CN106910801A - GaN基发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

GaN基发光二极管外延片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片及其制造方法，属于发光二极管领域。所述GaN基发光二极管外延片包括：衬底，依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、三维成长层、u‑GaN层、n型层、n型电流扩展层、应力释放层、多量子阱层和p型层，所述n型电流扩展层包括覆盖在所述n型层上的第一子层以及覆盖在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，所述第一子层的生长温度高于所述n型层以及所述第二子层的生长温度，所述第二子层的生长压力高于所述第一子层的生长压力。该GaN基发光二极管外延片能够改善缺陷，提高了外延片的光电性能。

Description

GaN基发光二极管外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
作为人们一直以来关注的热点，GaN材料在发光二极管(英文：Light EmittingDiode，简称：LED)器件上应用十分普遍，用GaN研制的发光二极管颜色纯正，亮度高，能耗低，广泛应用于照明、医疗、显示、信号、玩具等众多领域。
然而随着LED应用范围的不断扩大，人们对新一代的LED的要求也更高，为了满足广大客户的需求，需要LED具有较高的光效和较强的抗静电能力。通常，抗静电能力越强的LED在使用的过程中就会表现出越好的电学稳定性，光效越高的LED在使用的过程中就会表现出越好的光学性能，因此抗静电能力和光效的提高对于改善LED的光电性能具有重大意义。
传统的GaN基LED普遍采用在n型层后面直接生长与其同温同压的AlGaN或AlxGaN/AlyGaN(x≠y)层作为电流扩展层，这样的结构在一定程度上可以增加电流的扩展，但是同时会导致后面直接生长的InGaN应力释放层生长窗口很窄，且容易引入新的缺陷，其效果有限，不利于外延工艺的控制。
发明内容
为了解决现有电流扩展层会导致后面直接生长的InGaN应力释放层生长窗口很窄，且容易引入新的缺陷，其效果有限的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片，所述GaN基发光二极管外延片包括：衬底，依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、三维成长层、u-GaN层、n型层、n型电流扩展层、应力释放层、多量子阱层和p型层，所述n型电流扩展层包括覆盖在所述n型层上的第一子层以及覆盖在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，所述第一子层的生长温度高于所述n型层以及所述第二子层的生长温度，所述第二子层的生长压力高于所述第一子层的生长压力。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述第一子层的生长温度比所述n型层的生长温度高15℃～40℃。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二子层的生长温度小于或等于所述n型层的生长温度。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一子层中的Al的含量沿着所述GaN基发光二极管外延片的生长方向先减小后增加，且所述第一子层中的Al总量不超过1021cm-3。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一子层的厚度为50nm～130nm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二子层的厚度为所述第一子层的厚度3～4倍。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二子层中超晶格的对数为3～12。
第二方面，本发明实施例还提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、三维成长层、u-GaN层、n型层、n型电流扩展层、应力释放层、多量子阱层和p型层，所述n型电流扩展层包括覆盖在所述n型层上的第一子层以及覆盖在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，所述第一子层的生长温度高于所述n型层以及所述第二子层的生长温度，所述第二子层的生长压力高于所述第一子层的生长压力。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一子层的生长温度比所述n型层的生长温度高15℃～40℃。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二子层的生长温度小于或等于所述n型层的生长温度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在n型层和应力释放层之间插入由第一子层和第二子层构成的n型电流扩展层，其中第一子层为AlGaN层，第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，且第一子层的生长温度较n型层和第二子层的生长温度高，第二子层的生长压力高于第一子层；一方面，在n型层之后生长的AlGaN层由于势垒增加起到阻挡电子的作用，增加了电子的横向扩展能力，且生长温度高于相邻的n型层和第二子层，有利于Al的掺入以及缺陷的阻隔；另一方面，第二子层不仅可以与AlGaN层结合起来形成高浓度的二维电子气，由于二维电子气具有较高的横向迁移率，于是又加速了电子的扩展，使得电流分布更均匀，且第二子层的生长压力较第一子层高，使得生长的超晶格可以防止电流扩展层之后In的扩散，进一步减少从n型层积累上来的应力，改善缺陷，从而提高外延片的光电性能。
