CN108767078B - 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。外延片包括衬底和顺次层叠在衬底之上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，衬底为蓝宝石衬底，缓冲层包括层叠在衬底上的第一AlN层及至少一个层叠在第一AlN层上的复合层；复合层包括金属层及层叠在金属层上的第二AlN层；未掺杂的GaN层层叠在第三AlN层上；第三AlN层为最靠近未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层；金属层由Ag、Au、Al或Cu制成。制备方法包括：提供衬底；在衬底上沉积缓冲层；顺次在第三AlN层上沉积未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。本发明能够提高外延层的晶体质量，并提高芯片的光提取效率，进而提高LED芯片的光电效率。

Description

一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
GaN(氮化镓)材料具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，广泛应用于各种波段发光二极管。GaN基发光二极管的核心组件是芯片，芯片包括外延片和设于外延片上的电极。外延片包括衬底和顺次层叠在衬底之上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。
芯片的光电效率取决于电流注入效率、内量子效率和光提取效率的乘积。目前，较好的芯片的电流注入效率一般可达90％甚至更高，内量子效率也能达到70％左右，相对而言，光提取率比较低。这是因为GaN材料具有较高的折射率，大部分光子由于全反射的原因被束缚在芯片内部直至被材料吸收，无法被有效利用，导致芯片的光提取率较低，从而影响芯片的光电效率的进一步提升。
发明内容
为了解决芯片的光提取率较低影响芯片的光电效率的进一步提升的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片，包括衬底和顺次层叠在所述衬底之上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，所述衬底为蓝宝石衬底，
所述缓冲层包括层叠在所述衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在所述第一AlN层上的复合层；所述复合层包括金属层及层叠在所述金属层上的第二AlN层；所述未掺杂的GaN层层叠在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上；所述金属层由Ag、Au、Al或Cu制成。
优选地，当所述缓冲层包括1个所述复合层时，所述金属层由Ag制成。
优选地，所述第一AlN层的厚度为1～10nm，所述第二AlN层的厚度为1～10nm，所述金属层的厚度为200～400nm。
优选地，所述N型层为N型掺杂GaN层，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层，所述P型层包括P型AlyGa1-yN层和层叠在所述P型AlyGa1-yN层上的P型掺杂GaN层，0.1<y<0.5。
另一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：
提供衬底，所述衬底为蓝宝石衬底；
在所述衬底上沉积缓冲层；所述缓冲层包括层叠在所述衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在所述第一AlN层上的复合层；所述复合层包括金属层及层叠在所述金属层上的第二AlN层；所述金属层由Ag、Au、Al或Cu制成；
顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。
优选地，当所述缓冲层包括1个所述复合层时，所述金属层由Ag制成，在所述衬底上沉积缓冲层，包括：
采用磁控溅射法在所述衬底上溅射沉积所述第一AlN层；所述第一AlN层的厚度为1～10nm；
采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式在所述第一AlN层上蒸镀Ag金属膜；所述Ag金属膜的厚度为200～400nm；
采用磁控溅射法在所述Ag金属膜上溅射沉积所述第二AlN层，所述第二AlN层的厚度为1～10nm。
优选地，所述第一AlN层的生长温度为400～800℃，溅射功率为3000～5000W，生长压力为4～6Torr；
所述第二AlN层的生长温度、溅射功率和生长压力分别与所述第一AlN层的生长温度、溅射功率和生长压力相同。
优选地，蒸镀所述Ag金属膜时的真空度为3×10-6Torr，蒸镀速率为0.2～0.6埃/秒。
优选地，所述顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，包括：
在H2气氛中对镀有所述缓冲层的衬底进行预热处理；
顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层、所述N型层、所述多量子阱层和所述P型层。
优选地，顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层、所述N型层、所述多量子阱层和所述P型层，包括：
