CN108735864B - 一种发光二极管外延片的制备方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的制备方法，属于半导体光电领域。在生长有源层时，将其分为第一子层、第二子层及第三子层进行生长。第一子层中GaN垒层的生长温度与InGaN阱层采用同一温度进行生长以避免InGaN阱层中In组分在高温下的分解流失，保证InGaN阱层中具有足够的富In区域，进而保证在InGaN阱层中进行复合的电子数量。同时，第二子层与第三子层中GaN垒层的生长温度在第一子层中GaN垒层的生长温度的基础上逐渐升高可在保证InGaN阱层中In组分含量的同时提高有源层的整体质量，进一步地，在包括有H2的混合气体条件下进行有源层中GaN垒层的生长，避免其在低温生长的条件下产生过多的晶体缺陷，最终得到质量提高且富In区域较多的有源层，提高发光二极管的发光效率。

Description

一种发光二极管外延片的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制备方法。
背景技术
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。而外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及在衬底上生长出的外延层。其中，外延层的结构主要包括：依次生长在衬底上的GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层及P型GaN层，有源层通常包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。
而在有源层的生长过程中，为了保证有源层的生长质量。通常InGaN阱层与GaN垒层采用不同的温度进行生长，其中GaN垒层的生长温度较InGaN阱层高出许多。但GaN垒层较高的生长温度会导致InGaN阱层中的In分解流失，导致InGaN阱层的势垒升高，进而影响到电子在InGaN阱层中与空穴的复合，最终影响发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，能够提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层，所述有源层包括沿所述N型GaN层的生长方向依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层；
在所述有源层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型GaN层，
其中，所述第一子层、所述第二子层、所述第三子层均包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层，
所述第一子层中InGaN阱层的生长温度、所述第二子层中InGaN阱层的生长温度与所述第三子层中InGaN阱层的生长温度相同，所述第一子层中GaN垒层的生长温度采用所述第一子层中InGaN阱层的生长温度，所述第二子层中GaN垒层的生长温度大于第一子层中GaN垒层的生长温度，所述第三子层中GaN垒层的生长温度大于所述第二子层中GaN垒层的生长温度，
所述第一子层中的GaN垒层、所述第二子层中的GaN垒层与所述第三子层中的GaN垒层均在包括有H2的气体氛围下生长。
可选地，在生长所述有源层中InGaN阱层时，向反应室内通入NH3及N2；在生长所述有源层中GaN垒层时，向反应室内通NH3、N2及H2。
可选地，生长所述有源层的GaN垒层时，向所述反应室内通入的N2与H2的流量比值为2:1～5:1。
可选地，生长所述有源层的InGaN阱层时通入的NH3的流量与生长所述有源层的GaN垒层时通入的NH3的流量比值为1.5:1～3:1。
可选地，所述第三子层中GaN垒层的生长温度与所述第一子层中GaN垒层的生长温度的差值为30～50℃。
可选地，所述第三子层中GaN垒层的生长温度与所述第二子层中GaN垒层的生长温度的差值等于所述第二子层中GaN垒层的生长温度与所述第一子层中GaN垒层的生长温度的差值。
可选地，所述第一子层的生长温度为720～830℃。
可选地，所述有源层中GaN垒层的生长压力均大于所述有源层中InGaN阱层的生长压力。
可选地，所述在所述N型GaN层上生长有源层包括：
在所述N型GaN层上交替生长L个GaN垒层和L个InGaN阱层，形成第一子层，1≤L≤2且L为整数；
在所述第一子层上交替生长M个GaN垒层和M个InGaN阱层，形成第二子层，2≤M≤3且M为整数；
在所述第二子层上交替生长N个GaN垒层和N个InGaN阱层，形成第三子层，3≤N≤4且N为整数。
