CN106784171A - GaN基LED外延结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；采用非连续生长工艺在所述缓冲层上生长未掺杂的GaN层；在所述未掺杂的GaN层上生长N型GaN层；在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上依次生长AlGaN层、低温P型层及P型电子阻挡层；在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。采用非连续生长工艺在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层，可以有效地抑制外延结构中的线性缺陷，进而改善GaN基LED外延结构的发光效率。
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LED外延结构的制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管(LED)应用范围越来越广，相比传统光源，发光二极管具有众多优势，如节能，长寿命，高光效，体积小等，正逐步成为一种重要的照明方式。
GaN基发光二极管的发光效率是目前衡量LED的一个重要的参数。但由于在蓝宝石、SiC或Si衬底上生长GaN基薄膜的过程中，晶格常数和热膨胀系数的不同会导致GaN薄膜存在大量的外延缺陷。1991年中村修二先生提出了外延生长之前，先生长一层缓冲层，这种方法极大程度上较少了线性缺陷，奠定了GaN基发光二极管发展的基础。
然而，虽然在外延生长前先生长一层缓冲层可以有效地降低减少线性缺陷，但并不能完全消除线性缺陷的存在，在现有的外延生长工艺过程中，形成的外延结构内仍有大量的线性缺陷的存在。
因此，有必要提供一种新型的GaN基LED外延结构的制备方法，以抑制外延结构中的线性缺陷。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，用于解决现有技术中制备的GaN基LED外延结构中存在较多线性缺陷的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；
采用非连续生长工艺在所述缓冲层上生长未掺杂的GaN层；
在所述未掺杂的GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上依次生长AlGaN层、低温P型层及P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述缓冲层为GaN、AlGaN或AlGaN与GaN形成的周期性结构；所述缓冲层的生长温度为450℃～650℃，生长厚度为15nm～50nm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，采用非连续生长工艺在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层包括：
打开Ga源，在所述缓冲层上生长第一未掺杂GaN层；
关闭所述Ga源，中断生长一段时间；
再次打开Ga源，继续在所述第一未掺杂GaN层上生长第二未掺杂GaN层。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，关闭Ga源中断生长的时间为10s～5mins。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述第一未掺杂的GaN层及所述第二未掺杂的GaN层的生长温度均为1000℃～1200℃。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，关闭Ga源中断生长的过程中，生长环境内持续通入NH3。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃；所述N型GaN层及所述未掺杂的GaN层的总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e19cm-3～9e19cm-3。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数为3～30；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％；InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，GaN势垒的厚度为1nm～9nm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的周期对数为5～18；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm；所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为1e18cm-3～1e19cm-3。
作为本发明的GaN基LED外延结构的制备方法的一种优选方案，所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
如上所述，本发明的GaN基LED外延结构的制备方法，具有以下有益效果：采用非连续生长工艺在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层，可以有效地抑制外延结构中的线性缺陷，进而改善GaN基LED外延结构的发光效率。
附图说明
图1显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法的流程图。
图2显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S1步骤呈现的结构示意图。
图3显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S2步骤呈现的结构示意图。
图4显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S3步骤呈现的结构示意图。
图5显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S4步骤呈现的结构示意图。
图6显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S5步骤呈现的结构示意图。
图7显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S6步骤呈现的结构示意图。
图8显示为本发明GaN基LED外延结构的制备方法中S7步骤呈现的结构示意图。
元件标号说明
1 生长生长衬底
2 缓冲层
3 未掺杂的GaN层
31 第一未掺杂的GaN层
32 第二未掺杂的GaN层
4 N型GaN层
5 InGaN/GaN超晶格量子阱结构
6 InGaN/GaN多量子阱发光层结构
7 AlGaN层
8 低温P型层
9 P型电子阻挡层
10 P型GaN层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图8需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述制备方法包括一下步骤：
S1：提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；
S2：采用非连续生长工艺在所述缓冲层上生长未掺杂的GaN层；
S3：在所述未掺杂的GaN层上生长N型GaN层；
S4：在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
S5：在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
S6：在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上依次生长AlGaN层、低温P型层及P型电子阻挡层；
S7：在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
在步骤S1中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供生长衬底1，将所述生长衬底1置于一MOCVD炉内，在所述生长衬底1上形成缓冲层2。
作为示例，所述生长衬底1可以为但不仅限于适合GaN及其半导体外延材料生长的蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为示例，所述缓冲层2可以为GaN，也可以为AlGaN，还可以为AlGaN与GaN形成的周期性结构；所述缓冲层2的生长温度为450℃～650℃，所述缓冲层2的生长厚度为15nm～50nm。
在步骤S2中，请参阅图1中的S2步骤及图3，采用非连续生长工艺在所述缓冲层2上生长未掺杂的GaN层3。
作为示例，采用非连续生长工艺在所述缓冲层2上依次生长未掺杂的GaN层3包括：
S21：打开Ga源，先在所述缓冲层2上生长一定厚度的第一未掺杂GaN层31；
S22：关闭所述Ga源，中断生长一小段时间；
S23：再次打开Ga源，继续在所述第一未掺杂GaN层31上生长第二未掺杂GaN层32。
作为示例，关闭Ga源中断生长的时间为10秒～5分钟。
作为示例，所述第一未掺杂的GaN层及所述第二未掺杂的GaN层的生长温度均为1000℃～1200℃。