在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层，所述未掺杂的GaN层的生长温度为1000～1100℃，生长压力为100～500Torr，厚度为1～5μm；
在所述未掺杂的GaN层上沉积N型GaN层，所述N型GaN层的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～500Torr，厚度为1～5μm；其中，所述N型GaN层掺杂Si的浓度为1×1018～1×1019cm-3；
在所述N型GaN层上生长所述多量子阱层，所述多量子阱层为5～11个周期的InGaN/GaN多量子阱层；每个周期的InGaN层的厚度为2～3nm，生长温度为720～829℃，生长压力为100～500Torr；每个周期的GaN层的厚度为9～20nm，生长温度为850～959℃，压力为100～500Torr；
在所述多量子阱层上生长P型AlyGa1-yN层；生长温度为200-1000℃，生长压力为50～500Torr，厚度为20-100nm，0.1<y<0.5；
在所述P型AlyGa1-yN层生长P型GaN层，生长温度为600～1000℃，生长压力为100～300Torr，厚度为100～800nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在衬底与未掺杂的GaN层之间设置缓冲层；缓冲层包括层叠在衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在第一AlN层上的复合层；复合层包括金属层及层叠在金属层上的第二AlN层，金属层由Ag、Au、Al或Cu制成；一方面，利用AlN材料与蓝宝石衬底及GaN外延层之间材料晶格系数差异小的优点，减小蓝宝石衬底和GaN材料的晶格失配，提高外延层的晶体质量；另一方面，利用金属层极佳的光反射能力，能够最大限度地将发光二极管芯片发出的光反射出去，避免被蓝宝石衬底吸收，提高芯片的光提取效率，进而提高LED芯片的光电效率。
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另一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种GaN基发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片。参见图1，该外延片包括衬10和顺次层叠在衬底10之上的缓冲层11、未掺杂的GaN层12、N型层13、多量子阱层14和P型层15。其中，衬底为蓝宝石衬底，缓冲层11包括层叠在衬底10上的第一AlN层110、及至少一个层叠在第一AlN层110上的复合层111。
复合层111包括金属层111a及层叠在金属层111a上的第二AlN层111b。未掺杂的GaN层12层叠在第三AlN层111c上。第三AlN层111c为，最靠近未掺杂的GaN层12的复合层111中的第二AlN层111b。金属层可以由Ag、Au、Al或Cu制成。
作为优选的实施方式，金属层111a可以由Ag制成。当金属层111a为Ag层时，第一AlN层110的厚度可以为1～10nm，第二AlN层111b的厚度可以为1～10nm，金属层111a的厚度可以为200～400nm。可以看出，第一AlN层110和第二AlN层111b均具备一定的厚度，能够减小甚至消除金属层所带来的晶格失配，从而实现在保证发光二极管外延片的晶体质量的同时，利用金属层的反射能力，提高发光二极管芯片的出光效率。
作为可选的实施方式，当金属层111a为Ag层时，该缓冲层11可以包括1个复合层。如图2所示，该缓冲层11包括顺次层叠在衬底10上的第一AlN层110、金属层111a及第二AlN层111b。
可选的，N型层13可以为N型掺杂GaN层。N型层13的厚度可以为1～5μm。
可选的，多量子阱层14可以为InGaN/GaN多量子阱层。具体地，InGaN/GaN多量子阱层可以是，若干InGaN层与GaN层交替生长的周期结构，生长周期可以是5～11个周期。每个周期中，InGaN层的厚度可以为2～3nm，GaN层的厚度可以为9～20nm。
参见图2，P型层15可以包括P型AlyGa1-yN层151和层叠在P型AlyGa1-yN层151上的P型掺杂GaN层152，0.1<y<0.5。P型AlyGa1-yN层151的厚度可以为20-100nm，P型GaN层152的厚度可以为100～800nm。
可选地，该发光二极管外延片还包括P型接触层(图2未示出)，P型接触层的厚度可以为5～300nm。P型接触层覆盖在P型层15上。具体地，P型接触层覆盖在P型掺杂GaN层152上。
本发明实施例通过在衬底与未掺杂的GaN层之间设置缓冲层；缓冲层包括层叠在衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在第一AlN层上的复合层；复合层包括金属层及层叠在金属层上的第二AlN层，金属层由Ag、Au、Al或Cu制成；一方面，利用AlN材料与蓝宝石衬底及GaN外延层之间材料晶格系数差异小的优点，减小蓝宝石衬底和GaN材料的晶格失配，提高外延层的晶体质量；另一方面，利用金属层极佳的光反射能力，能够最大限度地将发光二极管芯片发出的光反射出去，避免被蓝宝石衬底吸收，提高芯片的光提取效率，进而提高LED芯片的光电效率。
图3示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，适用于制备图1或图2示出的发光二极管外延片。参见图3，该制备方法包括如下步骤。
步骤301、提供衬底。
衬底可以是蓝宝石衬底。
步骤302、在衬底上沉积缓冲层。
其中，缓冲层包括层叠在衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在第一AlN层上的复合层。复合层包括金属层及层叠在金属层上的第二AlN层。金属层可以由Ag、Au、Al或Cu制成。
优选地，第一AlN层和第二AlN层可以采用磁控溅射法进行沉积，金属层可以采用电子枪蒸发沉积镀膜的方法进行沉积。
步骤303、顺次在第三AlN层上沉积未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。
第三AlN层为，最靠近未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层。
优选地，可以在金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic ChemicalVaporDeposition，简称MOCVD)系统中沉积未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。
图4示出了本发明实施例提供的另一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，适用于制备图2示出的发光二极管外延片。参见图4，该制备方法包括如下步骤。
步骤401、提供衬底。
步骤402、采用磁控溅射法在衬底上溅射沉积第一AlN层。
具体地，将衬底放入物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)系统中，采用磁控溅射法在衬底上溅射沉积第一AlN层。
可选地，第一AlN层的厚度可以为1～10nm；第一AlN层的生长温度可以为400～800℃，溅射功率可以为3000～5000W，生长压力可以为4～6Torr。
步骤403、采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式在第一AlN层上蒸镀Ag金属膜。
具体地，将沉积有第一AlN层的衬底放入镀膜机中，采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式在第一AlN层上蒸镀Ag金属膜。
其中，Ag金属膜的厚度可以为200～400nm；蒸镀Ag金属膜时的真空度可以为3×10-6Torr，蒸镀速率可以为0.2～0.6埃/秒。
步骤404、采用磁控溅射法在Ag金属膜上溅射沉积第二AlN层。
具体地，生长第二AlN层的方式可以与生长第一AlN层的方式相同，具体请参见步骤402，在此不再赘述。
第二AlN层的厚度可以为1～10nm。需要说明的是，第二AlN层的厚度与第一AlN层的厚度可以相同，也可以不同。
步骤405、在H2气氛中对镀有缓冲层的衬底进行预热处理。
具体地，将镀有缓冲层的衬底放入MOCVD系统中，使衬底在H2气氛中热处理10～15分钟，热处理温度可以为1000～1040℃。
步骤406、在第二AlN层上沉积未掺杂的GaN层。
具体地，在预热处理之后，将MOCVD系统中温度调节至1000～1100℃，在压力为100～500Torr的环境下，在第二AlN层上生长1～5μm的未掺杂的GaN层。
步骤407、在未掺杂的GaN层上沉积N型GaN层。
具体地，将MOCVD系统中温度调节至1000～1200℃，在压力为100～500Torr的环境下，在未掺杂的GaN层上生长厚度为1～5μm的N型GaN层。其中，N型GaN层掺杂Si的浓度为1×1018～1×1019cm-3。
步骤408、在N型GaN层上生长多量子阱层。
其中，多量子阱层可以为若干InGaN层与GaN层交替生长的周期结构，生长周期可以是5～11个周期，可以在MOCVD系统中生长。每个周期中，InGaN层的厚度可以为2～3nm，生长温度可以为720～829℃，生长压力可以为100～500Torr。每个周期中，GaN层的厚度可以为9～20nm，生长温度可以为850～959℃，生长压力可以为100～500Torr。
步骤409、在多量子阱层上生长P型AlyGa1-yN层。
具体地，调节MOCVD系统中温度至200-1000℃，压力在50～500Torr的环境下，在多量子阱层上生长P型AlyGa1-yN层，其中，0.1<y<0.5，P型AlyGa1-yN层的厚度可以为20-100nm。
步骤410、在P型AlyGa1-yN层生长P型GaN层。
具体地，采用MOCVD系统在100～300Torr的环境下，温度为600～1000℃生长厚度为100～800nm的P型GaN层。
步骤411、在P型GaN层上生长P型接触层。
具体地，调节MOCVD系统中温度至850～1050℃，在压力为100～30torr的环境下，在P型GaN层上生长厚度为5～300nm的P型接触层。
步骤412、退火处理，结束外延生长。
上述外延结构生长结束后，将MOCVD系统工艺腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650～850℃，退火处理5～15分钟，将至室温，结束外延生长。
本发明实施例通过在衬底与未掺杂的GaN层之间设置缓冲层；缓冲层包括层叠在衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在第一AlN层上的复合层；复合层包括金属层及层叠在金属层上的第二AlN层，金属层由Ag、Au、Al或Cu制成；一方面，利用AlN材料与蓝宝石衬底及GaN外延层之间材料晶格系数差异小的优点，减小蓝宝石衬底和GaN材料的晶格失配，提高外延层的晶体质量；另一方面，利用金属层极佳的光反射能力，能够最大限度地将发光二极管芯片发出的光反射出去，避免被蓝宝石衬底吸收，提高芯片的光提取效率，进而提高LED芯片的光电效率。
