CN114695611A - 一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法 - Google Patents
一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114695611A CN114695611A CN202210605057.9A CN202210605057A CN114695611A CN 114695611 A CN114695611 A CN 114695611A CN 202210605057 A CN202210605057 A CN 202210605057A CN 114695611 A CN114695611 A CN 114695611A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- buffer
- growth
- sublayer
- type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 9
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 63
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 25
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 15
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 abstract description 9
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 46
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 45
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 8
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 6
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 6
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 6
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明提供一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法，该外延片结构包括：衬底、以及依次外延生长于所述衬底之上的AlN缓冲层、N型层、应力缓冲层、复合发光层、P型缓冲层以及P型层；其中，P型缓冲层包括预设周期个交替层叠的第一缓冲子层和第二缓冲子层，第一缓冲子层为AlGaN层，第二缓冲子层为GaN层，所述第一缓冲子层中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，既能有效阻挡复合发光层的电子溢出，又能减少对P型层中空穴的阻碍以使空穴高效的流向复合发光层，第一缓冲子层的生长气压大于或等于预设气压，预设气压大于或等于第二缓冲子层的生长气压，用于降低第一缓冲子层中碳掺杂质，保证P型缓冲层的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及芯片领域，特别是涉及一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法。
背景技术
作为第三代半导体的氮化镓（GaN）III族氮化物体系材料，其被广泛应用在高清显示、可视通讯、汽车前灯、普通照明等领域，具有广阔的前景。为了提升GaN基发光二极管的发光效率，优化其外延层结构必不可少。禁带宽度在3.4-6.2eV之间的AlGaN材料要大于禁带宽度为3.4eV的GaN材料，可以抑制电子从量子阱区向P区泄漏，增加量子阱区的电子数量，提高复合效率，所以AlGaN作为电子阻挡层被广泛应用在发光二极管中。
目前通常是在发光层与P型层之间加入高浓度Al掺的P-AlGaN层来防止底层电子向P型层溢流，这样虽可以有效降低发光层的电子溢流，但也会阻碍P型层的空穴流向发光层，最终影响二极管的复合发光效率，且由于碳与铝的亲和力远高于有机源中其他金属，高浓度Al掺的P-AlGaN层还会引入较高浓度的碳，碳为非故意掺杂的杂质元素，不仅会加剧晶格失配影响GaN基LED外延层的晶体质量，更进一步影响到GaN基LED器件的光学性能，如：引起黄带或蓝带现象，降低载流子浓度和迁移率，改变P层欧接触的性能，最终会影响GaN基发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明的目的在于提出一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法，旨在解决背景技术中记载的技术问题。
本发明提出一种GaN基发光二极管的外延片结构，所述外延片结构包括：衬底、以及依次外延生长于所述衬底之上的AlN缓冲层、N型层、应力缓冲层、复合发光层、P型缓冲层以及P型层；
其中，所述P型缓冲层包括预设周期个交替层叠的第一缓冲子层和第二缓冲子层，所述第一缓冲子层为AlGaN层，所述第二缓冲子层为GaN层，所述第一缓冲子层中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，所述第一缓冲子层的生长气压大于或等于预设气压，所述预设气压大于或等于所述第二缓冲子层的生长气压。