可选地，所述有源层中GaN垒层的厚度与所述有源层中InGaN阱层的厚度的比值为2.5:1～5:1。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在生长有源层时，将其分为第一子层、第二子层及第三子层进行生长，其中第一子层、第二子层及第三子层均包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。第一子层中GaN垒层的生长温度与InGaN阱层采用同一温度进行生长以避免InGaN阱层中In组分在高温下的分解流失，保证InGaN阱层中具有足够的富In区域，进而保证在InGaN阱层中进行复合的电子数量。同时，第二子层与第三子层中GaN垒层的生长温度在第一子层中GaN垒层的生长温度的基础上逐渐升高可在保证InGaN阱层中In组分含量的同时提高有源层的整体质量，进一步地，在包括有H2的混合气体条件下进行有源层中GaN垒层的生长，避免其在低温生长的条件下产生过多的晶体缺陷，最终得到质量提高且富In区域较多的有源层，提高发光二极管的发光效率。
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发光二极管外延片的制备方法流程图；
图2～图4是本发明实施例提供的一种实施例的外延片结构流程图。
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发光二极管外延片的制备方法流程图，以下结合图1对本发明实施例进行说明，需要说明的是，本发明实施例通过Veeco K465i or C4MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现该外延片的生长，但本发明并不受其限制。
如图1所示，该制备方法包括：
S1：提供一衬底。
其中，衬底可使用蓝宝石衬底。
可选地，本制备方法还可包括，对衬底进行退火处理。以获得表面质量较好的较为干净的衬底，有利于保证在衬底上生长的外延层的质量。
其中，对衬底进行退火可包括：在氢气气氛下对衬底进行高温处理5～6min，处理的温度为1000℃～1100℃，对衬底进行处理时反应室的压力为200Torr～500Torr。
S2：在衬底上生长GaN缓冲层。
其中，GaN缓冲层的厚度可为15～30nm。
GaN缓冲层的生长温度可为530～560℃，GaN缓冲层的生长压力可为200～500torr。在此条件下生长得到的GaN缓冲层的质量较好。
S3：在GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层。其中，未掺杂GaN层的生长温度可为1000℃-1100℃，生长压力可为200Torr～600Torr。在此条件下生长得到的未掺杂GaN层的质量较好。
未掺杂GaN层的厚度可为2～3.5um。
S4：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
N型GaN层的厚度可为2-3um。N型GaN层的生长温度可为1100℃～1150℃，生长压力可为200～300Torr。在此条件下得到的N型GaN层的质量较好。
可选地，N型GaN层的掺杂元素可为Si元素。
执行完步骤S4之后的外延片的结构可见图2，此时外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4。
S5：在N型GaN层上生长有源层。其中，有源层包括沿所述N型GaN层的生长方向依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层。
其中，第一子层、第二子层、第三子层均包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。第一子层中InGaN阱层的生长温度、第二子层中InGaN阱层的生长温度与第三子层中InGaN阱层的生长温度均相同，第一子层中GaN垒层的生长温度采用InGaN阱层的生长温度，第二子层中GaN垒层的生长温度大于第一子层中GaN垒层的生长温度，第三子层中GaN垒层的生长温度大于第二子层中GaN垒层的生长温度。
第一子层中的GaN垒层、第二子层中的GaN垒层与第三子层中的GaN垒层均在包括有H2的气体氛围下生长。
其中，在生长有源层中InGaN阱层时，向反应室内通入NH3及N2；在生长有源层中GaN垒层时，向反应室内通NH3、N2及H2。在这种气体环境条件下生长得到的有源层的质量较好，反应室内通入的H2能够较好地提高第一子层中GaN垒层的生长速度与质量，NH3为反应气体，同时通入的N2可作为外延层生长的载气进一步提高有源层的生长速率，最终达到提高有源层的质量的目的。
其中，有源层中的InGaN阱层可包括第一子层中的InGaN阱层、第二子层中的InGaN阱层及第三子层中的InGaN阱层，有源层中的GaN垒层可包括第一子层中的GaN垒层、第二子层中的GaN垒层及第三子层中的GaN垒层。
可选地，生长有源层中InGaN阱层时，向反应室内通入的NH3的流量可为40～120L/min，通入的N2的流量可为30～120L/min。
在生长有源层中GaN垒层时，向反应室内通入的NH3的流量可为20～80L/min、N2的流量可为30～150L/min、H2的流量可为10～60L/min。