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是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的n型层、第一子层和第二子层的温度及压力的关系图；
图3是本发明实施例提供的外延片与对比样品的抗静电能力对比图；
图4是本发明实施例提供的第一子层的一种掺杂方式示意图；
图5是本发明实施例提供的外延片与对比样品的光强对比图；
图6是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制造方法的流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图，参见图1，该GaN基发光二极管外延片包括：衬底100，依次覆盖在衬底100上的缓冲层101、三维成长层102、u-GaN层103、n型层104、n型电流扩展层105、应力释放层106、多量子阱层107和p型层108，n型电流扩展层105包括覆盖在n型层104上的第一子层151以及覆盖在第一子层151上的第二子层152，第一子层151为AlGaN层，第二子层152为不掺Si的GaN层1521和掺Si的GaN层1522形成的超晶格结构，第一子层151的生长温度高于n型层104以及第二子层152的生长温度，第二子层152的生长压力高于第一子层151的生长压力。
本发明实施例通过在n型层和应力释放层之间插入由第一子层和第二子层构成的n型电流扩展层，其中第一子层为AlGaN层，第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，且第一子层的生长温度较n型层和第二子层的生长温度高，第二子层的生长压力高于第一子层；一方面，在n型层之后生长的AlGaN层由于势垒增加起到阻挡电子的作用，增加了电子的横向扩展能力，且生长温度高于相邻的n型层和第二子层，有利于Al的掺入以及缺陷的阻隔；另一方面，第二子层不仅可以与AlGaN层结合起来形成高浓度的二维电子气，由于二维电子气具有较高的横向迁移率，于是又加速了电子的扩展，使得电流分布更均匀，且第二子层的生长压力较第一子层高，使得生长的超晶格可以防止电流扩展层之后In的扩散，进一步减少从n型层积累上来的应力，改善缺陷，从而提高外延片的光电性能。
在本发明实施例中，第一子层151的生长温度可以比n型层104的生长温度高15℃～40℃。其中，n型层104的生长温度可以为1260℃。通过提高第一子层的生长温度来提高外延片的抗静电能力(具体可以参见后文描述)，但实验表明，当温度达到一定时，性能就不能再进一步提高了，而且温度过高会导致升温时间比较长，延长了外延片的生长时间；而温度过低则不利于Al的掺入。故在本发明实施例中，将第一子层151的生长温度设置为比n型层104的生长温度高15℃～40℃。
在本发明实施例中，第二子层152的生长温度可以小于或等于n型层104的生长温度。当外延片长到n型层时，通过AlGaN层的生长已经可以阻隔部分缺陷，此时温度适当降低有利于后面的生长，例如应力释放层和多量子阱层，避免这些低温生长的膜层遭到破坏。
在本发明实施例中，第一子层151的厚度可以为50nm～130nm。第一子层151厚度过小，则阻挡电子的性能不佳，第一子层151厚度太厚的话，对其阻挡电子和缺陷的作用提升较小，会造成整个外延片厚度增大。
如图1所示，第二子层152中超晶格的对数可以为3层，但仅为示意，本发明实施例中第二子层152中超晶格的对数还可以是其他数值，例如为4～12。
其中，衬底100可以为蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底。衬底100的尺寸大于或等于4英寸。缓冲层101、三维成长层102、u-GaN层103、n型层104、应力释放层106和多量子阱层107均可以为单层或多层重复结构。
图1提供的外延片可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文Metal-organicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD)方法制成，制作时以三甲基(或三乙基)镓作为镓源，高纯NH3作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂选用硅烷，p型掺杂选用二茂镁。在衬底100上依次生长AlN低温缓冲层101、三维成长层102(单层或多层非掺杂GaN层，生长温度为1275℃，压力为400mbar)、u-GaN层103层(生长温度为1300℃，压力为300mbar)、n型层104(n-GaN层，生长温度为1260℃，压力为150mbar)；在压力为150mbar条件下，将温度缓慢升高15～40℃，接着生长n型电流扩展层105中的AlGaN层；再将压力升高150mbar至300mbar，生长不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层组成的超晶格层。然后，控制其它工艺参数继续生长后面的InGaN应力释放层106、InGaN/GaN多量子阱层107和p型层108(p-GaN层)。