另外，根据本发明提供的GaN基发光二极管的外延片结构，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述第一缓冲子层的生长气压随生长周期的递增而逐渐降低，以在保证降低所述第一缓冲子层中碳掺杂质的同时减少晶格缺陷。
进一步地，所述第一缓冲子层的生长时间随生长周期的递增而逐渐延长，以保证所述第一缓冲子层的电子阻挡强度。
进一步地，所述第一缓冲子层的生长气压为100-550torr，所述预设气压为100torr，所述第二缓冲子层的生长气压为20-100torr。
进一步地，所述第一缓冲子层的厚度为3-30nm。
进一步地，所述P型缓冲层的生长温度范围为850~1100°，总厚度为30-100nm。
进一步地，所述P型缓冲层的单个周期结构中的所述第二缓冲子层生长在所述第一缓冲子层上方。
本发明还提出一种GaN基发光二极管的外延片结构的制备方法，用于制备上述技术方案中的GaN基发光二极管的外延片结构，所述制备方法包括：
提供一衬底并在所述衬底上生长一AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长一N型层；
在所述N型层上生长一应力缓冲层；
在所述应力缓冲层上生长一复合发光层；
在所述复合发光层上生长一P型缓冲层；
及在所述P型缓冲层上生长一P型层；
其中，在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤包括：
在所述复合发光层上周期性的交替生长第一缓冲子层和第二缓冲子层，所述第一缓冲子层为AlGaN层，所述第二缓冲子层为GaN层，随着生长周期数的递增逐渐减少所述第一缓冲子层生长时通入的Al组分含量，且生长所述第一缓冲子层时的气压大于或等于预设气压，所述预设气压大于或等于生长所述第二缓冲子层时的气压。
进一步地，所述在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤还包括：
在100-550torr的气压环境下生长所述第一缓冲子层，且随着生长周期数的递增逐渐降低所述第一缓冲子层的生长气压。
进一步地，所述在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤还包括：
随着生长周期数的递增逐渐延长所述第一缓冲子层的生长时间，生长出的所述第一缓冲子层的厚度为3-30nm。
与现有技术相比，采用本发明当中所述的GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法，有益效果在于：P型缓冲层的第一缓冲子层中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，即靠近复合发光层的Al组分高，靠近P型层的Al组分低，既能有效阻挡复合发光层的电子溢出，又能减少对P型层中空穴的阻碍以使空穴高效的流向复合发光层，增加辐射复合效率，以保证发光效率；
而由于碳与铝的亲和力远高于有机源中其他金属，使得在生长第一缓冲子层（AlGaN层）时会引入较高浓度的碳，从而影响第一缓冲子层的晶体质量，因此，本发明通过将第一缓冲子层的生长气压设置为大于或等于预设气压，且预设气压大于或等于第二缓冲子层的生长气压，这样能够使得第一缓冲子层保持在较高的气压环境下，而较高的气压环境，能够使得单位体积内分子与活性原子的数量增加，气相分子之间的相互作用也会加强，活性原子的碰撞几率便会升高，使得活性甲基（含碳）与活性 H 发生反应从而生成CH4气体分子的数量增多，而生成的CH4气体分子会从外延层脱离出去，留在外延层中的碳原子浓度便会减少，最终减少了第一缓冲子层中的碳掺杂量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一实施例当中GaN基发光二极管的外延片结构的结构示意图；
图2为本发明第一实施例当中P型缓冲层中的相邻两个周期结构示意图；
图3为本发明第九实施例当中GaN基发光二极管的外延片结构制备方法的流程示意图。
附图标记说明：
10、衬底，20、AlN缓冲层，30、N型层，40、应力缓冲层，50、复合发光层，60、P型缓冲层，61、第一缓冲子层，62、第二缓冲子层，70、P型层。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。
实施例一
如图1和图2所示，本发明的实施例提供一种GaN基发光二极管的外延片结构，所述外延片结构包括：衬底10，以及依次外延生长于所述衬底10之上的AlN缓冲层20、N型层30、应力缓冲层40、复合发光层50、P型缓冲层60以及P型层70。
其中，衬底10为外延层生长的基板，常用的衬底10为蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底，在本实施例中，衬底10材料为蓝宝石，蓝宝石具有透光性能好、耐高温、抗腐蚀、制备工艺成熟及价格较低等优点，被广泛应用于多量子阱基发光二极管中。
衬底10上设有AlN缓冲层20，其中，AlN缓冲层20为AlN薄膜层，AlN缓冲层20用于缓解衬底10与后续生长的外延长之间的晶格失配及热失配，减少晶体缺陷，改善后续外延长的晶体质量。通常需要对沉积AlN缓冲层20的衬底10进行预处理，以去除表面的杂质以及提升AlN缓冲层20的晶体质量。具体地，AlN缓冲层20的生长温度为800-1200℃，生长压力为100-600Torr，厚度为2-5μm。
