CN109860353B - 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，属于发光二极管技术领域。所述外延片包括：蓝宝石衬底、顺次在所述蓝宝石衬底上沉积的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，靠近所述N型层的阱垒层中的量子阱层与所述N型层接触，靠近所述P型层的阱垒层中的量子垒层与所述P型层接触，所述量子阱层为InGaN量子阱层，所述量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，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)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特型，被广泛应用于制作蓝、绿、以及紫外发光二极管。GaN基发光二极管通常包括外延片和设于外延片上的电极。
现有的一种GaN基发光二极管的外延片，其包括衬底、以及生长在衬底上的GaN外延层。GaN外延层包括顺次层叠的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层(又称多量子阱层)和P型层。其中，衬底为蓝宝石衬底(Al2O3)，有源层为InGaN阱层和GaN垒层交替生长的周期性结构。当有电流通过时，N型层的电子和P型层的空穴进入阱层并且复合，发出可见光。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：GaN材料存在较大的自发极化，而在GaN材料中构成的异质结构，存在较强的压电极化效应。例如有源层中，InGaN阱层和GaN垒层的晶格常数不匹配，存在压电场的影响。压电场将引起量子限制斯塔克效应，而量子限制斯塔克效应会降低有源层中电子与空穴的复合效率，从而影响发光二极管的内量子效率。
发明内容
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，能够减少或消除量子限制斯塔克效应。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，所述外延片包括：蓝宝石衬底、顺次在所述蓝宝石衬底上沉积的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，靠近所述N型层的阱垒层中的量子阱层与所述N型层接触，靠近所述P型层的阱垒层中的量子垒层与所述P型层接触，所述量子阱层为InGaN量子阱层，所述量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构。
可选地，所述InGaN量子阱层为InxGa1-xN层，x为0.14；所述量子垒层中的BGaN层中B组分与所述量子垒层中的InGaN层中In组分的组分比为17:30。
可选地，所述量子阱层的厚度为3～8nm，所述量子垒层的厚度为9～20nm，所述阱垒层的数量为3～15。
可选地，所述量子垒层中的BGaN层的厚度小于2nm，所述量子垒层中的InGaN层的厚度小于2nm，所述BGaN层和所述InGaN层交替生长的周期数量为6～10。
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：
提供蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层，
所述有源层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，靠近所述N型层的阱垒层中的量子阱层与所述N型层接触，靠近所述P型层的阱垒层中的量子垒层与所述P型层接触，所述量子阱层为InGaN量子阱层，所述量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构。
可选地，所述量子阱层的生长温度为720℃～829℃，所述量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr，
所述量子垒层的生长温度为850℃～959℃，所述量子垒层的生长压力为100Torr～500Torr。
可选地，所述InGaN量子阱层为InxGa1-xN层，x为0.14；所述量子垒层中的BGaN层中B组分与所述量子垒层中的InGaN层中In组分的组分比为17:30。
可选地，所述量子阱层的厚度为3～8nm，所述量子垒层的厚度为9～20nm，所述阱垒层的数量为3～15。
可选地，所述量子垒层中的BGaN层的厚度小于2nm，所述量子垒层中的InGaN层的厚度小于2nm，所述BGaN层和所述InGaN层交替生长的周期数量为6～10。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过有源层包括若干层叠的阱垒层，阱垒层包括量子阱层和量子垒层，量子阱层为InGaN量子阱层，由于量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构，因此，可以将量子垒层的材料等同于BInGaN四元合金材料，而因为BInGaN四元合金材料的晶格常数相比于GaN的晶格常数更加接近于InGaN量子阱层，所以BInGaN四元合金材料的晶格常数与InGaN量子阱层的晶格常数更加相配，这样，可以减少甚至消除晶格失配带来的压电场，减少量子限制斯塔克效应，从而提高有源层中电子与空穴的复合效率，进而提高发光二极管的内量子效率。
