CN218039254U

CN218039254U - 氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管

Info

Publication number: CN218039254U
Application number: CN202221973703.9U
Authority: CN
Inventors: 曾家明; 郑文杰; 程龙; 高虹; 刘春杨; 胡加辉
Original assignee: Jiangxi Zhao Chi Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Zhao Chi Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2032-07-28

Abstract

本实用新型提供一种氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管，包括衬底基板以及依次生长于衬底基板上的缓冲过渡层、第一导电型GaN层、多量子阱层以及第二导电型GaN层；缓冲过渡层包括依次层叠的缓冲子层以及过渡子层，过渡子层包括依次层叠的第一过渡复合层、第一过渡插入层、第二过渡复合层以及第三过渡复合层；第一过渡复合层包括多组交替生长的AlGaN层和未掺杂GaN层，第二过渡复合层包括多组交替生长的InGaN层和未掺杂GaN层，第三过渡复合层包括多组交替生长的MgN层和未掺杂GaN层。本实用新型提出的氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管，能够改善衬底和外延层因晶格失配引起的位错缺陷密度大以及晶体质量差的问题。

Description

氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管。

背景技术

发光二极管(Light emitting diodes，LED)是一种电致发光器件，具有节能、环保、安全、寿命长、功耗低、亮度高、防水、微型、光束集中、维护简便等优点，被广泛应用在交通信号灯、路灯以及大面积显示等领域。特别是氮化物材料的蓝光发光二极管，是现在白光固态照明发展的基础，更是目前研究的热点。

氮化镓(GaN)半导体材料具有直接宽带隙、电子饱和漂移速度快，热导率高和等优异特性，当前氮化镓(GaN)基LED在固态照明、紫外杀菌消毒、新型显示领域等方面具有重要应用价值。目前GaN基蓝绿紫光LED常采用异质外延的方法生长在蓝宝石、碳化硅、硅衬底上。

现有技术中，由于衬底与氮化镓基材料之间的晶格差异较大，为了解决异质外延晶格失配的问题，氮化物发光二极管的外延生长时都会在衬底与外延层之间加入缓冲单层来过渡，但是在氮化物发光二极管异质外延的生长过程中，采用缓冲单层来过渡的方式并未充分提升氮化镓基发光二极管的性能，还是会存在由衬底和外延层晶格失配引起的位错缺陷密度大、晶体质量差的问题。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的是提供一种氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管，以解决传统技术中因采用缓冲层来过渡的方式并未充分提升氮化镓基发光二极管的性能，导致衬底和外延层晶格失配引起的位错缺陷密度大、晶体质量差的问题。

一种氮化镓基外延片，包括衬底基板以及依次生长于所述衬底基板上的缓冲过渡层、第一导电型GaN层、多量子阱层以及第二导电型GaN层；

所述缓冲过渡层包括依次层叠的缓冲子层以及过渡子层，所述过渡子层包括依次层叠的第一过渡复合层、第一过渡插入层、第二过渡复合层以及第三过渡复合层；

其中，所述第一过渡复合层包括多组交替生长的AlGaN层和未掺杂GaN层，所述第二过渡复合层包括多组交替生长的InGaN层和未掺杂GaN层，所述第三过渡复合层包括多组交替生长的MgN层和未掺杂GaN层。

综上，根据本实用新型提出的一种氮化镓基外延片，通过在衬底和第一导电型GaN层之间设置过渡子层，以交替性生长多组AlGaN层和未掺杂GaN层作为第一过渡复合层，再生长一层AlInGaN层作为第一过渡插入层，然后接着交替性生长多组InGaN层和未掺杂GaN层作为第二过渡复合层，最后交替性生长多组MgN层和未掺杂GaN层作为第三过渡复合层，其中引入的第一过渡复合层和第一过渡插入层能够降低缓冲子层与后续外延层的晶格失配，引入的第二过渡复合层由于In的并入能够改变外延层表面结构和表面性能，提高反应物原子在表面的迁移率，进而提高填充位错缺陷能力，从而提高晶体质量，引入的第三过渡复合层，其包含的MgN层因Mg原子的加入有助于GaN外延层的侧向生长，增强其侧向生长覆盖能力，起到平坦表面，降低表面粗糙度，阻挡位错延伸的作用，进而达到充分提升氮化镓基外延片的性能的目的。

进一步的，所述缓冲子层为AlN层，所述第一过渡插入层为AlInGaN层，所述第一过渡插入层的厚度为10～20nm，所述缓冲子层的厚度为5～20nm。

进一步的，所述第一过渡复合层中的每个AlGaN层的厚度为2～5nm，所述第一过渡复合层中的每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm。