AlN缓冲层20上设有N型层30，N型层30提供电子给复合发光层50，以使电子与空穴在复合发光层50辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，N型层30的掺杂剂为Si，且重掺Si，N型层30通过掺杂剂的掺杂，能降低电流集聚效应，提高多量子阱基发光二极管的光电效率。具体地，N型层30的生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600Torr，厚度为2-3μm，Si掺的浓度为1×1019-5×1019cm-3。
N型层30上设有应力缓冲层40，应力缓冲层40的主要作用是释放底应力，为复合发光层50的生长做准备，以减少复合发光层50的内应力，所述应力缓冲层40为GaN和InGaN层交替生长的周期性结构。
应力缓冲层40上设有复合发光层50，复合发光层50上设有P型缓冲层60，P型缓冲层60上设有P型层70，P型层70为复合发光层50提供空穴，以使电子与空穴在复合发光层50进行辐射复合，以达到发光二极管的发光效应。具体地，P型层70的生长温度为900-1050℃，生长压力为100-600Torr，厚度为10-50nm，掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3。
复合发光层50为多量子阱结构（MQW），量子阱（QW）是指两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。当发光二极管两端外加电场，N型层30作为负极，P型层70作为正极，N型层30中多余的电子向正极P型层70方向迁移，P型层70中多余的空穴向负极N型层30方向迁移，两端迁移的电子与空穴在复合发光层50会合，即在多量子阱内发生电子-空穴辐射复合，从而实现发光二极管发光。具体地，复合发光层50的生长温度为720-1000℃，生长压力为150-300Torr，厚度为100-300埃，其中，复合发光层中量子阱与量子垒的厚度比为1：3.5，In掺浓度为3×103-8×106 cm-3。
所述P型缓冲层60包括若干周期个交替层叠的第一缓冲子层61和第二缓冲子层62，所述第一缓冲子层61为AlGaN层，所述第二缓冲子层62为GaN层，所述第一缓冲子层61中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，所述第一缓冲子层61的生长气压大于或等于预设气压，所述预设气压大于或等于所述第二缓冲子层62的生长气压，用于保证第一缓冲子层61的较高气压环境，以降低所述第一缓冲子层61中碳掺杂质。具体地，第一缓冲子层61的生长气压为100-550torr，预设气压可以为100torr，第二缓冲子层62的生长气压为20-100torr。
所述第一缓冲子层61的生长气压随生长周期的递增而逐渐降低，以在保证降低所述第一缓冲子层61中碳掺杂质的同时减少晶格缺陷。
需要说明的是，由于所述第一缓冲子层61中碳掺杂质是由Al原子引入的，而所述第一缓冲子层61中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，使得引入的碳的量也会逐渐降低，因此，本发明实施例将所述第一缓冲子层61的生长气压随生长周期的递增进行逐渐降低的变化，与会引入的碳的量的变化是相匹配的，除碳的效果能够保证，且相对于保持同一个高气压状态，逐渐降低的生长气压能够使第一缓冲子层61的生长速率也逐渐变慢，从而减少晶格缺陷，能够有效提高第一缓冲子层61的晶体质量。
所述第一缓冲子层61的生长时间随生长周期的递增而逐渐延长，以保证所述第一缓冲子层61的电子阻挡强度。
需要说明的是，由于所述第一缓冲子层61的生长气压随生长周期的递增而逐渐降低时，其生长厚度也会相应逐渐变薄，而生长厚度变薄对电子阻挡效果有一定的影响，因此，本发明实施例对第一缓冲子层61的生长气压逐渐降低的同时，将其生长时间逐渐延长，能够保证第一缓冲子层61的生长厚度，以保证其电子阻挡能力，即在提高P型缓冲层60的晶体质量的同时更好的保证了对复合发光层的电子泄露的阻挡效果，以阻挡复合发光层50中多余的电子泄露并进入P型层，避免P型层中的空穴在迁移到复合发光层50之前便被泄露的电子复合掉，进一步保证了GaN基发光二极管的发光效率。
所述P型缓冲层60的单个周期结构中的所述第二缓冲子层62生长在所述第一缓冲子层61上方。具体地，P型缓冲层60的生长温度为850~1100℃，P型缓冲层60的总厚度为30-100nm，包含2-20个周期，其中，第一缓冲子层61：生长气压控制在100-550torr的范围内，以20-100torr的气压幅度随周期递减，Al组分为0.05-0.4，以10%-40%的比例幅度随周期递减，生长时间设置为10-60s，随着生长，每个周期生长时间延长1-10s，厚度为3-30nm。第二缓冲子层62：生长气压控制在20-100torr，生长时间设置为10-60s。
本实施例的较优方案为：对第一缓冲子层61：随着生长周期的递增，将Al组分从0.4渐变减小至0.05，将生长气压从550torr渐变减小至100torr，将生长时间从10s渐变延长至60s。第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
