CN114373840A - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管外延片及其制备方法，包括衬底，设于衬底上的N面GaN层，衬底与N面GaN层之间设有AlN缓冲成核层，AlN缓冲成核层包括第一Ⅴ‑Ⅲ比ALN缓冲成核层、以及设于第一Ⅴ‑Ⅲ比ALN缓冲成核层上的第二Ⅴ‑Ⅲ比ALN缓冲成核层，N面GaN层设于第二Ⅴ‑Ⅲ比ALN缓冲成核层上方。代替了传统的缓冲层技术，即在衬底上沉积一层缓冲层再生长GaN材料，解决现有技术中由于外延片存在晶格失配，使得外延片表面的粗糙度增加，导致光在外延片表面发生折射的技术问题，从而提高发光二极管发光效率和光电性能。

Description

一种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，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
GaN基的发光二极管（LED）具有高密度、能耗低、寿命长、响应时间短、无辐射等优点，广泛的应用于照明及显示等领域，其中N面GaN材料在高频和光电器件、氢气探测器、以及太阳能电池等更是具有特殊优势，但是高质量N面GaN外延薄膜制备的困难限制了它的发展和应用。
目前LED外延片普遍采用缓冲层技术，即在衬底上沉积一层缓冲层再生长GaN材料，缓冲层能一定程度克服衬底与GaN材料间的晶格失配，并将他们之间的缺陷埋在缓冲层之下，从而减少缺陷，为后面生长层减少应力，提高晶体质量，增加外延片表面的光滑度，来提高发光效率，增加光电性能。
但是缓冲层还是存在大量的晶体质量问题，由于晶格失配的存在会在材料中引入穿透位错，这种位错除非受到阻挡或外力而发生弯曲外，通常会笔直的向上延伸穿透整个材料结构，造成外延片表面的粗糙度增加，会导致光在外延片表面发生折射。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种发光二极管外延片及其制备方法，用于解决现有技术中由于存在晶格失配，使得外延片表面的粗糙度增加，导致光在外延片表面发生折射的技术问题。
本发明提供一种发光二极管外延片，包括衬底；
设于所述衬底上的N面GaN层，所述衬底与所述N面GaN层之间设有AlN缓冲成核层；
所述AlN缓冲成核层包括第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层、以及设于所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上的第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，所述N面GaN层设于所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上方，所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的第一Ⅴ-Ⅲ比的值是所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的第二Ⅴ-Ⅲ比的3-4倍。
所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的沉积厚度为20-30nm。
所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的沉积厚度为40-50nm。
本发明还提供一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，包括：
获得一衬底；
在所述衬底上生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层；
再在所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层；
在所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长N面GaN层。
上述发光二极管外延片的制备方法，通过在衬底上生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层与第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，继而再生长N面GaN层的方法，代替了传统的缓冲层技术，即在衬底上沉积一层缓冲层再生长GaN材料，本发明的技术方案可以通过生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，用于保证材料N极性的稳定，也降低衬底的晶格失配程度，减少位错，达到先一步的提升晶体质量，再在第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，其横向生长加强，有利于位错弯曲及湮灭，改善缓冲层最终形成的表面形貌，解决现有技术中由于外延片存在晶格失配，使得外延片表面的粗糙度增加，导致光在外延片表面发生折射的技术问题，从而提高发光二极管发光效率和光电性能。
优选地，在所述衬底上生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的步骤包括：
将所述衬底放入MOCVD设备中加工；
向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，以使在所述衬底上生长出第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层。
优选地，在将所述衬底放入MOCVD设备中加工的步骤中：
所述MOCVD设备的内部条件为：
Ⅴ-Ⅲ比为9000-9500、温度为800～1000℃、以及压力为20～30torr。
优选地，在再向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源的步骤中：通入AL源25-30sccm，NH3源为3400-3500sccm。
优选地，再在所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的步骤包括：
将所述衬底放在MOCVD设备中继续加工；
再向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，以使在所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长出第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层。
优选地，在将所述衬底放在MOCVD设备中继续加工的步骤中：
所述MOCVD设备的内部条件为：
Ⅴ-Ⅲ比为2500-3000、温度为800～1000℃、以及压力为20～30torr。
优选地，在再向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源的步骤中：通入AL源25-30sccm，NH3源为1000sccm-1500sccm。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工作流程图；
主要元件符号说明：
衬底 10 第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层 20
第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层 30 N面GaN层 40
n型GaN层 50 多量子阱层 60
电子阻挡层 70 P型GaN层 80
P型接触层 90
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，所示为本发明中的一种发光二极管外延片，包括衬底10；
衬底10上依次层叠设有AlN缓冲成核层、N面GaN层40、n型GaN层50、多量子阱层60、电子阻挡层70、P型GaN层80、P型接触层90；
