动温度生长中，从第二温度到第一温度实际也是一个温度渐变的过程，如图4所示，△t+12表示第二个周期中从第二温度到第一温度渐变的时间。
显然，在其他的实施例中，生长N型GaN层130的周期性波动温度的波动幅度是可变的，即不同周期中的第一温度(高温)和第二温度(低温)是不固定的，不同周期中的温度的波动幅度△T是可以不同的，而且，所述周期性波动温度的时间周期也是可变的，如t11-t10≠t12-t11≠t1n-t1(n-1)。
本实施例中所述N型GaN层130采用周期性第一温度(高温)和第二温度(低温)交替生长，可以改变N型GaN层的碳含量，同时可以改变N型GaN晶体的横向生长速率和纵向生长速率，从而减少N型GaN层的位错缺陷，提高发光二极管基本结构中N型GaN层的晶体质量。
接着，如图1所示，进行步骤S3，如图5所示，在所述型N型GaN层130上生长量子阱层140，所述量子阱层140包括在所述N型GaN层130上依次层叠的浅量子阱结构1401和多量子阱结构1402。所述量子阱层140的生长温度为700℃～900℃。较佳的，所述浅量子阱结构1401由3～30组周期层叠的第一InGaN势阱层和第一GaN势垒层组成，所述多量子阱结构1402由5～18组周期层叠的第二InGaN势阱层和第二GaN势垒层组成。所述第一InGaN势阱层厚度为1.0nm～4.0nm，所述第一GaN势垒层厚度为1.0nm～9.0nm。所述第二InGaN势阱层厚度为2.0nm～4.0nm，所述第二GaN势垒层厚度为3.0nm～15.0nm。
最后，如图1所示，进行步骤S4，如图6所示，采用固定温度在所述量子阱层140上生长P型GaN层180。所述P型GaN层180的生长温度为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～500nm，所述P型GaN层180的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在实际生产中，如图6所示，在所述量子阱层140和P型GaN层180之间会形成依次层叠的未掺杂AlGaN层150、低温P型GaN层160和P型电子阻挡层170。较佳的，所述未掺杂AlGaN层150的Al组分在2％～20％之间，生长厚度为20nm～35nm。所述低温P型GaN层160的生长厚度为10nm～100nm，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3，其生长温度低于所述型P型GaN层180的生长温度。所述P型电子阻挡层170为P型AlGaN、P型InAlGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述P型电子阻挡层170的生长厚度为30nm～80nm，Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在本实施例中，由于本实施例中所述N型GaN层130采用周期性第一温度和第二温度交替生长，提高发光二极管基本结构中N型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
实施例2：
请参阅图7-图9，其中，在图7-图8中，参考标号表示与图2-图6相同的表述与第一实施例的制备方法中相同的结构，所述第二实施例的制备方法与所述第一实施例的制备方法的区别在于：
如图7所示，在所述制备方法的步骤S2中，采用固定温度在所述衬底100上生长N型GaN层131。所述N型GaN层131的生长温度为700℃～1200℃，生长厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层131的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
如图8所示，在所述制备方法的步骤S4中，在所述量子阱层140上生长P型GaN层181，所述P型GaN层181采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度(其中，所述周期性波动温度为周期性高温、低温交替变化的温度，每一周期中均具有一个高温和一个低温)，所述周期性波动温度的波动幅度(其中，温度的波动幅度为高温和低温之间的温度差)为20℃～300℃，例如50℃、100℃、200℃。所述P型GaN层181的生长温度的范围为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～150nm，所述P型GaN层181的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在本实施例中，所述P型GaN层181采用周期性第一温度(高温)和第二温度(低温)交替生长，即不同周期中，高温的温度均相同，且低温的温度均相同，不同周期中的温度的波动幅度相同。所述P型GaN层181的生长时间t和生长温度T的曲线，如图9所示，其中，T3为第一温度，T4为第二温度，所述第一温度高于所述第二温度，则所述周期性波动温度的波动幅度△T＝T3-T4，较佳的，所述第一温度T3为950℃，第二温度T4为900℃，则本实施例中的波动幅度△T为固定值50℃，t20至t21为第一个周期的时间，t21至t22为第二个周期的时间，以此类推，t2(n-1)至t2n为第n个周期的时间，n≥1，较佳的，每一周期的时间相同，即t21-t20＝t22-t21＝t2n-t2(n-1)。在具体的生长过程中，从第一温度到第二温度实际是一个温度渐变的过程，如图9所示，△t-21表示第一个周期中从第一温度到第二温度渐变的时间，同理，在周期性波动温度生长中，从第二温度到第一温度实际也是一个温度渐变的过程，如图9所示，△t+22表示第二个周期中从第二温度到第一温度渐变的时间。
显然，在其他的实施例中，生长P型GaN层181的周期性波动温度的波动幅度是可变的，即不同周期中的第一温度(高温)和第二温度(低温)是不固定的，不同周期中的温度的波动幅度△T是可以不同的，而且，所述周期性波动温度的时间周期也是可变的，如t21-t20≠t22-t21≠t2n-t2(n-1)。
本实施例中所述P型GaN层181采用周期性第一温度(高温)和第二温度(低温)交替生长，可以改变P型GaN层的碳含量，同时可以改变P型GaN晶体的横向生长速率和纵向生长速率，从而减少P型GaN层的位错缺陷，提高发光二极管基本结构中P型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
实施例3：
请参阅图10，其中，在图10中，参考标号表示与图2-图6相同的表述与第一实施方式的制备方法中相同的结构，所述第三实施例的制备方法和第一实施例的制备方法的区别在于：
如图10所示，在所述制备方法的步骤S2中，在所述衬底100上生长N型GaN层130，所述N型GaN层130采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度(其中，所述周期性波动温度为周期性高温、低温交替变化的温度，每一周期中均具有一个高温和一个低温)，所述周期性波动温度的波动幅度(其中，温度的波动幅度为高温和低温之间的温度差)为20℃～300℃，例如50℃、100℃、200℃。所述N型GaN层130的生长温度的范围为700℃～1200℃，生长厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层130的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