综上，P型缓冲层60的第一缓冲子层61中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，即靠近复合发光层50的Al组分高，靠近P型层70的Al组分低，既能有效阻挡复合发光层50的电子溢出，又能减少对P型层70中空穴的阻碍以使空穴高效的流向复合发光层50，增加辐射复合效率，以保证发光效率；
而由于碳与铝的亲和力远高于有机源中其他金属，使得在生长第一缓冲子层61（AlGaN层）时会引入较高浓度的碳，从而影响第一缓冲子层61的晶体质量，因此，本发明通过将第一缓冲子层61的生长气压设置为大于或等于预设气压，且预设气压大于或等于第二缓冲子层62的生长气压，这样能够使得第一缓冲子层61保持在较高的气压环境下，而较高的气压环境，能够使得单位体积内分子与活性原子的数量增加，气相分子之间的相互作用也会加强，活性原子的碰撞几率便会升高，使得活性甲基（含碳）与活性 H 发生反应从而生成CH4气体分子的数量增多，而生成的CH4气体分子会从外延层脱离出去，留在外延层中的碳原子浓度便会减少，最终减少了第一缓冲子层61中的碳掺杂量。
实施例二
本发明第二实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长气压控制在40torr，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长时间从10s渐变延长至60s。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
实施例三
本发明第三实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长气压控制在80torr，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长时间从10s渐变延长至60s。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
实施例四
本发明第四实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长气压控制在300torr，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长时间从10s渐变延长至60s。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
实施例五
本发明第五实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长气压控制在550torr，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长时间从10s渐变延长至60s。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
实施例六
本发明第六实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长时间控制在10s，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长气压从550torr渐变减小至100torr。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
实施例七
本发明第七实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长时间控制在35s，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长气压从550torr渐变减小至100torr。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
实施例八
本发明第八实施例提供的一种GaN基发光二极管的外延片结构，本实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构与第一实施例中的GaN基发光二极管的外延片结构的不同之处在于：
将第一缓冲子层的生长时间控制在60s，其他条件相同：随着生长周期的递增，将第一缓冲子层61的Al组分从0.4渐变减小至0.05，将第一缓冲子层61的生长气压从550torr渐变减小至100torr。将第二缓冲子层62的生长气压控制在80torr。
如下表1是根据本发明实施例一至实施例八所改变的一些工艺参数制成发光二极
管的发光效果表。
| 实施例 | 第一缓冲子层的Al组分 | 第一缓冲子层的生长气压（torr） | 第一缓冲子层的生长时间（s） | 第二缓冲子层的生长气压（torr） | 发光亮度提升 |
| 实施例二 | 0.4渐变至0.05 | 40 | 10渐变至60 | 80 | 0 |
| 实施例三 | 0.4渐变至0.05 | 80 | 10渐变至60 | 80 | 4% |
| 实施例四 | 0.4渐变至0.05 | 300 | 10渐变至60 | 80 | 10% |
| 实施例五 | 0.4渐变至0.05 | 550 | 10渐变至60 | 80 | 12% |
| 实施例一 | 0.4渐变至0.05 | 550渐变至100 | 10渐变至60 | 80 | 20% |
| 实施例六 | 0.4渐变至0.05 | 550渐变至100 | 10 | 80 | 12% |
| 实施例七 | 0.4渐变至0.05 | 550渐变至100 | 35 | 80 | 15% |