进一步的，所述第二过渡复合层中的每个InGaN层的厚度为2～5nm，所述第二过渡复合层中的每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm。

进一步的，所述第三过渡复合层中的每个MgN层的厚度为2～5nm，所述第三过渡复合层中的每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm。

进一步的，所述第一导电型GaN层包括第一预设周期个交替生长的第一导电子层、第一导电插入层以及第二导电子层，所述第一导电插入层包括依次层叠的InGaN层、AlGaN层以及AlN层。

进一步的，所述第一预设周期为3～8，每个所述第一导电子层的厚度为20～50nm，每个所述第二导电子层的厚度为20～50nm，所述第一导电插入层中的每个InGaN层、每个AlGaN层以及每个AlN层的厚度均为2～5nm。

进一步的，所述第二导电型GaN层包括第二预设周期个交替生长的第三导电子层、第二导电插入层以及第四导电子层，所述第二导电插入层包括依次层叠的AlN层、AlGaN层以及InGaN层。

进一步的，第二预设周期为3～8，第三导电子层的厚度为和第四导电子层的厚度均为10～20nm，所述第二导电插入层中的每个InGaN层、每个AlGaN以及每个AlN层的厚度均为2～5nm。

另一方面，本实用新型还提出一种氮化镓基发光二极管，包括上述的氮化镓基外延片。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中的氮化镓基外延片的结构示意图。

主要元件符号说明：

衬底基板	10	缓冲过渡层	20
				第一导电型GaN层	30	多量子阱层	40
第二导电型GaN层	50	缓冲子层	201
				过渡子层	202	第一过渡复合层	2021
第一过渡插入层	2022	第二过渡复合层	2023
				第三过渡复合层	2024	第一导电子层	301
第一导电插入层	302	第二导电子层	303
				第三导电子层	501	第二导电插入层	502
第四导电子层	503

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型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实用新型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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。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，所示为本实用新型第一实施例中的氮化镓基外延片的结构示意图，该氮化镓基外延片包括衬底基板10以及依次生长于所述衬底基板10上的缓冲过渡层20、第一导电型GaN层30、多量子阱层40以及第二导电型GaN层50，其中：

缓冲过渡层20具体包括依次层叠的缓冲子层201以及过渡子层202，在本实施例中，该缓冲子层201为AlN层，其厚度一般为5～20nm，具体可设置为5nm、10nm以及20nm等等。

该所述缓冲过渡层20包括依次层叠的缓冲子层201以及过渡子层202，所述过渡子层202包括依次层叠的第一过渡复合层2021、第一过渡插入层2022、第二过渡复合层2023以及第三过渡复合层2024，在本实施例中，所述第一过渡复合层2021包括多组交替生长的AlGaN层和未掺杂GaN层，且在所述第一过渡复合层2021中，每个AlGaN层的厚度为2～5nm，每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm，该第一过渡复合层2021一般包括2～5组，且越远离所述缓冲子层201的AlGaN层的Al含量越低，该第一过渡插入层2022为AlInGaN层，所述第一过渡插入层2022的厚度为10～20nm，引入的第一过渡复合层2021和第一过渡插入层2022能够降低缓冲子层201与后续外延层的晶格失配。

进一步地，该第二过渡复合层2023包括多组交替生长的InGaN层和未掺杂GaN层，在本实施例中，对于所述第二过渡复合层2023，其每个InGaN层的厚度为2～5nm，每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm，共2～5组，且越远离所述缓冲子层201的InGaN层的In含量越高，通过引入的第二过渡复合层2023，由于高温In的并入能够改变外延层表面结构和表面能，提高反应物原子在表面的迁移率，提高填充位错缺陷能力，从而提高晶体质量。

还需说明的是，所述第三过渡复合层2024包括多组交替生长的MgN层和未掺杂GaN层，在本实施例中，该第三过渡复合层2024共包括2至5组，且其中的每个MgN层的厚度为2～5nm，每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm，通过设置第三过渡复合层2024，由于Mg原子的作用有助于GaN外延层的侧向生长，增强其侧向生长覆盖能力，起到平坦表面，降低表面粗糙度，阻挡位错延伸的作用。