AlN缓冲成核层包括第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20、以及设于第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20上的第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30，N面GaN层40设于第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30上方，第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的第一Ⅴ-Ⅲ比的值是第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的第二Ⅴ-Ⅲ比的3-4倍。
其中，第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20的沉积厚度为20-30nm，第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30的沉积厚度为40-50nm。
本发明实施例针对目前外延片存在晶格失配，使得外延片表面的粗糙度增加，导致光在外延片表面发生折射的技术问题，具体提供了一种发光二极管外延片的制备方法，需要说明的是，在本实施例中，采用中微A7 MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)设备实现LED外延片的生长方法。将已经斜切角度好了的衬底放入MOCVD中，采用高纯H2 (氢气)、高纯N2(氮气)、高纯H2和高纯N2的混合气体中的一种作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂进行外延生长。
请参阅图2，所示为本发明实施方法，所述方法具体包括步骤S101至S109：
步骤S101：提供一衬底10；
具体的，在本实例中，衬底可选用蓝宝石衬底，在其他实施例中衬底可选用硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。
步骤S102：在衬底10上生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20,沉积厚度为20-30nm；
具体的，将衬底10放入MOCVD设备中加工；
向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，以使在衬底10上生长出第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20；
在将衬底10放入MOCVD设备中加工的步骤中：
MOCVD设备的内部条件为：
Ⅴ-Ⅲ比为9000-9500、温度为800～1000℃、以及压力为20～30torr。
在向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源的步骤中：通入AL源25-30sccm，NH3源为3400-3500sccm。
步骤S103：在第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20上生长第二Ⅴ-ⅢALN比缓冲成核层30,沉积厚度为40-46nm；
具体的，将衬底10放在MOCVD设备中继续加工；
再向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，以使得第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20上生长出第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30。
在将衬底放在MOCVD设备中继续加工的步骤中：
MOCVD设备的内部条件为：
Ⅴ-Ⅲ比为2500-3000、温度为800～1000℃、以及压力为20～30torr。
在再向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源的步骤中：通入AL源25-30sccm，NH3源为1000sccm-1500sccm。
进一步的，第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30，在保证材料N极性的稳定的同时，供应N元素减少，ALN缓冲成核层中N空位就会相应的增多，此时易于结合进入N空位的O杂质就会增多，达到了阻挡来源于衬底的O元素扩散进入外延层的效果。
步骤S104：在第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30上生长N面GaN层,沉积厚度为2~3 um；
具体的，生长温度为700-1000℃，厚度为2~3 um，Ⅴ-Ⅲ比为1200-1300，反应室压力为35-45torr。
步骤S105：在N面GaN层40上生长n型GaN层50,沉积厚度为2~3 um；
具体的，生长温度为1100℃， Si掺杂浓度为1.6E18。
步骤S106：在n型GaN层50上生长多量子阱层60；
本实施例中，量子阱发光层为交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，堆叠周期数6~12个，其中InGaN量子阱层生长温度为790~810℃，厚度为2~3.5nm，AlGaN量子垒层生长温度为850~900℃，厚度为9~12nm，Al组分为0.1。
步骤S107：在多量子阱层60上生长电子阻挡层70,沉积厚度为10~40 nm；
本实施例中，电子阻挡层70为AlInGaN，生长温度900-1000℃。
步骤S108：在电子阻挡层70上生长P型GaN层80,沉积厚度为15nm；
本实施例中，生长温度为980℃，生长压力200torr，Mg浓度1E19。
步骤S109：在P型GaN层80上生长P型接触层90,沉积厚度为1~6nm；
本实施例中，P型接触层90为重掺Mg GaN层，生长温度800~950℃。
为了便于理解本发明，下面将给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
实施例1
本实施例当中发光二极管外延片的制备方法，包括如下步骤：
将衬底10放在MOCVD设备中加工，将MOCVD设备的内部条件设成：Ⅴ-Ⅲ比为9230、温度为950℃、压力为23torr，向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，其中通入AL源26sccm，NH3源为3450sccm，使得衬底10上生长出沉积厚度为21nm的第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20；
再将MOCVD设备的内部条件设成Ⅴ-Ⅲ比为2534、温度为950℃，压力为23torr，向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，其中通入AL源 26sccm、NH3源为1350sccm，使得第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20上生长出沉积厚度为40nm的第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30。
实施例2
本实施例当中发光二极管外延片的制备方法，包括如下步骤：
将衬底10放在MOCVD设备中加工，将MOCVD设备的内部条件设成：Ⅴ-Ⅲ比为 9300，温度为960℃，压力为26 torr，向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，其中通入AL源28sccm，NH3源为3480sccm，使得衬底10上生长出沉积厚度为25nm的第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20；
再将MOCVD设备的内部条件设成Ⅴ-Ⅲ比为2600、温度为960℃、压力为 26torr，向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，其中通入AL源 28sccm、NH3源为1368，使得第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20上生长出沉积厚度为42nm的第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30。
实施例3
本实施例当中发光二极管外延片的制备方法，包括如下步骤：