H2的流量为10～60L/min，若H2流量的值高于此范围，H2可能会与InGaN阱层界面处的In发生反应，使得InGaN阱层中In组分的含量减少，而H2流量的值小于此范围，则不能保证有源层的中GaN垒层的质量。同时，在此气体条件下生长的GaN垒层与InGaN阱层的质量较好，能够最终提高有源层的生长质量。
进一步地，生长有源层的GaN垒层时，向反应室内通入的N2与H2的流量比值为2:1～5:1。在这种条件下得到的有源层的中GaN垒层的质量较好。
进一步地，生长有源层的的InGaN阱层时通入的NH3的流量与生长有源层的的GaN垒层时通入的NH3的流量比值为1.5:1～3:1。由于NH3作为生长GaN垒层与InGaN阱层的反应物，因此将InGaN阱层中生长过程中所通入的NH3流量设置为远超GaN垒层生长过程中所通入的NH3流量能够促进InGaN阱层的生长且避免In从InGaN阱层中流失。
示例性地，第三子层中GaN垒层的生长温度与第一子层中GaN垒层的生长温度的差值为30～50℃。将第三子层中GaN垒层的生长温度与第一子层中GaN垒层的生长温度的差值控制在以上范围能够保证得到的有源层中GaN垒层的生长质量，也可避免较高的GaN垒层生长温度会导致有源层中In组分的流失。
进一步地，第三子层中GaN垒层的生长温度与第二子层中GaN垒层的生长温度的差值等于第二子层中GaN垒层的生长温度与第一子层中GaN垒层的生长温度的差值。采用这种设置能够较为容易地实现有源层中第一子层到第三子层的生长，也可使得有源层内含In组分的区域分布较为均匀。有利于提高发光二极管的发光均匀性。
具体地，在生长有源层的第一子层时，第一子层的生长温度可为720～830℃。在此温度条件下生长得到的第一子层中In含量较高，第一子层的质量较好。具体地，第一子层的生长温度可为760～810℃。在此温度范围内生长得到的第一子层质量较好。
可选地，有源层中GaN垒层的厚度可为2～4nm，有源层中InGaN阱层的厚度可为6～12nm。
其中，有源层中GaN垒层的厚度与有源层中InGaN阱层的厚度的比值为2.5:1～5:1。若GaN垒层的厚度与InGaN阱层的厚度的比值小于上述范围，会因为GaN垒层的厚度偏薄，而影响到整体的晶体质量。若大于以上范围，又会因为GaN垒层的厚度较厚，而导致InGaN阱层与GaN垒层的晶格失配增大，从而影响到电子和空穴的有效辐射复合发光效率。
可选地，有源层中GaN垒层的生长压力均大于有源层中InGaN阱层的生长压力。能够保证有源层中垒层的生长速度与质量，最终保证有源层的整体质量。
有源层中GaN垒层的生长压力可为200～500torr，有源层中InGaN阱层的生长压力可为150～300torr。在这种生长压力的条件下可分别保证InGaN阱层与GaN垒层的生长质量。
可选地，在生长有源层中的GaN垒层时，C4MOCVD的转速是500～1000r/min，在生长有源层中的InGaN阱层时，C4MOCVD的转速是400～600r/min。在这种转速条件下可保证最终得到的有源层的整体质量。
可选地，有源层中包括的交替GaN垒层与InGaN阱层的总层数为5～10。
进一步地，步骤S5还可包括：
在N型GaN层上交替生长L个GaN垒层和L个InGaN阱层，形成第一子层，1≤L≤2且L为整数。
在第一子层上交替生长M个GaN垒层和M个InGaN阱层，形成第二子层，2≤M≤3且M为整数。
在第二子层上交替生长N个GaN垒层和N个InGaN阱层，形成第三子层，3≤N≤4且N为整数。
在生长有源层时，分别生长上述层数GaN垒层与InGaN阱层的第一子层、第二子层及第三子层，能够较好地提高有源层的整体质量，同时能够避免成本的浪费。
执行完步骤S5之后的外延片的结构可见图3，此时外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5，有源层5中包含第一子层51、第二子层52及第三子层53，第一子层51中包括交替的InGaN阱层511与GaN垒层522，第二子层52中包括交替的InGaN阱层521与GaN垒层522，第三子层53中包括交替的InGaN阱层531与GaN垒层532。
S6：在有源层上生长电子阻挡层。
可选地，电子阻挡层的厚度可为30～50nm。
其中电子阻挡层中可掺杂Al元素或Mg元素。在提高电子阻挡层的势垒的同时可提供部分空穴。有利于提高进入有源区复合的空穴数量，最终提高发光二极管的发光效率。
可选地，电子阻挡层的材料可为AlyGa1-yN电子阻挡层，其中，0.15＜y＜0.25。
S7：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
其中，P型GaN层的厚度可为50～80nm。
具体地，P型GaN层的生长温度可为940～980℃，生长压力可为200～600torr。
在此条件下生长得到的P型GaN层的生长质量较好。
执行完以上步骤之后的外延片结构示意图可如图4所示，其结构还包括设置在有源层5上的电子阻挡层6及P型GaN层7。