在本实施例中，所述N型GaN层130采用周期性第一温度(高温)和第二温度(低温)交替生长，即不同周期中，高温的温度均相同，且低温的温度均相同，不同周期中的温度的波动幅度相同。所述N型GaN层130的生长时间t和生长温度T的曲线，如图4所示，其中，T1为第一温度，T2为第二温度，所述第一温度高于所述第二温度，则所述周期性波动温度的波动幅度△T＝T1-T2，较佳的，所述第一温度T1为1000℃，第二温度T2为950℃，则本实施例中的波动幅度△T为固定值50℃，t10至t11为第一个周期的时间，t11至t12为第二个周期的时间，以此类推，t1(n-1)至t1n为第n个周期的时间，n≥1，较佳的，每一周期的时间相同，即t11-t10＝t12-t11＝t1n-t1(n-1)。在具体的生长过程中，从第一温度到第二温度实际是一个温度渐变的过程，如图4所示，△t-11表示第一个周期中从第一温度到第二温度渐变的时间，同理，在周期性波动温度生长中，从第二温度到第一温度实际也是一个温度渐变的过程，如图4所示，△t+12表示第二个周期中从第二温度到第一温度渐变的时间。
如图10所示，在所述制备方法的步骤S4中，在所述量子阱层140上生长P型GaN层181，所述P型GaN层181采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度(其中，所述周期性波动温度为周期性高温、低温交替变化的温度，每一周期中均具有一个高温和一个低温)，所述周期性波动温度的波动幅度(其中，温度的波动幅度为高温和低温之间的温度差)为20℃～300℃，例如50℃、100℃、200℃。所述P型GaN层181的生长温度的范围为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～150nm，所述P型GaN层181的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在本实施例中，所述P型GaN层181采用周期性第一温度(高温)和第二温度(低温)交替生长，即不同周期中，高温的温度均相同，且低温的温度均相同，不同周期中的温度的波动幅度相同。所述P型GaN层181的生长时间t和生长温度T的曲线，如图9所示，其中，T3为第一温度，T4为第二温度，所述第一温度高于所述第二温度，则所述周期性波动温度的波动幅度△T＝T3-T4，较佳的，所述第一温度T3为950℃，第二温度T4为900℃，则本实施例中的波动幅度△T为固定值50℃，t20至t21为第一个周期的时间，t21至t22为第二个周期的时间，以此类推，t2(n-1)至t2n为第n个周期的时间，n≥1，较佳的，每一周期的时间相同，即t21-t20＝t22-t21＝t2n-t2(n-1)。在具体的生长过程中，从第一温度到第二温度实际是一个温度渐变的过程，如图9所示，△t-21表示第一个周期中从第一温度到第二温度渐变的时间，同理，在周期性波动温度生长中，从第二温度到第一温度实际也是一个温度渐变的过程，如图9所示，△t+22表示第二个周期中从第二温度到第一温度渐变的时间。
显然，在其他的实施例中，所述N型GaN层130和P型GaN层181的周期性波动温度的波动幅度是可变的，即不同周期中的第一温度(高温)和第二温度(低温)是不固定的，不同周期中的温度的波动幅度△T是可以不同的，而且，所述周期性波动温度的时间周期也是可变的，如t11-t10≠t12-t11≠t1n-t1(n-1)，t21-t20≠t22-t21≠t2n-t2(n-1)。
本实施例中所述N型GaN层和所述P型GaN层都采用变温生长，不同的生长温度可以改变N型GaN层和P型GaN层的碳含量，同时，不同的生长温度可以改变N型GaN晶体和P型GaN晶体的横向生长速率和纵向生长速率，从而大大减少N型GaN层和P型GaN层的位错缺陷，提高发光二极管基本结构中N型GaN层和P型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
综上，本发明提供的一种GaN基发光二极管的制备方法，该发明所述N型GaN层或/和所述P型GaN层采用变温生长，不同的生长温度可以改变N型GaN层或/和P型GaN层的碳含量，同时，不同的生长温度可以改变N型GaN晶体或/和P型GaN晶体的横向生长速率和纵向生长速率，从而减少N型GaN层或/和P型GaN层的位错缺陷，提高发光二极管基本结构中N型GaN层或/和P型GaN层的晶体质量，进而提升GaN基发光二极管的发光效率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种GaN基发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长量子阱层；
在所述量子阱层上生长P型GaN层；
其中，所述N型GaN层或/和所述P型GaN层采用变温生长，所述变温生长中的温度为周期性波动温度。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述周期性波动温度的波动幅度为20℃～300℃。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述变温生长为周期性第一温度和第二温度交替生长，所述第一温度高于所述第二温度。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述周期性波动温度的波动幅度为变动的。
5.如权利要求1至4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述周期性波动温度的时间周期为固定的。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述周期性波动温度的时间周期为变动的。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层生长温度的范围为700℃～1200℃，生长厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层的Si掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层生长温度的范围为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～500nm，所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述衬底和N型GaN层之间形成依次层叠的缓冲层和未掺杂GaN层。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述量子阱层和P型GaN层之间形成依次层叠的未掺杂AlGaN层、低温P型GaN层和P型电子阻挡层。
11.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
12.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱层包括在所述N型GaN层上依次层叠的浅量子阱结构和多量子阱结构。
13.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱层的生长温度为700℃～900℃。
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