将衬底10放在MOCVD设备中加工，将MOCVD设备的内部条件设成：Ⅴ-Ⅲ比为9400、温度为976℃、压力为29 torr，向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，其中通入AL源30sccm、NH3源为3500sccm，使得衬底10上生长出沉积厚度为30nm的第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20；
再将MOCVD设备的内部条件设成Ⅴ-Ⅲ比为3000、温度为976℃、压力为 29，向MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，其中通入AL源30sccm、NH3源为1379sccm，使得第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20上生长出沉积厚度为45nm的第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30。
请参阅下表1和表2，所示为本发明上述实施例1-3对应的参数，检测结果如下表所示，其中表1对应的生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的若干具体参数，表2对应的是生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的若干具体参数；
表1：
实施例 Ⅴ-Ⅲ比 温度 压力 AL源 NH3源 沉积厚度
实施例一 9230 950℃ 23torr 26sccm 3450sccm 21nm
实施例二 9300 960℃ 26torr 28sccm 3480sccm 25nm
实施例三 9400 976℃ 29torr 30sccm 3500sccm 30nm
表2：
实施例 Ⅴ-Ⅲ比 温度 压力 AL源 NH3源 沉积厚度
实施例一 2534 950℃ 23torr 26sccm 1350sccm 40nm
实施例二 2600 960℃ 26torr 28sccm 1368sccm 42nm
实施例三 3000 976℃ 29torr 30sccm 1379sccm 45nm
综上，由上表可知，第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20的沉积厚度为20-30nm，第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30的沉积厚度为40-50nm时，外延片表面光滑程度最高，当沉积厚度低于或高于这些值时，第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层20与第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层30之间的缝隙较多，本发明实施例中的发光二极管外延片的制备方法，通过在衬底上依次生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层与第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，继而再生长N面GaN层的方法，代替了传统的缓冲层技术，即在衬底上沉积一层缓冲层再生长GaN材料，本发明的技术方案可以通过生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，用于保证材料N极性的稳定，也降低衬底的晶格失配程度，减少位错，达到先一步的提升晶体质量，再在第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，其横向生长加强，有利于位错弯曲及湮灭，改善缓冲层最终形成的表面形貌，解决现有技术中由于外延片存在晶格失配，使得外延片表面的粗糙度增加，导致光在外延片表面发生折射的技术问题，从而提高发光二极管发光效率和光电性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括：
衬底；
设于所述衬底上的N面GaN层，所述衬底与所述N面GaN层之间设有AlN缓冲成核层；
所述AlN缓冲成核层包括第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层、以及设于所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上的第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层，所述N面GaN层设于所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上方，其中，所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的第一Ⅴ-Ⅲ比的值是所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的第二Ⅴ-Ⅲ比的3-4倍。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的沉积厚度为20-30nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的沉积厚度为40-50nm。
4.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-3任一项所述的发光二极管外延片，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层；
再在所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层；
在所述第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长N面GaN层。
5.根据权利要求4所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，在所述衬底上生长第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的步骤包括：
将所述衬底放入MOCVD设备中加工；
向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，以使在所述衬底上生长出第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，在将所述衬底放入MOCVD设备中加工的步骤中：
所述MOCVD设备的内部条件为：
Ⅴ-Ⅲ比为9000-9500、温度为800～1000℃、以及压力为20～30torr。
7.根据权利要求 5所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，在再向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源的步骤中：通入AL源25-30sccm，NH3源为3400-3500sccm。
8.根据权利要求5所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，再在所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层的步骤包括：
将所述衬底放在MOCVD设备中继续加工；
再向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源，以使在所述第一Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层上生长出第二Ⅴ-Ⅲ比ALN缓冲成核层。
9.根据权利要求8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，在将所述衬底放在MOCVD设备中继续加工的步骤中：
所述MOCVD设备的内部条件为：
Ⅴ-Ⅲ比为2500-3000、温度为800～1000℃、以及压力为20～30torr。
10.根据权利要求 8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，在再向所述MOCVD设备中通入AL源以及NH3源的步骤中：通入AL源25-30sccm，NH3源为1000sccm-1500sccm。
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