CN106229390B - 一种GaN基发光二极管芯片的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,属于半导体技术领域。所述生长方法包括:提供一衬底;在衬底上依次层叠生长缓冲层、不掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层、p型电子阻挡层、p型层和p型接触层;多量子阱层包括两层第一多量子阱层、以及设置在两层第一多量子阱层之间的第二多量子阱层,第一多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层,第二多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和复合量子垒层,复合量子垒层包括依次层叠的第一量子垒子层、第二量子垒子层和第三量子垒子层,第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长且掺杂有Mg,第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长。本发明提高空穴注入效率和发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种GaN基发光二极管芯片的生长方法。
背景技术
当今GaN基发光二极管的应用已经遍布于显示屏、背光源、交通信号灯、景观灯、照明等各个领域。GaN基发光二极管芯片是GaN基发光二极管的核心组成部分。
现有的GaN基发光二极管芯片一般采用异质外延生长方法,由于材料间的晶格常数和热膨胀系数失配,会产生大量的位错和缺陷,又因多量子阱层一般在较低温度生长,其较低的生长温度也会产生大量的位错和缺陷,这些位错和缺陷会延伸至p型层,影响p型层的晶体质量,为了提高p型层的晶体质量,一般会在N2和H2混合气氛下生长p型层。
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:
现有技术中在N2和H2混合气氛下生长p型层,其提升p型层质量的效果有限,其生长的发光二极管芯片的空穴注入效率不高,发光效率不高。
发明内容
为了解决现有技术的问题,本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法。所述技术方案如下:
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,所述生长方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次层叠生长缓冲层、不掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层、p型电子阻挡层、p型层和p型接触层;
所述多量子阱层包括两层第一多量子阱层、以及设置在所述两层第一多量子阱层之间的第二多量子阱层,所述第一多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层,所述第二多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和复合量子垒层,所述复合量子垒层包括依次层叠的第一量子垒子层、第二量子垒子层和第三量子垒子层,所述第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长且掺杂有Mg,所述第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长。
可选地,所述第一量子垒子层为AlxGa1-xN层,0≤x<1。
可选地,所述第二量子垒子层为InyGa1-yN层,0≤y<1。
可选地,所述第三量子垒子层为AlzGa1-zN层,0≤z<1。
可选地,所述第一量子垒子层的厚度为2~6nm。
可选地,所述第二量子垒子层的厚度为2~6nm。
可选地,所述第三量子垒子层的厚度为2~6nm。
可选地,所述第二多量子阱层的层数为一层或多层。
可选地,多层所述第二多量子阱层中,相邻两层所述第二多量子阱层之间设有所述第一多量子阱层。
可选地,所述复合量子垒层的厚度等于所述第一量子垒子层的厚度、所述第二量子垒子层的厚度、所述第三量子垒子层的厚度之和。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
通过在第二量子垒子层中掺Mg,有利于空穴注入量子阱层,同时第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长,有利于提高第二量子垒层中掺杂的Mg的活化,Mg的活化可以有效提高空穴浓度,从而进一步增加空穴注入到量子阱层的效率;第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长,由于氢气的强还原性,可以减少晶体中的杂质,提高了晶体的质量;依次层叠第一量子垒子层、第二量子垒子层、第三量子垒子层,层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力,应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度,提高了晶体质量。综上所述,复合量子垒层的结构可以增加空穴的注入效率,提高晶体的质量,进而提高芯片的抗静电能力和发光效率,与传统的GaN基发光二极管相比,抗静电能力可以提高15%,发光效率可以提高10%~15%。
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基发光二极管芯片的生长方法的流程图;
图2是本发明实施例一提供的多量子阱层的结构示意图;
图3是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管芯片的生长方法的流程图。
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基发光二极管芯片的生长方法,参见图1,该生长方法包括:
步骤101:提供一衬底。
在本实施例中,衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤102:在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中,缓冲层可以为GaN层。
步骤103:在缓冲层上生长不掺杂的GaN层。
步骤104:在不掺杂的GaN层上生长n型层。
在本实施例中,n型层可以为掺杂Si的GaN层。
步骤105:在n型层上生长多量子阱层。
在本实施例中,参见图2,多量子阱层包括两层第一多量子阱层10、以及设置在两层第一多量子阱层10之间的第二多量子阱层20,第一多量子阱层10包括依次层叠的InGaN量子阱层11和GaN量子垒层12,第二多量子阱层20包括依次层叠的InGaN量子阱层21和复合量子垒层22,复合量子垒层22包括依次层叠的第一量子垒子层22a、第二量子垒子层22b和第三量子垒子层22c,第二量子垒子层22b在纯氮气气氛下生长且掺杂有Mg,第三量子垒子层22c在纯氢气气氛下生长。
具体地,第一量子垒子层可以为AlxGa1-xN层,0≤x<1。
具体地,第二量子垒子层可以为InyGa1-yN层,0≤y<1。
具体地,第三量子垒子层可以为AlzGa1-zN层,0≤z<1。
在本实施例中,复合量子垒层的厚度等于第一量子垒子层的厚度、第二量子垒子层的厚度、第三量子垒子层的厚度之和。
可选地,第一量子垒子层的厚度可以为2~6nm。
可选地,第二量子垒子层的厚度可以为2~6nm。
可选地,第三量子垒子层的厚度可以为2~6nm。