在一种可能的实现方式中，n型层104的生长温度为1260℃，压力为150mbar；n型电流扩展层105中的第一子层151里面Al的掺杂浓度为8×1020cm-3，且保持不变，其生长温度为1285℃，压力为150mbar，厚度可以为80nm；n型电流扩展层105中的第二子层152的生长温度为1260℃，压力为300mbar，厚度与第一子层151相等，超晶格对数为3～12。n型层104、n型电流扩展中第一子层151和第二子层152的温度及压力的关系如图2所示，其中柱状图表示生长温度，折线图表示生长压力。
在上述外延片结构中，一方面第一子层151由于势垒增加阻挡了部分电子，且高温低压生长的条件有利于Al的均匀掺入；另一方面，第二子层152不仅可以与第一子层151结合起来形成高浓度的二维电子气，增加电流的扩展，还可以通过高压低温的生长模式填补和抑制部分缺陷，减小应力，有效地提高了外延片的晶体质量。
如图3所示，在4000v测试条件下，7片4寸外延片制作成芯片(实施例样品)与对比样品(n型电流扩展层105的温度和压力与n型层104相同)相比，抗静电能力(英文Electro-Static discharge，简称ESD)提高了5％左右，图3中横轴为样品编号。
在另一种可能的实现方式中，第一子层151中的Al的含量沿着GaN基发光二极管外延片的生长方向先减小后增加，且第一子层151中的Al总量不超过1021cm-3，其他生长参数与前一种可能的实现方式相同。第一子层151的生长时间可以为300s，图4为第一子层151的一种掺杂方式示意图。
在该实现方式中，先降低Al的含量，有利于电子的蓄积，然后再增加Al的含量，进一步阻挡了电子，Al的这种分布方式更好地增加了电子的横向扩展能力，发光层中的电流也因此变得均匀。但是需要注意的是，第一子层151中Al的含量不能太高，总量不超过1021cm-3，否则电阻过大，正向工作电压会激增，不利于芯片的应用。
在又一种可能的实现方式中，第二子层152的厚度为第一子层151的厚度3～4倍，其他生长参数与第一种可能的实现方式相同。
在该实现方式中，第二子层152的厚度为第一子层151的厚度的3～4倍，不仅可以较好地防止后面应力释放层106中的InGaN中In的扩散，从而加大应力释放层106的生长窗口，使得应力释放层106的制作工艺条件变得更加容易，而且与第一子层151层结合起来形成高浓度和高横向迁移率的二维电子气，进一步增强了电子的扩展，提高了发光效率。生长窗口是指工艺范围，比如应力释放层106生长温度为950-1000℃时比生长温度为980-1000℃时的生长窗口大。如果应力释放层106中In的扩散变少，一方面，可以适当降低应力释放层106的生长温度，这样可以更好地保护量子阱。另一方面，生长温度的范围变大了，更容易生长。
将上述生长条件下生长得到的7片外延片(实施例样品)与7片作为对比样品的外延片(第二子层152的厚度与第一子层151相同)通过PL(Photoluminesence)测试仪进行测试对比，其PL光强明显提升，如图5所示。图5中横轴为样品编号。也就是说，将第二子层152的厚度设置为第一子层151的厚度的3～4倍，起到了增加光效的作用。
图6是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制造方法的流程图，参见图6，该制造方法包括：
步骤201：提供一衬底。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底。以蓝宝石衬底为例，提供蓝宝石衬底可以包括：首先将反应腔的温度控制在1100℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火15分钟，清洁衬底表面，然后进行氮化处理。
步骤202：在衬底上依次生长缓冲层、三维成长层、u-GaN层、n型层、n型电流扩展层、应力释放层、多量子阱层和p型层，n型电流扩展层包括覆盖在n型层上的第一子层以及覆盖在第一子层上的第二子层，第一子层为AlGaN层，第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，第一子层的生长温度高于n型层以及第二子层的生长温度，第二子层的生长压力高于第一子层的生长压力。
其中，缓冲层、三维成长层、u-GaN、n型层、应力释放层和多量子阱层均可以为单层或多层重复结构。
在本发明实施例中，第一子层的生长温度可以比n型层的生长温度高15℃～40℃。
在本发明实施例中，第二子层的生长温度可以小于或等于n型层的生长温度。
步骤202中的各层可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文Metal-organicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD)方法制成，制作时以三甲基(或三乙基)镓作为镓源，高纯NH3作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂选用硅烷，p型掺杂选用二茂镁。在衬底上依次生长AlN低温缓冲层、三维成长层、u-GaN层、n型层(n-GaN层)；在压力为150mbar条件下，将温度缓慢升高15～40℃，接着生长n型电流扩展层中的AlGaN层；再将压力升高150mbar至300mbar，生长不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层组成的超晶格层。然后，控制其它工艺参数继续生长后面的应力释放层、多量子阱层和p型层(p-GaN层)。