| 实施例八 | 0.4渐变至0.05 | 550渐变至100 | 60 | 80 | 18% |
表1
实施例一至实施例八的芯片的制备过程中，在保证表1中所涉及的工艺参数以外，其它各工艺条件均相同，分别抽取各实施例的芯片1000颗，在120 mA/ 60 mA的电流下测试其发光性能。
综上，结合实施例二至实施例五的数据可知，保证其它工艺条件不变的情况下，将第一缓冲子层的生长气压保持在较高气压状态时（如实施例四的300torr、实施例五的550torr），相对于将第一缓冲子层的生长气压保持在较低气压状态时（如实施例二的40 torr、实施例三的80 torr），发光二极管的发光效率能够得到较大提升，且在一个气压范围内，第一缓冲子层的生长气压越高，发光二极管的发光效率越大。
结合实施例一至实施例五的数据可知，保证其它工艺条件不变的情况下，将第一缓冲子层的生长气压随生长周期的递增进行逐渐降低，相对于保持一个不变的生长气压，会极大地提高发光二极管的发光效率，且相对于将第一缓冲子层的生长气压保持在一个相对低压的状态（如实施例二的40 torr、实施例三的80torr），发光二极管的发光性能更是得到非常显著的提高。
结合实施例一、实施例六至实施例八的数据可知，保证其它工艺条件不变的情况下，将第一缓冲子层的生长时间随生长周期的递增而逐渐延长，相对于保持一个不变的生长时间，能够有效的提高发光二极管的发光效率。
结合实施例一至实施例八的数据可知，将第一缓冲子层的生长气压随生长周期的递增进行逐渐降低，同时将第一缓冲子层的生长时间随生长周期的递增而逐渐延长，能够使得发光二极管的发光效果达到最佳状态。
实施例九
请参考图3，本发明的第九实施例提供了一种GaN基发光二极管的外延片结构的制备方法，用于制备上述第一实施例当中的GaN基发光二极管的外延片结构，所述制备方法包括步骤S10-S60：
S10，提供一衬底并在所述衬底上生长一ALN缓冲层。
其中，衬底为外延层生长的基板，常用的衬底为蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底。
AlN缓冲层为AlN薄膜层，AlN缓冲层用于缓解衬底与后续生长的外延长之间的晶格失配及热失配，减少晶体缺陷，改善后续外延长的晶体质量。通常需要对沉积AlN缓冲层的衬底进行预处理，以去除表面的杂质以及提升AlN缓冲层的晶体质量。具体地，将AlN缓冲层的生长温度控制在800-1200℃，生长压力控制在100-600Torr，生长出的AlN缓冲层的厚度为2-5μm。
S20，在所述AlN缓冲层上生长一N型层。
其中，N型层提供电子给复合发光层，以使电子与空穴在复合发光层辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，N型层的掺杂剂为Si，且重掺Si，N型层通过掺杂剂的掺杂，能降低电流集聚效应，提高多量子阱基发光二极管的光电效率。具体地，将N型层的生长温度控制为1050-1200℃，生长压力控制为100-600Torr，生长出的N型层的厚度为2-3μm，Si掺的浓度为1×1019-5×1019cm-3。
S30，在所述N型层上生长一应力缓冲层。
N型层上设有应力缓冲层，应力缓冲层的主要作用是释放底应力，为复合发光层的生长做准备，以减少复合发光层的内应力，所述应力缓冲层为GaN和InGaN层交替生长的周期性结构。
S40，在所述应力缓冲层上生长一复合发光层。
其中，复合发光层为多量子阱结构（MQW），量子阱（QW）是指两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。当发光二极管两端外加电场，N型层作为负极，P型层作为正极，N型层中多余的电子向正极P型层方向迁移，P型层中多余的空穴向负极N型层方向迁移，两端迁移的电子与空穴在复合发光层会合，即在多量子阱内发生电子-空穴辐射复合，从而实现发光二极管发光。具体地，将复合发光层的生长温度控制为720-1000℃，生长压力控制为150-300Torr，生长出的复合发光层的厚度为100-300埃，其中，复合发光层中量子阱与量子垒的厚度比为1：3.5，In掺浓度为3×103-8×106 cm-3。
S50，在所述复合发光层上生长一P型缓冲层。
其中，在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤包括：
在所述复合发光层上周期性的交替生长第一缓冲子层和第二缓冲子层，所述第一缓冲子层为AlGaN层，所述第二缓冲子层为GaN层，随着生长周期数的递增逐渐减少所述第一缓冲子层生长时通入的Al组分含量，且生长所述第一缓冲子层时的气压大于或等于预设气压，所述预设气压大于或等于生长所述第二缓冲子层时的气压。具体地，具体地，第一缓冲子层的Al组分为0.05-0.4，将第一缓冲子层的Al组分从0.4渐变减小至0.05，以10%-40%的比例幅度随周期递减，第一缓冲子层的生长气压控制为100-550torr，预设气压可以为100torr，第二缓冲子层的生长气压控制位20-100torr。
进一步的，随着生长周期数的递增逐渐降低所述第一缓冲子层的生长气压，具体地，将第一缓冲子层的生长气压控制在100-550torr的范围内，且生长气压随周期从550torr渐变减小至100torr，以20-100torr的气压幅度随周期递减。第一缓冲子层的生长气压随生长周期的递增进行逐渐降低的变化，与Al原子引入的碳的量的变化是相匹配的，除碳的效果能够保证，且相对于保持同一个高气压状态，逐渐降低的生长气压能够使第一缓冲子层的生长速率也逐渐变慢，从而减少晶格缺陷，能够有效提高第一缓冲子层的晶体质量。