作为示例，关闭Ga源中断生长的过程中，生长环境内通入有NH3。关闭Ga源中断生长的过程中，在生长环境内持续通入NH3，NH3的存在对所述第一未掺杂GaN层31的表面有一定的腐蚀作用，一定程度上阻断了某些线性缺陷向外延层的延伸。
在步骤S3中，请参阅图1中的S3步骤及图4，在所述未掺杂的GaN层3上生长N型GaN层4。
作为示例，所述N型GaN层4的生长温度为1000℃～1200℃；所述N型GaN层4及所述未掺杂的GaN层3的总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层4内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e19cm-3～9e19cm-3。
在步骤S4中，请参阅图1中的S4步骤及图5，在所述N型GaN层4上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构5。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5包括3～30个所述周期对。
作为示例，所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，所述GaN势垒的厚度为1nm～9nm；所述InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％。
在步骤S5中，请参阅图1中的S5步骤及图6，在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构6。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6由InGaN势阱与GaN势垒交替组成，一个所述InGaN势阱与一个所述GaN势垒构成一个周期对，在同一周期对内，所述GaN势垒位于所述InGaN势阱之上；优选地，本实施例中，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6包括5～18个所述周期对。
作为示例，所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6的生长温度为700℃～900℃；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
采用上述工艺在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构5上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构6，一定程度上可以改善晶体生长质量，提高内量子效率。
在步骤S6中，请参阅图1中的S6步骤及图7，在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构6上依次生长AlGaN层7、低温P型层8及P型电子阻挡层9。
作为示例，所述AlGaN层7中Al的组分含量为2％～20％；所述AlGaN层7的生长温度为850℃～900℃；所述AlGaN层7的厚度为20nm～35nm。
作为示例，所述低温P型层8可以为低温P型AlInGaN层，所述低温P型层8的生长温度为700℃～800℃。
作为示例，所述P型电子阻挡层9可以为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层9的生长温度为900℃～950℃；所述P型电子阻挡层9的厚度为30nm～80nm；所述P型电子阻挡层9内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为1e18cm-1～1e19cm-1。
在步骤S7中，请参阅图1中的S7步骤及图8，在所述P型电子阻挡层9上生长P型GaN层10。
作为示例，所述P型GaN层10的生长温度为950℃～1000℃；所述P型GaN层10的厚度为30nm～150nm；所述P型电子阻挡层8内的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-1～1e20cm-1。
综上所述，本发明提供一种GaN基LED外延结构的制备方法，所述GaN基LED外延结构的制备方法包括以下步骤：提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；采用非连续生长工艺在所述缓冲层上生长未掺杂的GaN层；在所述未掺杂的GaN层上生长N型GaN层；在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上依次生长AlGaN层、低温P型层及P型电子阻挡层；在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。采用非连续生长工艺在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层，可以有效地抑制外延结构中的线性缺陷，进而改善GaN基LED外延结构的发光效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种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：
提供生长衬底，在所述生长衬底上生长缓冲层；
采用非连续生长工艺在所述缓冲层上生长未掺杂的GaN层；
在所述未掺杂的GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN超晶格量子阱结构；
在所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构上生长InGaN/GaN多量子阱发光层结构；
在所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构上依次生长AlGaN层、低温P型层及P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述缓冲层为GaN、AlGaN或AlGaN与GaN形成的周期性结构；所述缓冲层的生长温度为450℃～650℃，生长厚度为15nm～50nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：采用非连续生长工艺在所述缓冲层上依次生长未掺杂的GaN层包括：
打开Ga源，在所述缓冲层上生长第一未掺杂GaN层；
关闭所述Ga源，中断生长一段时间；
再次打开Ga源，继续在所述第一未掺杂GaN层上生长第二未掺杂GaN层。
5.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：关闭Ga源中断生长的时间为10s～5mins。
6.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述第一未掺杂的GaN层及所述第二未掺杂的GaN层的生长温度均为1000℃～1200℃。
7.根据权利要求4所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：关闭Ga源中断生长的过程中，生长环境内持续通入NH3。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述N型GaN层的生长温度为1000℃～1200℃；所述N型GaN层及所述未掺杂的GaN层的总生长厚度为1.5μm～4.5μm；所述N型GaN层内的掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1e19cm-3～9e19cm-3。
9.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN超晶格量子阱结构的周期对数为3～30；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为1％～5％；InGaN势阱的厚度为1nm～4nm，GaN势垒的厚度为1nm～9nm。
10.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的生长温度为700℃～900℃；所述InGaN/GaN多量子阱发光层结构的周期对数为5～18；InGaN势阱中In组分的摩尔含量为15％～20％；InGaN势阱的厚度为2nm～4nm，GaN势垒的厚度为3nm～15nm。
11.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述AlGaN层中Al组分的摩尔含量为2％～20％，所述AlGaN层的厚度范围为20nm～35nm；所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的总厚度范围为30nm～80nm，所述P型电子阻挡层中的掺杂元素为Mg，Mg掺杂浓度范围为1e18cm-3～1e19cm-3。
12.根据权利要求1所述的GaN基LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述P型GaN层的厚度为30nm～150nm；所述P型GaN层中的掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为5e18cm-3～1e20cm-3。
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