在一种可能的实现方式中，n型层的生长温度为1260℃，压力为150mbar；n型电流扩展层中的第一子层里面Al的掺杂浓度为8×1020cm-3，且保持不变，其生长温度为1285℃，压力为150mbar，厚度可以为80nm；n型电流扩展层中的第二子层的生长温度为1260℃，压力为300mbar，厚度与第一子层相等，超晶格对数为3～12。n型层、n型电流扩展中第一子层和第二子层的温度及压力的关系如图2所示，其中柱状图表示生长温度，折线图表示生长压力。
在上述外延片结构中，一方面第一子层由于势垒增加阻挡了部分电子，且高温低压生长的条件有利于Al的均匀掺入；另一方面，第二子层不仅可以与第一子层结合起来形成高浓度的二维电子气，增加电流的扩展，还可以通过高压低温的生长模式填补和抑制部分缺陷，减小应力，有效地提高了外延片的晶体质量。
如图3所示，在4000v测试条件下，7片4寸外延片制作成芯片(实施例样品)与对比样品(n型电流扩展层的温度和压力与n型层相同)相比，抗静电能力提高了5％左右，图3中横轴为样品编号。
在另一种可能的实现方式中，第一子层中的Al的含量沿着GaN基发光二极管外延片的生长方向先减小后增加，且第一子层中的Al总量不超过1021cm-3，其他生长参数与前一种可能的实现方式相同。第一子层的生长时间可以为300s，图4为第一子层的一种掺杂方式示意图。
在该实现方式中，先降低Al的含量，有利于电子的蓄积，然后再增加Al的含量，进一步阻挡了电子，Al的这种分布方式更好地增加了电子的横向扩展能力，发光层中的电流也因此变得均匀。但是需要注意的是，第一子层中Al的含量不能太高，总量不超过1021cm-3，否则电阻过大，正向工作电压会激增，不利于芯片的应用。
在又一种可能的实现方式中，第二子层的厚度为第一子层的厚度3～4倍，其他生长参数与第一种可能的实现方式相同。
在该实现方式中，第二子层的厚度为第一子层的厚度的3～4倍，不仅可以较好地防止后面应力释放层中的InGaN中In的扩散，从而加大应力释放层的生长窗口，使得应力释放层的制作工艺条件变得更加容易，而且与第一子层层结合起来形成高浓度和高横向迁移率的二维电子气，进一步增强了电子的扩展，提高了发光效率。
将上述生长条件下生长得到的7片外延片(实施例样品)与7片作为对比样品的外延片(第二子层的厚度与第一子层相同)通过PL测试仪进行测试对比，其PL光强明显提升，如图5所示。图5中横轴为样品编号。也就是说，将第二子层的厚度设置为第一子层的厚度的3～4倍，起到了增加光效的作用。
在本发明实施例中，第一子层的厚度可以为50nm～130nm。
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GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述GaN基发光二极管外延片包括：衬底，依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、三维成长层、u-GaN层、n型层、n型电流扩展层、应力释放层、多量子阱层和p型层，所述n型电流扩展层包括覆盖在所述n型层上的第一子层以及覆盖在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，所述第一子层的生长温度高于所述n型层以及所述第二子层的生长温度，所述第二子层的生长压力高于所述第一子层的生长压力。
2.根据权利要求1所述GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的生长温度比所述n型层的生长温度高15℃～40℃。
3.根据权利要求1或2所述GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层的生长温度小于或等于所述n型层的生长温度。
4.根据权利要求1或2所述GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中的Al的含量沿着所述GaN基发光二极管外延片的生长方向先减小后增加，且所述第一子层中的Al总量不超过1021cm-3。
5.根据权利要求1或2所述GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为50nm～130nm。
6.根据权利要求5所述GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层的厚度为所述第一子层的厚度3～4倍。
7.根据权利要求1或2所述GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层中超晶格的对数为3～12。
8.一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、三维成长层、u-GaN层、n型层、n型电流扩展层、应力释放层、多量子阱层和p型层，所述n型电流扩展层包括覆盖在所述n型层上的第一子层以及覆盖在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlGaN层，所述第二子层为不掺Si的GaN层和掺Si的GaN层形成的超晶格结构，所述第一子层的生长温度高于所述n型层以及所述第二子层的生长温度，所述第二子层的生长压力高于所述第一子层的生长压力。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度比所述n型层的生长温度高15℃～40℃。
10.根据权利要求8或9所述的制造方法，其特征在于，所述第二子层的生长温度小于或等于所述n型层的生长温度。
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