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：蓝宝石衬底31、顺次在蓝宝石衬底31上沉积的缓冲层32、未掺杂GaN层35、N型层36、有源层37和P型层38。其中，有源层37包括若干层叠的阱垒层370，阱垒层370包括量子阱层371和量子垒层372。靠近N型层36的阱垒层370中的量子阱层371与N型层36接触。靠近P型层38的阱垒层370中的量子垒层372与P型层38接触。量子阱层371为InGaN量子阱层；量子垒层372为BGaN层372a和InGaN层372b交替生长的周期性结构。
通过有源层37包括若干层叠的阱垒层370，阱垒层370包括量子阱层371和量子垒层372，量子阱层371为InGaN量子阱层，由于量子垒层372为BGaN层372a和InGaN层372b交替生长的周期性结构，因此，可以将量子垒层372的材料等同于BInGaN四元合金材料，而因为BInGaN四元合金材料的晶格常数相比于GaN的晶格常数更加接近于InGaN量子阱层，所以BInGaN四元合金材料的晶格常数与InGaN量子阱层的晶格常数更加相配，这样，可以减少甚至消除晶格失配带来的压电场，减少量子限制斯塔克效应，从而提高有源层中电子与空穴的复合效率，进而提高发光二极管的内量子效率。此外，通过BGaN层372a和InGaN层372b交替生长的周期性结构替代BInGaN四元合金材料，能够解决直接生长BInGaN层所带来的合金材料中各材料键能键长不同、互溶性较差的问题。
示例性地，蓝宝石衬底31为图形化蓝宝石衬底，图形化蓝宝石衬底的底宽可以大于或等于2.9微米。较大的底宽可以增加器件的外量子效率。
示例性地，InGaN量子阱层为InxGa1-xN层，x为0.14。量子垒层372中的BGaN层中B组分与量子垒层372中的InGaN层中In组分的组分比为17:30。通过调整In、Ga、B中各组分的含量，能够实现晶格常数独立调制、以及能带从0.6eV～6eV左右的调制，能够有效的防止电子溢流，提高光电转换效率。
示例性地，量子阱层371的厚度为3～8nm，量子垒层372的厚度为9～20nm，阱垒层370的数量为3～15。
示例性地，量子垒层中的BGaN层的厚度小于2nm，量子垒层中的InGaN层的厚度小于2nm。BGaN层和InGaN层交替生长的周期数量为6～10。
需要说明的是，本发明实施例不限制量子垒层372中的BGaN层372a和InGaN层372b的位置关系。在一个量子垒层372中，可以先生长BGaN层372a，再生长InGaN层372b；也可以先生长InGaN层372b，再生长BGaN层372a。
示例性地，参见图2，缓冲层32包括AlN层321和BGaN层322，AlN层321位于蓝宝石衬底31与BGaN层322之间。
示例性地，AlN层为低温AlN层，AlN层的厚度为5～20nm；BGaN层为低温BGaN层，BGaN层的厚度为10～30nm。
通过缓冲层包括AlN层和BGaN层，AlN层位于蓝宝石衬底与BGaN层之间，B原子的半径分别比Al原子和Ga原子的半径小，BGaN材料中B与Ga进行调和，BGaN材料的晶格常数接近蓝宝石蓝宝石衬底、AlN材料、以及GaN材料的晶格常数，那么，从蓝宝石蓝宝石衬底、AlN材料到GaN材料通过BGaN材料进行过渡，能够提供压应力，对蓝宝石蓝宝石衬底、AlN材料、以及GaN材料之间的晶格失配、以及大底宽蓝宝石衬底所带来的张应力进行抵消，从而减少或者消除有源层的偏凸现象，提高器件的光电转换效率。
示例性地，该发光二极管外延片还包括GaN成核层33。GaN成核层33位于缓冲层32和未掺杂GaN层35之间。
示例性地，GaN成核层的厚度为1～2微米。
当该发光二极管外延片还包括GaN成核层33时，示例性地，该发光二极管外延片还包括GaN高温填平层34。GaN高温填平层34位于GaN成核层33和未掺杂GaN层35之间。
示例性地，GaN高温填平层的厚度为1～2微米。
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。参见图3，该方法流程包括如下步骤。
步骤101、提供蓝宝石衬底。
其中，蓝宝石衬底为图形化蓝宝石蓝宝石衬底，图形化蓝宝石蓝宝石衬底的底宽可以大于或等于2.9微米。
步骤102、在蓝宝石衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层。
其中，有源层包括若干层叠的阱垒层，阱垒层包括量子阱层和量子垒层，靠近N型层的阱垒层中的量子阱层与N型层接触，靠近P型层的阱垒层中的量子垒层与P型层接触，量子阱层为InGaN量子阱层，量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构。
本发明实施例通过有源层包括若干层叠的阱垒层，阱垒层包括量子阱层和量子垒层，量子阱层为InGaN量子阱层，由于量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构，因此，可以将量子垒层的材料等同于BInGaN四元合金材料，而因为BInGaN四元合金材料的晶格常数相比于GaN的晶格常数更加接近于InGaN量子阱层，所以BInGaN四元合金材料的晶格常数与InGaN量子阱层的晶格常数更加相配，这样，可以减少甚至消除晶格失配带来的压电场，减少量子限制斯塔克效应，从而提高有源层中电子与空穴的复合效率，进而提高发光二极管的内量子效率。此外，通过BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构替代BInGaN四元合金材料，能够解决直接生长BInGaN层所带来的合金材料中各材料键能键长不同、互溶性较差的问题。