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，包括衬底和顺次层叠在所述衬底之上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，所述衬底为蓝宝石衬底，其特征在于，
所述缓冲层包括层叠在所述衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在所述第一AlN层上的复合层；所述复合层包括金属层及层叠在所述金属层上的第二AlN层；所述未掺杂的GaN层层叠在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上；所述金属层由Ag、Au、Al或Cu制成。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管外延片，其特征在于，当所述缓冲层包括1个所述复合层时，所述金属层由Ag制成。
3.根据权利要求2所述的GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一AlN层的厚度为1～10nm，所述第二AlN层的厚度为1～10nm，所述金属层的厚度为200～400nm。
4.根据权利要求2所述的GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述N型层为N型掺杂GaN层，所述多量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层，所述P型层包括P型AlyGa1-yN层和层叠在所述P型AlyGa1-yN层上的P型掺杂GaN层，0.1<y<0.5。
5.一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底，所述衬底为蓝宝石衬底；
在所述衬底上沉积缓冲层；所述缓冲层包括层叠在所述衬底上的第一AlN层、及至少一个层叠在所述第一AlN层上的复合层；所述复合层包括金属层及层叠在所述金属层上的第二AlN层；所述金属层由Ag、Au、Al或Cu制成；
顺次在最靠近未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。
6.根据权利要求5所述的GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，当所述缓冲层包括1个所述复合层时，所述金属层由Ag制成，在所述衬底上沉积缓冲层，包括：
采用磁控溅射法在所述衬底上溅射沉积所述第一AlN层；所述第一AlN层的厚度为1～10nm；
采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式在所述第一AlN层上蒸镀Ag金属膜；所述Ag金属膜的厚度为200～400nm；
采用磁控溅射法在所述Ag金属膜上溅射沉积所述第二AlN层，所述第二AlN层的厚度为1～10nm。
7.根据权利要求6所述的GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，
所述第一AlN层的生长温度为400～800℃，溅射功率为3000～5000W，生长压力为4～6Torr；
所述第二AlN层的生长温度、溅射功率和生长压力分别与所述第一AlN层的生长温度、溅射功率和生长压力相同。
8.根据权利要求6所述的GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，
蒸镀所述Ag金属膜时的真空度为3×10-6Torr，蒸镀速率为0.2～0.6埃/秒。
9.根据权利要求6所述的GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，包括：
在H2气氛中对镀有所述缓冲层的衬底进行预热处理；
顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层、所述N型层、所述多量子阱层和所述P型层。
10.根据权利要求9所述的GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，顺次在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层、所述N型层、所述多量子阱层和所述P型层，包括：
在最靠近所述未掺杂的GaN层的复合层中的第二AlN层上沉积所述未掺杂的GaN层，所述未掺杂的GaN层的生长温度为1000～1100℃，生长压力为100～500Torr，厚度为1～5μm；
在所述未掺杂的GaN层上沉积N型GaN层，所述N型GaN层的生长温度为1000～1200℃，生长压力为100～500Torr，厚度为1～5μm；其中，所述N型GaN层掺杂Si的浓度为1×1018～1×1019cm-3；
在所述N型GaN层上生长所述多量子阱层，所述多量子阱层为5～11个周期的InGaN/GaN多量子阱层；每个周期的InGaN层的厚度为2～3nm，生长温度为720～829℃，生长压力为100～500Torr；每个周期的GaN层的厚度为9～20nm，生长温度为850～959℃，压力为100～500Torr；
在所述多量子阱层上生长P型AlyGa1-yN层；生长温度为200-1000℃，生长压力为50～500Torr，厚度为20-100nm，0.1<y<0.5；
在所述P型AlyGa1-yN层生长P型GaN层，生长温度为600～1000℃，生长压力为100～300Torr，厚度为100～800nm。
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