进一步的，随着生长周期数的递增逐渐延长第一缓冲子层的生长时间，具体地，其中，将第一缓冲子层的生长时间控制在10-60s范围内，且生长时间随周期从10s渐变延长至60s，随着生长，每个周期生长时间延长1-10s。对第一缓冲子层的生长气压逐渐降低的同时，可以将其生长时间逐渐延长，这样能够保证第一缓冲子层的生长厚度，以保证其电子阻挡能力，即在提高P型缓冲层的晶体质量的同时更好的保证了对复合发光层的电子泄露的阻挡效果，以阻挡复合发光层中多余的电子泄露并进入P型层，避免P型层中的空穴在迁移到复合发光层之前便被泄露的电子复合掉，进一步保证了GaN基发光二极管的发光效率。
具体地，P型缓冲层的生长温度为850~1100℃，P型缓冲层的总厚度为30-100nm，包含2-20个周期，其中，第一缓冲子层的厚度为3-30nm，第二缓冲子层的生长气压控制在20-100torr，生长时间设置为10-60s。
S60，在所述P型缓冲层上生长一P型层。
其中，P型层为复合发光层提供空穴，以使电子与空穴在复合发光层进行辐射复合，以达到发光二极管的发光效应。具体地，将P型层的生长温度控制为900-1050℃，生长压力控制为100-600Torr，生长出的P型层的厚度为10-50nm，掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3。
综上，在制备GaN基发光二极管的外延片结构时，P型缓冲层的第一缓冲子层中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，即靠近复合发光层的Al组分高，靠近P型层的Al组分低，既能有效阻挡复合发光层的电子溢出，又能减少对P型层中空穴的阻碍以使空穴高效的流向复合发光层，增加辐射复合效率，以保证发光效率；
而由于碳与铝的亲和力远高于有机源中其他金属，使得在生长第一缓冲子层（AlGaN层）时会引入较高浓度的碳，从而影响第一缓冲子层的晶体质量，因此，本发明通过将第一缓冲子层的生长气压设置为大于或等于预设气压，且预设气压大于或等于第二缓冲子层的生长气压，这样能够使得第一缓冲子层保持在较高的气压环境下，而较高的气压环境，能够使得单位体积内分子与活性原子的数量增加，气相分子之间的相互作用也会加强，活性原子的碰撞几率便会升高，使得活性甲基（含碳）与活性 H 发生反应从而生成CH4气体分子的数量增多，而生成的CH4气体分子会从外延层脱离出去，留在外延层中的碳原子浓度便会减少，最终减少了第一缓冲子层中的碳掺杂量。
以上所述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，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述外延片结构包括：衬底、以及依次外延生长于所述衬底之上的AlN缓冲层、N型层、应力缓冲层、复合发光层、P型缓冲层以及P型层；
其中，所述P型缓冲层包括预设周期个交替层叠的第一缓冲子层和第二缓冲子层，所述第一缓冲子层为AlGaN层，所述第二缓冲子层为GaN层，所述第一缓冲子层中的Al组分随生长周期的递增而逐渐减少，所述第一缓冲子层的生长气压大于或等于预设气压，所述预设气压大于或等于所述第二缓冲子层的生长气压。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述第一缓冲子层的生长气压随生长周期的递增而逐渐降低。
3.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述第一缓冲子层的生长时间随生长周期的递增而逐渐延长。
4.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述第一缓冲子层的生长气压为100-550torr，所述预设气压为100 torr，所述第二缓冲子层的生长气压为20-100torr。
5.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述第一缓冲子层的厚度为3-30nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述P型缓冲层的生长温度范围为850~1100°，总厚度为30-100nm。
7.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管的外延片结构，其特征在于，所述P型缓冲层的单个周期结构中的所述第二缓冲子层生长在所述第一缓冲子层上方。
8.一种GaN基发光二极管的外延片结构的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-7任一项所述的GaN基发光二极管的外延片结构，所述制备方法包括：
提供一衬底并在所述衬底上生长一AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长一N型层；
在所述N型层上生长一应力缓冲层；
在所述应力缓冲层上生长一复合发光层；
在所述复合发光层上生长一P型缓冲层；
及在所述P型缓冲层上生长一P型层；
其中，在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤包括：
在所述复合发光层上周期性的交替生长第一缓冲子层和第二缓冲子层，所述第一缓冲子层为AlGaN层，所述第二缓冲子层为GaN层，随着生长周期数的递增逐渐减少所述第一缓冲子层生长时通入的Al组分含量，且生长所述第一缓冲子层时的气压大于或等于预设气压，所述预设气压大于或等于生长所述第二缓冲子层时的气压。