步骤106:在多量子阱层上生长p型电子阻挡层。
在本实施例中,p型电子阻挡层可以为Mg掺杂的AlGaN层。
步骤107:在p型电子阻挡层上生长p型层。
在本实施例中,p型层可以为Mg掺杂的GaN层。
步骤108:在p型层上生长p型接触层。
在本实施例中,p型接触层可以为Mg掺杂的GaN层。
本发明实施例通过在第二量子垒子层中掺Mg,有利于空穴注入量子阱层,同时第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长,有利于提高第二量子垒层中掺杂的Mg的活化,Mg的活化可以有效提高空穴浓度,从而进一步增加空穴注入到量子阱层的效率;第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长,由于氢气的强还原性,可以减少晶体中的杂质,提高了晶体的质量;依次层叠第一量子垒子层、第二量子垒子层、第三量子垒子层,层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力,应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度,提高了晶体质量。综上所述,复合量子垒层的结构可以增加空穴的注入效率,提高晶体的质量,进而提高芯片的抗静电能力和发光效率,与传统的GaN基发光二极管相比,抗静电能力可以提高15%,发光效率可以提高10%~15%。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,本实施例提供的生长方法是实施例一提供的生长方法的具体实现。本实施例在生长GaN基发光二极管芯片时,以高纯氢(H2)或氮气(N2)作为载气,以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源,用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。
具体地,参见图3,该生长方法包括:
步骤201:将衬底先升温到500℃,再升温到800℃并稳定30s,再升温到1000℃并稳定30s,再升温到1230℃并稳定10min,在纯氢气气氛下进行热处理。
需要说明的是,热处理的目的是清洁衬底表面。
步骤202:降低温度至540℃,沉积一层厚度为30nm的GaN层,形成缓冲层。
步骤203:进行多个阶段的升温直到1255℃,生长2.5μm的不掺杂的GaN层。
在本实施例中,同一阶段的温度恒定,且不同阶段的温度随时间的增长而升高。例如,先升温到800℃并稳定30s,再升温到1000℃并稳定30s,再升温到1255℃并稳定300s。
步骤204:生长厚度为2μm的掺杂Si的GaN层,形成N型层。
步骤205:生长多量子阱层。
在本实施例中,多量子阱层包括两层第一多量子阱层、以及设置在两层第一多量子阱层之间的第二多量子阱层,第一多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层,第二多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和复合量子垒层,复合量子垒层包括依次层叠的第一量子垒子层、第二量子垒子层和第三量子垒子层,第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长且掺杂有Mg,第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长。
具体地,第一多量子阱层和第二多量子阱层的层数之和为8层。第一多量子阱层中的InGaN量子阱层的厚度为3.0nm,生长温度为880℃;第一多量子阱层中的GaN量子垒层的厚度为12nm,生长温度为960℃;第二多量子阱层中的InGaN量子阱层的厚度为3.0nm,生长温度为880℃;第一量子垒子层的厚度为3.0nm,生长温度为960℃;第二量子垒子层的厚度为5.0nm,生长温度为960℃;第三量子垒子层的厚度为4.0nm,生长温度为960℃。
步骤206:在970℃的温度下,生长50nm的掺杂Mg的AlGaN层,形成P型电子阻挡层。
步骤207:在1090℃的温度下,生长200nm的生长掺杂Mg的GaN层,形成P型层。
步骤208:在1120℃的温度下,生长10nm的生长掺杂Mg的GaN层,形成P型接触层。
在本实施例中,P型接触层的厚度小于P型层的厚度。
本发明实施例通过在第二量子垒子层中掺Mg,有利于空穴注入量子阱层,同时第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长,有利于提高第二量子垒层中掺杂的Mg的活化,Mg的活化可以有效提高空穴浓度,从而进一步增加空穴注入到量子阱层的效率;第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长,由于氢气的强还原性,可以减少晶体中的杂质,提高了晶体的质量;依次层叠第一量子垒子层、第二量子垒子层、第三量子垒子层,层与层的交界处有利于释放生长过程中产生的应力,应力的释放有利于减小晶体的缺陷密度,提高了晶体质量。综上所述,复合量子垒层的结构可以增加空穴的注入效率,提高晶体的质量,进而提高芯片的抗静电能力和发光效率,与传统的GaN基发光二极管相比,抗静电能力可以提高15%,发光效率可以提高10%~15%。
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 (7)
1.一种GaN基发光二极管芯片的生长方法,其特征在于,所述生长方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次层叠生长缓冲层、不掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层、p型电子阻挡层、p型层和p型接触层;
其特征在于,所述多量子阱层包括两层第一多量子阱层、以及设置在所述两层第一多量子阱层之间的第二多量子阱层,所述第一多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层,所述第二多量子阱层包括依次层叠的InGaN量子阱层和复合量子垒层,所述复合量子垒层包括依次层叠的第一量子垒子层、第二量子垒子层和第三量子垒子层,所述第二量子垒子层在纯氮气气氛下生长且掺杂有Mg,所述第三量子垒子层在纯氢气气氛下生长;
所述第一量子垒子层为AlxGa1-xN层,0≤x<1;所述第二量子垒子层为InyGa1-yN层,0≤y<1;所述第三量子垒子层为AlzGa1-zN层,0≤z<1。
2.根据权利要求1所述的生长方法,其特征在于,所述第一量子垒子层的厚度为2~6nm。
3.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述第二量子垒子层的厚度为2~6nm。
4.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述第三量子垒子层的厚度为2~6nm。
5.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述第二多量子阱层的层数为一层或多层。
6.根据权利要求5所述的生长方法,其特征在于,多层所述第二多量子阱层中,相邻两层所述第二多量子阱层之间设有所述第一多量子阱层。
7.根据权利要求1或2所述的生长方法,其特征在于,所述复合量子垒层的厚度等于所述第一量子垒子层的厚度、所述第二量子垒子层的厚度、所述第三量子垒子层的厚度之和。
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