具体的，所述第一导电型GaN层30包括第一预设周期个交替生长的第一导电子层301、第一导电插入层302以及第二导电子层303，所述第一导电插入层302包括依次层叠的InGaN层、AlGaN层以及AlN层，在本实施例中，该第一导电子层301为第一N型掺杂GaN层，第二导电子层303为第二N型掺杂GaN层，在所述第一导电型GaN层30中，第一预设周期为3～8，其每个所述第一N型掺杂GaN层的厚度为20～50nm，每个所述第二N型掺杂GaN层的厚度为20～50nm，对于第一导电插入层302，其每个InGaN层的厚度为2～5nm，每个AlGaN层为2～5nm，每个AlN层的厚度为2～5nm；每个周期中的所述第一N型掺杂GaN层的掺杂浓度大于所述第二N型掺杂GaN层的掺杂浓度，一个周期中的所述第二N型掺杂GaN层的掺杂浓度大于与其相邻周期的所述第一N型掺杂GaN层的掺杂浓度，即越靠近所述多量子阱层40的掺杂浓度越大，由于InGaN材料禁带宽度小于GaN材料，AlN材料禁带宽度大于GaN材料，因此，通过在所述第一导电型GaN层30中引入由InGaN层、AlGaN层以及AlN层组成的N型插入层，通过InGaN层和AlN层分别使得势垒降低和升高，同等掺杂条件下形成的二维电子气浓度更高，从而大大提升电流扩展能力；并通过所述AlGaN层降低InGaN层和AlN层的晶格失配，提高后续发光层的长晶质量。

可以理解的，该第二导电型GaN层50包括第二预设周期个交替生长的第三导电子层501、第二导电插入层502以及第四导电子层503，所述第二导电插入层502包括依次层叠的AlN层、AlGaN层以及InGaN层，在本实施例中，第二预设周期为3～8，第三导电子层501为第一P型掺杂GaN层，第四导电子层503为第二P型掺杂GaN层，且每个所述第一P型掺杂GaN层的厚度为10～20nm，每个所述第二P型掺杂GaN层的厚度为10～20nm，在第二导电插入层502中，其每个InGaN层的厚度为2～5nm，每个AlGaN层为2～5nm，每个AlN层的厚度为2～5nm；每个周期中的所述第一P型掺杂GaN层的掺杂浓度小于所述第二P型掺杂GaN层的掺杂浓度，一个周期中的所述第二P型掺杂GaN层的掺杂浓度小于与其相邻周期的所述第一P型掺杂GaN层的掺杂浓度，即越靠近所述多量子阱层40的P型掺杂浓度越小。通过设置第二导电型GaN层50，由于InGaN材料禁带宽度小于GaN材料，AlN材料禁带宽度大于GaN材料，因此，通过在所述第二导电型GaN层50中引入由InGaN层、AlGaN层以及AlN层组成的N型插入层，通过InGaN层和AlN层分别使得势垒降低和升高，同等掺杂条件下形成的二维电子气浓度更高，从而大大提升电流扩展能力；并通过所述AlGaN层降低InGaN层和AlN层的晶格失配，提高后续外延层的长晶质量。

本实用新型另一方面还提供一种氮化镓基发光二极管，该氮化镓基发光二极管包括上述实施例中的氮化镓基外延片。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种氮化镓基外延片，其特征在于，包括衬底基板以及依次生长于所述衬底基板上的缓冲过渡层、第一导电型GaN层、多量子阱层以及第二导电型GaN层；

2.根据权利要求1所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述缓冲子层为AlN层，所述第一过渡插入层为AlInGaN层，所述第一过渡插入层的厚度为10～20nm，所述缓冲子层的厚度为5～20nm。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述第一过渡复合层中的每个AlGaN层的厚度为2～5nm，所述第一过渡复合层中的每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述第二过渡复合层中的每个InGaN层的厚度为2～5nm，所述第二过渡复合层中的每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述第三过渡复合层中的每个MgN层的厚度为2～5nm，所述第三过渡复合层中的每个未掺杂GaN层的厚度为50～100nm。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述第一导电型GaN层包括第一预设周期个交替生长的第一导电子层、第一导电插入层以及第二导电子层，所述第一导电插入层包括依次层叠的InGaN层、AlGaN层以及AlN层。

7.根据权利要求6所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述第一预设周期为3～8，每个所述第一导电子层的厚度为20～50nm，每个所述第二导电子层的厚度为20～50nm，所述第一导电插入层中的每个InGaN层、每个AlGaN层以及每个AlN层的厚度均为2～5nm。

8.根据权利要求1所述的氮化镓基外延片，其特征在于，所述第二导电型GaN层包括第二预设周期个交替生长的第三导电子层、第二导电插入层以及第四导电子层，所述第二导电插入层包括依次层叠的AlN层、AlGaN层以及InGaN层。

9.根据权利要求8所述的氮化镓基外延片，其特征在于，第二预设周期为3～8，第三导电子层的厚度为和第四导电子层的厚度均为10～20nm，所述第二导电插入层中的每个InGaN层、每个AlGaN以及每个AlN层的厚度均为2～5nm。

10.一种氮化镓基发光二极管，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的氮化镓基外延片。