图4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。参见图4，该方法流程包括如下步骤。
步骤201、提供蓝宝石衬底。
示例性地，蓝宝石衬底可以为图形化蓝宝石蓝宝石衬底(Patterned SapphireSubstrate，简称PSS)。采用PSS生长GaN基发光二极管外延片，可以增强发光二极管的出射光亮度，同时反向漏电流减小，发光二极管的寿命也得到了延长。
示例性地，PSS的底宽大于或等于2.9微米。底宽为PSS上图形的直径。底宽大于或等于2.9微米的PSS也称为大晶胞底宽蓝宝石衬底。较大的底宽可以增加器件的外量子效率。
示例性地，PSS的底宽为2.9微米，PSS的图形周期可以是3.0微米或者3.05微米，这时，在相邻图形之间的c面长度为0.1或者0.15微米。c面为PSS上生长GaN基外延层的面。
步骤202、在蓝宝石衬底上沉积AlN层。
示例性地，采用物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，简称PVD)方法，例如磁控溅射法，在蓝宝石衬底上沉积AlN层。AlN层的厚度为5～20nm，AlN层的生长压力为100～200torr，AlN层的生长温度为500～600℃。
示例性地，可以在金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，简称MOCVD)方法沉积BGaN层、GaN成核层、GaN高温填平层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层。该制备方法可以采用MOCVD设备实现。在该制备方法中，以高纯H2(氢气)、以及N2(氮气)作为载气，以TMGa(三甲基稼)或者TEGa(三乙基稼)作为Ga源，以TMAl(三甲基铝)作为Al源，以TEB(三乙基硼)作为B源，以TMIn(三甲基铟)作为In源，以NH3(氨气)作为N源，用SiH4(硅烷)作为N型掺杂剂，用CP2Mg(二茂镁)作为P型掺杂剂。
步骤203、在H2气氛中对沉积有AlN层的蓝宝石衬底进行预热处理。
具体地，将沉积有AlN层的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，使蓝宝石衬底在H2气氛中热处理10～15分钟，热处理温度可以为1000～1040℃。
步骤204、在AlN层上沉积BGaN层。
示例性地，步骤204可以包括如下步骤。
第一步、将沉积有AlN层的蓝宝石衬底放置到MOCVD设备的生长室内。
第二步、向生长室持续通入第一反应气体、以及向生长室间隔通入第二反应气体，以在AlN层上沉积BGaN层。
其中，第一反应气体包括TEB和NH3，第二反应气体包括TMGa或者TEGa。
示例性地，间隔通入第二反应气体的实现方式包括：先通电生成脉冲信号，再在脉冲周期的通电时间向生长室通入第二反应气体。其中，脉冲信号的占空比可以为10％-60％。
示例性地，BGaN层的厚度为10～30nm，BGaN层的生长压力为100～200torr，BGaN层的生长温度为500～600℃。
BGaN层的生长温度较低。在生长温度较低时，有利于形成成核岛。但是，低温时B原子的表面迁移率也比较低，假若持续地向生长室通入Ga源和B源，B的低表面迁移率将导致成核岛过密，造成蓝宝石衬底上图形与图形之间的填平界面产生较多的缺陷。为了解决该问题，采用间隔通入TMGa或者TEGa的方式，增加B原子数量，提高B的表面迁移率，这样，可以避免由于B的低表面迁移率导致的成核岛过密，从而造成填平界面产生较多的缺陷，提高GaN外延层的晶体质量。此外，采用间隔通入TMGa或者TEGa的方式，可以减少通入的Ga源与Al源之间产生预反应，避免预反应影响GaN外延层的晶体质量。
步骤205、在BGaN层上沉积GaN成核层。
示例性地，GaN成核层的厚度为1～2微米，GaN成核层的生长压力为100～600torr，GaN成核层的生长温度为1020～1070℃。
相比于BGaN层，GaN成核层的生长温度较高。较高的温度将融化掉一部分低温BGaN层，由于BGaN层的生长温度较低，晶体质量不佳，融化掉一部分BGaN层，并在高温条件下生长GaN成核层，能够提高晶体质量。
步骤206、在GaN成核层上沉积GaN高温填平层。
示例性地，GaN高温填平层的厚度为1～2微米，GaN高温填平层的生长压力为100～300torr，GaN高温填平层的生长温度为1100～1150℃。
相比于GaN成核层，GaN高温填平层的温度更高一下，这利于填平图形与图形之间的空隙，增加c面的面积，并得到更好的晶体质量。
步骤207、在GaN高温填平层上沉积未掺杂GaN层。
示例性地，未掺杂GaN层的生长温度可以是1000℃～1100℃，生长压力可以是100Torr至500Torr之间。未掺杂GaN层的生长厚度可以是1.0至5.0微米。
步骤208、在未掺杂GaN层上沉积N型层。
示例性地，N型层为N型掺杂GaN层，N型掺杂GaN层的厚度在1～5微米之间，N型掺杂GaN层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力在100Torr至500Torr之间。N型掺杂GaN层为Si掺杂，Si掺杂浓度在1018cm-3～1019cm-3之间。
步骤209、在N型层上沉积有源层。
其中，有源层包括若干层叠的阱垒层。示例性地，有源层可以由3～15个阱垒层层叠构成。阱垒层包括量子阱层和量子垒层。靠近N型层的阱垒层中的量子阱层与N型层接触，靠近P型层的阱垒层中的量子垒层与P型层接触。量子阱层为InGaN量子阱层，量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构。
示例性地，量子阱层的厚度为3nm，量子阱层的生长温度为720℃～829℃，量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr。量子垒层的厚度为9～20nm，量子垒层的生长温度为850℃～959℃，量子垒层的生长压力为100Torr～500Torr。
示例性地，量子垒层中的BGaN层的厚度小于2nm，量子垒层中的InGaN层的厚度小于2nm。BGaN层和InGaN层交替生长的周期数量为6～10。
示例性地，InGaN量子阱层为InxGa1-xN层，x为0.14；量子垒层中的BGaN层中B组分与量子垒层中的InGaN层中In组分的组分比为17:30。
比如，有源层可以由9个阱垒层层叠构成，量子阱层的厚度为3nm，量子阱层的生长温度为770℃，量子阱层的生长压力为300Torr；量子垒层的厚度为14.5nm，量子垒层的生长温度为900℃，量子垒层的生长压力为300Torr；量子垒层中的BGaN层的厚度为0.5nm，量子垒层中的InGaN层的厚度为0.5nm。BGaN层和InGaN层交替生长的周期数量为10。
步骤210、在有源层上沉积P型层。
示例性地，P型层为P型掺杂GaN层。P型掺杂GaN层的生长温度在850℃～1080℃之间，生长压力区间为200Torr～300Torr。P型掺杂GaN层的厚度在100nm至800nm之间。
步骤211、在P型层上沉积P型复合接触层。
示例性地，P型复合接触层的生长温度区间为850℃～1050℃，生长压力区间为100Torr～300Torr。P型复合接触层的厚度为5nm至300nm之间。
沉积P型复合接触层之后，可以将MOCVD的生长室内温度降低，在氮气气氛中对外延片进行退火处理，退火温度可以为650℃～850℃，退火时间可以为5到15分钟，而后降至室温，结束外延片的生长。
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 (7)
1.一种GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括：蓝宝石衬底、顺次在所述蓝宝石衬底上沉积的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，靠近所述N型层的阱垒层中的量子阱层与所述N型层接触，靠近所述P型层的阱垒层中的量子垒层与所述P型层接触，所述量子阱层为InGaN量子阱层，所述量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构，所述InGaN量子阱层为InxGa1-xN层，x为0.14；所述量子垒层中的BGaN层中B组分与所述量子垒层中的InGaN层中In组分的组分比为17:30。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述量子阱层的厚度为3～8nm，所述量子垒层的厚度为9～20nm，所述阱垒层的数量为3～15。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述量子垒层中的BGaN层的厚度小于2nm，所述量子垒层中的InGaN层的厚度小于2nm，所述BGaN层和所述InGaN层交替生长的周期数量为6～10。
4.一种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：
提供蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层和P型层，
所述有源层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，靠近所述N型层的阱垒层中的量子阱层与所述N型层接触，靠近所述P型层的阱垒层中的量子垒层与所述P型层接触，所述量子阱层为InGaN量子阱层，所述量子垒层为BGaN层和InGaN层交替生长的周期性结构，所述InGaN量子阱层为InxGa1-xN层，x为0.14；所述量子垒层中的BGaN层中B组分与所述量子垒层中的InGaN层中In组分的组分比为17:30。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
所述量子阱层的生长温度为720℃～829℃，所述量子阱层的生长压力为100Torr～500Torr，
所述量子垒层的生长温度为850℃～959℃，所述量子垒层的生长压力为100Torr～500Torr。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述量子阱层的厚度为3～8nm，所述量子垒层的厚度为9～20nm，所述阱垒层的数量为3～15。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述量子垒层中的BGaN层的厚度小于2nm，所述量子垒层中的InGaN层的厚度小于2nm，所述BGaN层和所述InGaN层交替生长的周期数量为6～10。
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