CN108767080A - 基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，所述LED外延结构还包括：位于所述AlN层与所述N型GaN层之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。由上述内容可知，本发明提供的技术方案，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，更为具体的说，涉及一种基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，具有体积小、颜色丰富多彩、能耗低、使用寿命长等优点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。其中，以GaN为代表的发光二极管，成本低，外延和芯片工艺相对成熟，仍然引领着前沿和热点技术。
目前，GaN材料绝大多数生长在蓝宝石衬底上，由于GaN材料与蓝宝石衬底之间有较大的晶格失配度和较大的热膨胀系数差异，导致GaN外延层内产生高密度的缺陷，抗静电能力较差，静电放电会造成LED突发性失效或潜在性失效。故而，现有常在蓝宝石衬底上形成AlN层得到AlN衬底，进而在AlN衬底上生长LED外延结构，但是，现有AlN衬底的晶体质量比较好，而生长的外延结构晶体质量比较差，使得AlN衬底和外延结构之间应力较大，因此在生长外延结构的过程中，经常出现碎裂的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种基于AlN衬底的LED外延结构，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，所述LED外延结构还包括：
位于所述AlN层与所述N型GaN层之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。
可选的，所述缓冲层还包括：
生长于所述AlN过渡层背离所述基底一侧表面上的均匀化层，所述均匀化层为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
可选的，所述缓冲层还包括：
生长于所述均匀化层背离所述基底一侧表面上的高压低温GaN层；
及，生长于所述高压低温GaN层背离所述基底一侧表面上的低压高温GaN层，所述低压高温GaN层的生长压力小于所述高压低温GaN层的生长压力，且所述低压高温GaN层的生长温度大于所述高压低温GaN层的生长温度。
可选的，所述AlN过渡层的厚度范围为0.5纳米-25纳米，包括端点值。
可选的，所述均匀化层为AlxGa1-xN层，其中，所述AlxGa1-xN层的厚度范围为5纳米-150nm，包括端点值，x大于0且小于1。
可选的，所述高压低温GaN层的厚度范围为5纳米-150纳米，包括端点值；
及，所述低压高温GaN层的厚度范围为5纳米-150纳米，包括端点值。
另外，本发明还提供了一种基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，在生长所述N型GaN层前，所述生长方法还包括：
在所述AlN层背离所述基底一侧表面上生长缓冲层，其中，所述缓冲层位于所述AlN层与所述N型GaN层之间，且所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。
可选的，所述缓冲层的生长还包括：
在所述AlN过渡层背离所述基底一侧表面上生长均匀化层，所述均匀化层为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
可选的，所述缓冲层的生长还包括：
在所述均匀化层背离所述基底一侧表面上生长高压低温GaN层；
及，在所述高压低温GaN层背离所述基底一侧表面上生长低压高温GaN层，所述低压高温GaN层的生长压力小于所述高压低温GaN层的生长压力，且所述低压高温GaN层的生长温度大于所述高压低温GaN层的生长温度。
可选的，生长所述AlN过渡层时的生长温度为600摄氏度-850摄氏度，包括端点值；
及，生长压力为75mbar-200mbar，包括端点值。
可选的，所述均匀化层为AlxGa1-xN层，其中，生长所述AlxGa1-xN层时的生长温度为600摄氏度-900摄氏度，包括端点值；
及，生长压力为200mbar-600mbar，包括端点值。
可选的，生长所述高压低温GaN层时的生长温度为700摄氏度-1000摄氏度，包括端点值；及，生长压力为200mbar-600mbar，包括端点值；
以及，生长所述低压高温GaN层时的生长温度为900摄氏度-1100摄氏度，包括端点值；及，生长压力为50mbar-400mbar，包括端点值。
此外，本发明还提供了一种LED，所述LED包括AlN衬底，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层；
及，所述LED包括上述的基于AlN衬底的LED外延结构。
可选的，所述基底为蓝宝石基底、SiC基底或Si基底。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，所述LED外延结构还包括：位于所述AlN层与所述N型GaN层之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。由上述内容可知，本发明提供的技术方案，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种LED外延结构的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的另一种LED外延结构的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的又一种LED外延结构的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的又一种LED外延结构的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种LED外延结构的生长方法的流程图；