9.根据权利要求8所述的GaN基发光二极管的外延片结构的制备方法，其特征在于，所述在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤还包括：
在100-550torr的气压环境下生长所述第一缓冲子层，且随着生长周期数的递增逐渐降低所述第一缓冲子层的生长气压。
10.根据权利要求8所述的GaN基发光二极管的外延片结构的制备方法，其特征在于，所述在所述复合发光层上生长一P型缓冲层的步骤还包括：
随着生长周期数的递增逐渐延长所述第一缓冲子层的生长时间，生长出的所述第一缓冲子层的厚度为3-30nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210605057.9A CN114695611B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210605057.9A CN114695611B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114695611A true CN114695611A (zh) | 2022-07-01 |
| CN114695611B CN114695611B (zh) | 2022-08-23 |
Family
ID=82131394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210605057.9A Active CN114695611B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114695611B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003115606A (ja) * | 2001-10-05 | 2003-04-18 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体発光素子 |
| CN102569571A (zh) * | 2012-03-06 | 2012-07-11 | 华灿光电股份有限公司 | 半导体发光二极管及其制造方法 |
| CN104201256A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-10 | 中国科学院半导体研究所 | 低电阻率低温p型铝镓氮材料的制备方法 |
| CN105161582A (zh) * | 2015-09-21 | 2015-12-16 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种采用mocvd技术制备深紫外led的方法 |
| CN106328771A (zh) * | 2015-07-04 | 2017-01-11 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量led外延层的方法 |
| CN113161453A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-07-23 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN113421917A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-09-21 | 广西飓芯科技有限责任公司 | 一种降低p型III-V族半导体材料与接触电极的比接触电阻率的方法 |
| US20220131043A1 (en) * | 2020-10-27 | 2022-04-28 | Nikkiso Co., Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting element and method for manufacturing nitride semiconductor light-emitting element |
| CN114420801A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-29 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片制备方法及外延片 |
-
2022
- 2022-05-31 CN CN202210605057.9A patent/CN114695611B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003115606A (ja) * | 2001-10-05 | 2003-04-18 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体発光素子 |
| CN102569571A (zh) * | 2012-03-06 | 2012-07-11 | 华灿光电股份有限公司 | 半导体发光二极管及其制造方法 |
| CN104201256A (zh) * | 2014-08-26 | 2014-12-10 | 中国科学院半导体研究所 | 低电阻率低温p型铝镓氮材料的制备方法 |