在生长有源层时，将其分为第一子层、第二子层及第三子层进行生长，其中第一子层、第二子层及第三子层均包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。第一子层中GaN垒层的生长温度与InGaN阱层采用同一温度进行生长以避免InGaN阱层中In组分在高温下的分解流失，保证InGaN阱层中具有足够的富In区域，进而保证在InGaN阱层中进行复合的电子数量。同时，第二子层与第三子层中GaN垒层的生长温度在第一子层中GaN垒层的生长温度的基础上逐渐升高可在保证InGaN阱层中In组分含量的同时提高有源层的整体质量，进一步地，在H2与N2的混合气体条件下进行有源层中GaN垒层的生长，避免其在低温生长的条件下产生过多的晶体缺陷，最终得到质量提高且富In区域较多的有源层，提高发光二极管的发光效率。
在本发明的实施例中，可采用三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝；N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
以上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)

1.一种发光二极管外延片的制备方法，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GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层，所述有源层包括沿所述N型GaN层的生长方向依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层；
在所述有源层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型GaN层，
其中，所述第一子层、所述第二子层、所述第三子层均包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层，
所述第一子层中InGaN阱层的生长温度、所述第二子层中InGaN阱层的生长温度与所述第三子层中InGaN阱层的生长温度相同，所述第一子层中GaN垒层的生长温度采用所述第一子层中InGaN阱层的生长温度，所述第二子层中GaN垒层的生长温度大于第一子层中GaN垒层的生长温度，所述第三子层中GaN垒层的生长温度大于所述第二子层中GaN垒层的生长温度，
所述第一子层中的GaN垒层、所述第二子层中的GaN垒层与所述第三子层中的GaN垒层均在包括有H2的气体氛围下生长。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在生长所述有源层中InGaN阱层时，向反应室内通入NH3及N2；在生长所述有源层中GaN垒层时，向反应室内通NH3、N2及H2。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，生长所述有源层的GaN垒层时，向所述反应室内通入的N2与H2的流量比值为2:1～5:1。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，生长所述有源层的InGaN阱层时通入的NH3的流量与生长所述有源层的GaN垒层时通入的NH3的流量比值为1.5:1～3:1。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第三子层中GaN垒层的生长温度与所述第一子层中GaN垒层的生长温度的差值为30～50℃。
6.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第三子层中GaN垒层的生长温度与所述第二子层中GaN垒层的生长温度的差值等于所述第二子层中GaN垒层的生长温度与所述第一子层中GaN垒层的生长温度的差值。
7.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度为720～830℃。
8.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述有源层中GaN垒层的生长压力均大于所述有源层中InGaN阱层的生长压力。
9.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述N型GaN层上生长有源层包括：
在所述N型GaN层上交替生长L个GaN垒层和L个InGaN阱层，形成第一子层，1≤L≤2且L为整数；
在所述第一子层上交替生长M个GaN垒层和M个InGaN阱层，形成第二子层，2≤M≤3且M为整数；
在所述第二子层上交替生长N个GaN垒层和N个InGaN阱层，形成第三子层，3≤N≤4且N为整数。
10.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述有源层中GaN垒层的厚度与所述有源层中InGaN阱层的厚度的比值为2.5:1～5:1。
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