图6为本申请实施例提供的另一种LED外延结构的生长方法的流程图；
图7为本申请实施例提供的又一种LED外延结构的生长方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，GaN材料绝大多数生长在蓝宝石衬底上，由于GaN材料与蓝宝石衬底之间有较大的晶格失配度和较大的热膨胀系数差异，导致GaN外延层内产生高密度的缺陷，抗静电能力较差，静电放电会造成LED突发性失效或潜在性失效。故而，现有常用在衬底上形成AlN层得到AlN衬底，进而在AlN衬底上生长LED外延结构，但是，现有AlN衬底的晶体质量比较好，而生长的外延结构晶体质量比较差，使得AlN衬底和外延结构之间应力较大，因此在生长外延结构的过程中，经常出现碎裂的情况。
基于此，本申请实施例提供了一种基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图7对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种基于AlN衬底的LED外延结构的结构示意图，其中，所述AlN衬底包括基底110和位于所述基底110上的AlN层120，所述LED外延结构包括位于所述AlN层120上、且依次生长的N型GaN层221、有源区222和P型GaN层223，所述LED外延结构还包括：
位于所述AlN层120与所述N型GaN层221之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层120背离所述基底110一侧表面上、且厚度小于所述AlN层120的AlN过渡层211。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述AlN过渡层的厚度范围为0.5纳米-25纳米，包括端点值，如AlN过渡层的厚度具体可以为0.5纳米、5纳米、10纳米、15纳米、25纳米等，对此本申请不做具体限制。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，AlN衬底的错位密度较小且晶体质量较高，能够避免GaN材料与基底之间的晶格失配。同时，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，能够有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。
参考图2所示，为本申请实施例提供的另一种LED外延结构的结构示意图，其中，图2所示所述AlN衬底包括基底110和位于所述基底110上的AlN层120，所述LED外延结构包括位于所述AlN层120上、且依次生长的N型GaN层221、有源区222和P型GaN层223，所述LED外延结构还包括：
位于所述AlN层120与所述N型GaN层221之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层120背离所述基底110一侧表面上、且厚度小于所述AlN层120的AlN过渡层211。
以及，图2所示所述缓冲层还包括：
生长于所述AlN过渡层211背离所述基底110一侧表面上的均匀化层212，所述均匀化层212为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述均匀化层为AlxGa1-xN层，其中，所述AlxGa1-xN层的厚度范围为5纳米-150nm，包括端点值，x大于0且小于1。其中，AlxGa1-xN层的厚度具体可以为10纳米、50纳米、100纳米、125纳米等，及，x取值具体可以为0.2、0.6等，对此本申请不做具体限制。
在本申请一实施例中，当均匀化层为上述任意两种层组成的周期性叠层时，该周期可以为一个周期，还可以为多个周期，对此本申请不做具体限制，即如任意两种为GaN层和AlInN层时，均匀化层可以为一个周期即GaN层和AlInN层的叠层，均匀化层还可以为多个周期即GaN层和AlInN层的叠层后更多该叠层重复排列。
由上述内容可知，本申请实施例提供的缓冲层中还设置有一生长在AlN过渡层表面的均匀化层，通过均匀化层的生长改善前续生长过程中片状结构由于应力原因而表面凸起的情况，进而使得片状结构表面呈凹形，在一定厚度比例的设计情况下，能够使得后续生长的LED外延结构更加均匀。
参考图3所示，为本申请实施例提供的又一种LED外延结构的结构示意图，其中，图3所示所述AlN衬底包括基底110和位于所述基底110上的AlN层120，所述LED外延结构包括位于所述AlN层120上、且依次生长的N型GaN层221、有源区222和P型GaN层223，所述LED外延结构还包括：
位于所述AlN层120与所述N型GaN层221之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层120背离所述基底110一侧表面上、且厚度小于所述AlN层120的AlN过渡层211。
另外，图3所示所述缓冲层还包括：
生长于所述AlN过渡层211背离所述基底110一侧表面上的均匀化层212，所述均匀化层212为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
以及，图3所示所述缓冲层还包括：
生长于所述均匀化层212背离所述基底110一侧表面上的高压低温GaN层213；
及，生长于所述高压低温GaN层213背离所述基底110一侧表面上的低压高温GaN层214，所述低压高温GaN层214的生长压力小于所述高压低温GaN层213的生长压力，且所述低压高温GaN层214的生长温度大于所述高压低温GaN层213的生长温度。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述高压低温GaN层的厚度范围为5纳米-150纳米，包括端点值；
及，所述低压高温GaN层的厚度范围为5纳米-150纳米，包括端点值。其中，高压低温GaN层的厚度和低压高温GaN层的厚度可以为10纳米、50纳米、75纳米、100纳米、125纳米等，对此本申请不做具体限制。
由上述内容可知，本申请实施例提供的缓冲层中生长完均匀化层后，首先横向生长高压低温GaN层，而后纵向生长低压高温GaN层，优化成核岛的密度和大小及调整应力分布，为LED外延结构的后续生长提供良好的基础。
参考图4所示，为本申请实施例提供的又一种LED外延结构的结构示意图，其中，为了优化LED外延结构，图4所示LED外延结构，其还包括有生长于缓冲层和N型GaN层221之间的U型GaN层230；
生长于N型GaN层221与有源层222之间的应力释放层240；
以及，生长于有源层222与P型GaN层之间的电子阻挡层250。
本申请实施例提供的基于AlN衬底的LED外延结构，通过设置具有AlN过渡层、均匀化层、高压低温GaN层和低压高温GaN层的缓冲层，能够有效降低LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率；提高后续生长的LED外延结构的均匀性；优化成核岛的密度和大小及调整应力分布，为LED外延结构的后续生长提供良好的基础，进而降低极化电场，降低能带的弯曲，增加电子与空穴的复合效率，同时降低缺陷密度；由于缺陷密度的降低，进而能够减小用于掩埋缺陷的U型GaN层的厚度，降低LED外延结构的成本。
另外，本申请实施例还提供了一种基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，在生长所述N型GaN层前，所述生长方法还包括：
在所述AlN层背离所述基底一侧表面上生长缓冲层，其中，所述缓冲层位于所述AlN层与所述N型GaN层之间，且所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。
参考图5所示，为本申请实施例提供的一种基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法的流程图，其中，生长方法包括：
S1、提供一AlN衬底，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层。
在本申请一实施例中，本申请提供的AlN衬底的厚度范围为5纳米-25纳米，包括端点值。
S21、在AlN衬底的AlN层上生长缓冲层，其中，所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。
在本申请一实施例中，生长所述AlN过渡层时的生长温度为600摄氏度-850摄氏度，包括端点值；
及，生长压力为75mbar-200mbar，包括端点值。
S3、在缓冲层上依次生长N型GaN层、有源区和P型GaN层。
由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，AlN衬底的错位密度较小且晶体质量较高，能够避免GaN材料与基底之间的晶格失配。同时，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，能够有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。
参考图6所示，为本申请实施例提供的另一种LED外延结构的生长方法流程图，其中，图6所示生长方法与图5所示生长方法相同，且图6所示的所述缓冲层的生长还包括：
S22、在所述AlN过渡层背离所述基底一侧表面上生长均匀化层，所述均匀化层为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
在步骤S21中生长AlN过渡层完毕后，在AlN过渡层背离基底一侧表面上生长均匀化层。在本申请一实施例中，本申请提供的所述均匀化层为AlxGa1-xN层时，其中，生长所述AlxGa1-xN层时的生长温度为600摄氏度-900摄氏度，包括端点值；
及，生长压力为200mbar-600mbar，包括端点值。
参考图7所示，为本申请实施例提供的又一种LED外延结构的生长方法流程图，其中，图7所示生长方法与图6所示生长方法相同，且图7所示的所述缓冲层的生长还包括：
S23、在所述均匀化层背离所述基底一侧表面上生长高压低温GaN层；
及，S24、在所述高压低温GaN层背离所述基底一侧表面上生长低压高温GaN层，所述低压高温GaN层的生长压力小于所述高压低温GaN层的生长压力，且所述低压高温GaN层的生长温度大于所述高压低温GaN层的生长温度。
在本申请一实施例中，本申请提供的生长所述高压低温GaN层时的生长温度为700摄氏度-1000摄氏度，包括端点值；及，生长压力为200mbar-600mbar，包括端点值；
以及，生长所述低压高温GaN层时的生长温度为900摄氏度-1100摄氏度，包括端点值；及，生长压力为50mbar-400mbar，包括端点值。
在上述任意一本申请提供的生长方法中，本申请实施例提供的LED外延结构均通过AIXTRON G5MOCVD机台，使用TMGa、TMAl、NH3、TMIN、TEGa、Mg、SiH4应用于生长各层外延结构中。以及，本申请实施例生长缓冲层时的环境为氮气、氢气或氢氮混合环境中生长。
此外，本申请实施例还提供了一种LED，所述LED包括AlN衬底，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层；
及，所述LED包括上述任意一实施例提供的基于AlN衬底的LED外延结构。
在本申请一实施例中，本申请提供的所述基底为蓝宝石基底、SiC基底或Si基底。以及，本申请实施例提供的LED外延结构可以为近紫外LED外延结构。
本申请实施例提供了一种基于AlN衬底的LED外延结构及生长方法和LED，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，所述LED外延结构还包括：位于所述AlN层与所述N型GaN层之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，在AlN衬底的AlN层表面上形成一较薄的AlN过渡层，有效的释放LED外延结构与AlN衬底之间的应力，减少生长LED外延结构过程中出现碎裂情况的几率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (14)
1.一种基于AlN衬底的LED外延结构，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，其特征在于，所述LED外延结构还包括：
位于所述AlN层与所述N型GaN层之间的缓冲层，所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。
2.根据权利要求1所述的基于AlN衬底的LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层还包括：
生长于所述AlN过渡层背离所述基底一侧表面上的均匀化层，所述均匀化层为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
3.根据权利要求2所述的基于AlN衬底的LED外延结构，其特征在于，所述缓冲层还包括：
生长于所述均匀化层背离所述基底一侧表面上的高压低温GaN层；
及，生长于所述高压低温GaN层背离所述基底一侧表面上的低压高温GaN层，所述低压高温GaN层的生长压力小于所述高压低温GaN层的生长压力，且所述低压高温GaN层的生长温度大于所述高压低温GaN层的生长温度。
4.根据权利要求1所述的基于AlN衬底的LED外延结构，其特征在于，所述AlN过渡层的厚度范围为0.5纳米-25纳米，包括端点值。
5.根据权利要求2所述的基于AlN衬底的LED外延结构，其特征在于，所述均匀化层为AlxGa1-xN层，其中，所述AlxGa1-xN层的厚度范围为5纳米-150nm，包括端点值，x大于0且小于1。
6.根据权利要求3所述的基于AlN衬底的LED外延结构，其特征在于，所述高压低温GaN层的厚度范围为5纳米-150纳米，包括端点值；
及，所述低压高温GaN层的厚度范围为5纳米-150纳米，包括端点值。
7.一种基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层，所述LED外延结构包括位于所述AlN层上、且依次生长的N型GaN层、有源区和P型GaN层，其特征在于，在生长所述N型GaN层前，所述生长方法还包括：
在所述AlN层背离所述基底一侧表面上生长缓冲层，其中，所述缓冲层位于所述AlN层与所述N型GaN层之间，且所述缓冲层包括生长于所述AlN层背离所述基底一侧表面上、且厚度小于所述AlN层的AlN过渡层。
8.根据权利要求7所述的基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述缓冲层的生长还包括：
在所述AlN过渡层背离所述基底一侧表面上生长均匀化层，所述均匀化层为AlxGa1-xN层、GaN层、AlGaInN层和AlInN层中一种或任意两种组成的周期性叠层。
9.根据权利要求8所述的基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述缓冲层的生长还包括：
在所述均匀化层背离所述基底一侧表面上生长高压低温GaN层；
及，在所述高压低温GaN层背离所述基底一侧表面上生长低压高温GaN层，所述低压高温GaN层的生长压力小于所述高压低温GaN层的生长压力，且所述低压高温GaN层的生长温度大于所述高压低温GaN层的生长温度。
10.根据权利要求7所述的基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，其特征在于，生长所述AlN过渡层时的生长温度为600摄氏度-850摄氏度，包括端点值；
及，生长压力为75mbar-200mbar，包括端点值。
11.根据权利要求8所述的基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述均匀化层为AlxGa1-xN层，其中，生长所述AlxGa1-xN层时的生长温度为600摄氏度-900摄氏度，包括端点值；
及，生长压力为200mbar-600mbar，包括端点值。
12.根据权利要求9所述的基于AlN衬底的LED外延结构的生长方法，其特征在于，生长所述高压低温GaN层时的生长温度为700摄氏度-1000摄氏度，包括端点值；及，生长压力为200mbar-600mbar，包括端点值；
以及，生长所述低压高温GaN层时的生长温度为900摄氏度-1100摄氏度，包括端点值；及，生长压力为50mbar-400mbar，包括端点值。
13.一种LED，其特征在于，所述LED包括AlN衬底，所述AlN衬底包括基底和位于所述基底上的AlN层；
及，所述LED包括权利要求1～6任意一项所述的基于AlN衬底的LED外延结构。
14.根据权利要求13所述的LED，其特征在于，所述基底为蓝宝石基底、SiC基底或Si基底。
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