| CN106328771A (zh) * | 2015-07-04 | 2017-01-11 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种在金属氮化镓复合衬底上外延无裂纹高晶体质量led外延层的方法 |
| CN105161582A (zh) * | 2015-09-21 | 2015-12-16 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种采用mocvd技术制备深紫外led的方法 |
| US20220131043A1 (en) * | 2020-10-27 | 2022-04-28 | Nikkiso Co., Ltd. | Nitride semiconductor light-emitting element and method for manufacturing nitride semiconductor light-emitting element |
| CN113161453A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-07-23 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN113421917A (zh) * | 2021-03-09 | 2021-09-21 | 广西飓芯科技有限责任公司 | 一种降低p型III-V族半导体材料与接触电极的比接触电阻率的方法 |
| CN114420801A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-29 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片制备方法及外延片 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114695611B (zh) | 2022-08-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111223764B (zh) | 一种提高辐射复合效率的led外延生长方法 | |
| CN100350639C (zh) | 氮化物半导体led和其制造方法 | |
| KR101001527B1 (ko) | 화합물 반도체 발광 소자용 에피택셜 기판, 이의 제조방법및 발광 소자 | |
| US20080038858A1 (en) | Methods of fabricating group iii nitride based light emitting diode structures with a quantum well and superlattice, group iii nitride based quantum well structures and group iii nitride based superlattice structures | |
| CN105679893B (zh) | 发光二极管外延片制作方法及发光二极管外延片 | |
| KR100649496B1 (ko) | 질화물 반도체 발광소자 및 제조방법 | |
| JP2008205514A (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族窒化物半導体素子 | |
| CN115188863B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN114695612B (zh) | 一种氮化镓基发光二极管外延结构及其制备方法 | |
| CN114649454B (zh) | 一种发光二极管的外延片结构及其制备方法 | |
| JPH08139361A (ja) | 化合物半導体発光素子 | |
| CN116130569B (zh) | 一种高效发光二极管及制备方法 | |
| CN217641376U (zh) | 一种led外延片及led芯片 | |
| CN114883462A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法 | |
| KR100770440B1 (ko) | 질화물 반도체 발광소자 | |
| CN114566576A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116014041B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN110085713B (zh) | 一种带有插入层的多量子阱发光二极管及其制备方法 | |
| CN114695611B (zh) | 一种GaN基发光二极管的外延片结构及其制备方法 | |
| KR20140094807A (ko) | 발광소자 | |
| CN214254446U (zh) | 一种半导体外延结构及led芯片 | |
| CN111326622A (zh) | 一种基于空穴调整层的发光二极管 | |
| CN112420884B (zh) | 一种led外延多量子阱层生长方法 | |
| CN112599647A (zh) | Led外延多量子阱层生长方法 | |
| KR100881053B1 (ko) | 질화물계 발광소자 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |