GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法，屬于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。所述方法包括：提供一襯底；在該襯底上依次生長緩沖層、未摻雜的GaN層、n型層、多量子阱層和p型層，該多量子阱層為超晶格結(jié)構(gòu)，每個周期包括量子阱層和量子壘層，緊鄰p型層的至少2層量子壘層的生長溫度高于除了至少2層量子壘層以外的量子壘層的生長溫度。本發(fā)明通過使靠近n型層的量子壘層生長溫度較低，晶體的質(zhì)量較差，將應(yīng)力逐步釋放，從而降低壓電極化效應(yīng)，進而有利于靠近p型層的量子壘層的生長，且靠近p型層的量子壘層由于生長溫度較高，晶體的質(zhì)量得到很好的改善，降低了半寬高，進一步提高電子和空穴的復(fù)合幾率，從而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
【專利說明】GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]LED (Lighting Emitting Diode,發(fā)光二極管)因其體積小、耗電量低、使用壽命長、亮度高、熱量低、環(huán)保、耐用等優(yōu)點，被稱為21世紀最有發(fā)展前景的綠色照明光源。GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，GaN及其合金的帶隙復(fù)蓋了從紅色到紫外的光譜范圍。同時，GaN材料系列具有低熱的產(chǎn)生率和高的擊穿電場，有利于器件在大功率條件下工作。因此，GaN材料系列被廣泛應(yīng)用于LED中。
[0003]現(xiàn)有的GaN基發(fā)光二極管的外延片通常包括襯底、以及依次生長在襯底上的緩沖層、N型層、多量子阱層、電子阻擋層和P型層，其中，多量子阱層的結(jié)構(gòu)是InGaN量子阱層和GaN量子壘層，對載流子起限制作用。
[0004]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0005]由于GaN量子壘層和InGaN量子阱層之間的晶格失配，使得多量子阱層的壓電極化電場的作用較強，InGaN量子阱層和GaN量子壘層的能帶彎曲度變大，減弱了對載流子的束縛能力，容易形成漏電流，因此GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中多量子阱層的壓電極化電場作用較強導(dǎo)致的GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率較低的問題，本發(fā)明實施例提供了一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法。所述技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明實施例提供了一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法，所述方法包括:
[0008]提供一襯底；
[0009]在所述襯底上依次生長緩沖層、未摻雜的GaN層、η型層、多量子阱層和P型層，所述多量子阱層為超晶格結(jié)構(gòu)，所述多量子阱層的每個周期包括量子阱層和在量子阱層上生長的量子壘層，緊鄰所述P型層的至少2層量子壘層的生長溫度高于除了所述至少2層量子壘層以外的量子壘層的生長溫度。
[0010]優(yōu)選地，從所述η型層一側(cè)開始，所述至少2層量子壘層的生長溫度是逐漸升高的或者是保持不變的。
[0011]優(yōu)選地，從所述η型層一側(cè)開始，除了所述至少2層量子壘層以外的多層所述量子壘層的生長溫度是保持不變的，或者是逐漸升高的，或者是先逐漸升高再保持不變的，或者所述至少2層量子壘層的生長溫度是先逐漸升高再逐漸降低的。
[0012]進一步地，每層所述量子壘層的生長溫度先逐漸升高再保持不變再逐漸降低，或者每層所述量子壘層的生長溫度先逐漸升高再逐漸降低。[0013]進一步地，所述多量子阱層的所有所述量子壘層的生長溫度中的最高溫度與最低溫度的差值為5°C~50°C，所述最低溫度為900°C。
[0014]可選地，所述量子阱層的生長溫度大于或等于700°C，且小于900°C。
[0015]可選地，緊鄰所述P型層的量子壘層的生長厚度小于除了緊鄰所述P型層的量子壘層以外的量子壘層的生長厚度。
[0016]進一步地，從所述η型層一側(cè)開始，所述多量子阱層中的所有所述量子壘層的生長厚度逐漸減薄，或者所有所述量子壘層的生長厚度先保持不變再逐漸減薄。
[0017]優(yōu)選地,每層所述量子魚層的厚度為8nm~20nm。
[0018]可選地,所述量子講層的生長壓力為IOOTorr~500Torr,所述量子魚層的生長壓力高于所述量子阱層的生長壓力。
[0019]本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:
[0020]通過使量子壘層的生長溫度為變化的，緊鄰P型層的至少2層量子壘層的溫度高于其他量子壘層的溫度，這樣靠近η型層的量子壘層由于生長溫度較低，晶體的質(zhì)量較差，可以將多量子阱層的應(yīng)力逐步釋放，從而降低壓電極化效應(yīng)，且由于靠近P型層的量子壘層由于生長溫度較高，晶體的質(zhì)量得到很好的改善，降低了半寬高，進一步提高電子和空穴的復(fù)合機率，從而提聞GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
【專利附圖】

【附圖說明】 [0021]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0022]圖1是本發(fā)明實施例一提供的一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法流程圖；
[0023]圖1a-1d是本發(fā)明實施例一提供的多量子阱層的生長溫度的變化的示意圖；
[0024]圖1e是圖1a提供的多量子阱層的另一種生長溫度的變化的示意圖；
[0025]圖1f是本發(fā)明實施例一提供的一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實施例二提供的多量子阱層的生長溫度和生長時間的變化的示意圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0028]實施例一
[0029]本發(fā)明實施例提供了一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法，參見圖1，該方法包括:
[0030]步驟101:提供一襯底。
[0031]該襯底包括但不限于藍寶石襯底。
[0032]實現(xiàn)時，可以將藍寶石襯底在MOCVD (Metal-organic Chemical VaporDeposition金屬有機化合物化學(xué)氣相沉淀)反應(yīng)腔中加熱至1060°C,在氫氣氣氛里對藍寶石襯底進行退火處理以及氮化處理10分鐘，以清潔襯底表面。
[0033]步驟102:在襯底上依次生長緩沖層、未摻雜的GaN層和η型層。
[0034]其中，緩沖層可以為氮化鎵層、氮化鋁層或鋁鎵氮層等。
[0035]η型層可以為Si摻雜的GaN層，但不限于Si摻雜。實現(xiàn)時，可以選用硅烷完成η型層中的硅摻雜。該η型層可以為單層結(jié)構(gòu)也可以為多層結(jié)構(gòu)。
[0036]步驟103:在η型層上生長多量子阱層，該多量子阱層為超晶格結(jié)構(gòu)，該多量子阱層的每個周期包括量子阱層和在量子阱層上生長的量子壘層，緊鄰P型層的至少2層量子壘層的生長溫度高于除了至少2層量子壘層以外的量子壘層的生長溫度。
[0037]其中，從η型層一側(cè)開始，至少2層量子壘層的生長溫度可以逐漸升高，或者至少2層量子壘層的生長溫度是也可以保持不變。例如，至少2層量子壘層剛好為2層時，則其生長方式可以是，這2層的溫度相同(例如都為930°C)，還可以是從η型層一側(cè)開始，一層為933°C，而另一層的溫度為935°C。[0038]在本實施例中，量子阱層為InGaN量子阱層。量子阱層的生長溫度是保持不變的，且低于量子壘層的生長溫度。具體地，量子阱層的生長溫度大于等于700°C，且小于900°C。優(yōu)選的量子阱層的生長溫度為850°C。
[0039]實現(xiàn)時，多量子阱層的所有量子壘層的生長溫度中的最高溫度與最低溫度的差值為5°C~50°C，其中，最低溫度可以為900°C。需要說明的是，最低生長溫度會受到發(fā)光二極管生長的光的類型以及其他的外部生長環(huán)境的影響，具體的可以根據(jù)實際生長情況做適當?shù)恼{(diào)整。這里的最低溫度為生長白光發(fā)光二極管。
[0040]在本實施例中，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度可以是不變的，也可以是變化的，例如，逐漸升高，或者先逐漸升高再逐漸降低，或者先逐漸升高再保持不變。
[0041]在一種實現(xiàn)方式中，從η型層一側(cè)開始，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度是逐漸升高的，且至少2層量子壘層的生長溫度是逐漸升高的。參見圖la，所有的量子阱層均采用Tqw的溫度生長。假設(shè)量子壘層的生長溫度是，第一層量子壘層采用Tqbi溫度生長，第二層量子壘層采用Tqb2溫度生長，第η層量子壘層采用Teen溫度生長，并且各個量子壘層的生長溫度的關(guān)系為:TQB1 < Tqb2 <...< Teen, 5°C ^ T‘1^ ( 50°C。容易理解的，在這種實現(xiàn)方式中，多量子阱層的各個量子壘層的生長溫度均不同，其中Tqbi的溫度最低，Teen的溫度最高，這樣靠近η型GaN —側(cè)量子壘層的生長溫度較低，生長的量子壘層晶體質(zhì)量較差，可以釋放底層及多量子阱層所產(chǎn)生的應(yīng)力，同時，靠近P型層的量子壘層由于生長溫度較高，晶體的質(zhì)量得到很好的改善，可以提高電子和空穴的復(fù)合機率，從而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
[0042]在另一種實現(xiàn)方式中，從η型層一側(cè)開始，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度是先逐漸升高再保持不變的，且至少2層量子壘層的生長溫度是保持不變的。參見圖lb，所有的量子阱層均采用Tqw的溫度生長。以生長7層量子壘層為例，并假設(shè)量子壘層的生長溫度是，第一層量子壘層采用TqBI溫度生長，第二層量子壘層采用Tqb2溫度生長，第三層量子壘層采用Tqb3溫度生長，第四層量子壘層采用Tqb4溫度生長，第5層量子壘層采用Tqb5溫度生長，第6層量子壘層采用Tqb6溫度生長，第7層量子壘層采用Tqb7溫度生長，則，Tqbi < Tqb2 < TQB3,且并且 5°C < Tqb6-Tqbi < 50°C。采用這種方
式來改變量子壘層的生長溫度，由于只是使生長溫度先逐漸升高，然后保持不變，生長條件比較容易控制，實現(xiàn)較為簡單。容易理解的，在其他實現(xiàn)方式中，至少2層量子壘層的生長溫度也可以是逐漸升高的。
[0043]在又一種實現(xiàn)方式中，從η型層一側(cè)開始，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度是先逐漸升高再逐漸降低的，且至少2層量子壘層的生長溫度是保持不變的。參見圖lc，所有的量子阱層均采用Tqw的溫度生長。以生長6層量子壘層為例，并假設(shè)量子壘層的生長溫度是，第一層量子壘層采用Tqbi溫度生長，第二層量子壘層采用Tqb2溫度生長，第三層量子壘層采用Tqb3溫度生長，第四層量子壘層采用Tqb4溫度生長，第5層量子壘層采用Tqb5溫度生長，第6層量子壘層采用Tqb6溫度生長，第7層量子壘層采用Tqb7溫度生長，并且各個量子壘層的生長溫度的關(guān)系為:TQB1 < Tqb2 < Tqb3,且Wq^Tqb5, Tqb6=Tq^Tqb3,5°C≤Tqb7-Tqbi≤50°C?？梢岳斫獾?，還可以是Tqb3不等于TQR；。容易理解的，在其他實現(xiàn)方式中，至少2層量子壘層的生長溫度也可以是逐漸升高的。
[0044]需要說明的是，與示例性圖1b和Ic對應(yīng)的生長方式，從η型層一側(cè)開始，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度可以是周期性的先逐漸升高再保持不變，或者周期性的先逐漸升高再逐漸降低，例如，在圖1b和圖1c中，也可以將Tqbi至Tqb5看作一個變化周期。
[0045]在又一種實現(xiàn)方式中，從η型層一側(cè)開始，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度是保持不變的，且至少2層量子壘層的生長溫度是保持不變的。參見圖ld，所有的量子阱層均采用Tqw的溫度生長。假設(shè)量子壘層的生長溫度是，第一層量子壘層采用Tqb1溫度生長，Tqb1=Tqb2 =...，弟二層星子魚層米用Tqb2溫度生長，弟Π層星子魚層采用Teen溫度生長，則， 并且5°C≤( 50°C。采用這種方式來改變量子壘層的生長溫度，由于生長溫度的一直保持不變，生長條件比較容易控制，實現(xiàn)最為簡單。容易理解的，在其他實現(xiàn)方式中，至少2層量子壘層的生長溫度也可以是逐漸升高的。
[0046]容易理解的，在以上四種實現(xiàn)方式中，靠近P型層的量子壘層的晶體質(zhì)量要高于靠近η型層的量子壘層的晶體質(zhì)量，而多量子阱層的發(fā)光區(qū)主要靠近P型層，這樣可以提高電子和空穴的復(fù)合機率，降低了半寬高，從而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
[0047]在其他實施例中，從η型層一側(cè)開始，除了至少2層量子壘層以外的多層量子壘層的生長溫度還可以是先逐漸降低再逐漸升高。容易理解地，在這種實現(xiàn)方式中仍然需要保證緊鄰P型層的至少2層量子壘層的溫度高于除了至少2層量子壘層以外的量子壘層的溫度。
[0048]在本實施例中，每層量子壘層的生長溫度可以是先逐漸升高再保持不變再逐漸降低，或者每層量子壘層的生長溫度也可以是先逐漸升高再逐漸降低。容易理解地，由于在從量子阱層的生長溫度升高到量子壘層的生長溫度的過程中，以及從量子壘層的生長溫度降低到量子阱層的生長溫度的過程中，均是在生長量子壘層，所以每層量子壘層的生長溫度也是變化的，且至少會經(jīng)歷先升高，再降低的過程。當多層量子壘層采用如圖1a-1d的生長模式生長時，每層量子壘層的生長溫度還有保持恒溫的過程。
[0049]具體地，以生長I層量子阱層和I層量子壘層為例來說明多量子阱層的生長過程，參見圖la-ld，首先采用Tqw生長第一層量子阱層，然后逐漸升溫至Tqbi并保持一段時間(即采用恒溫)，再逐漸降溫至TQW，在從Tqw逐漸升溫至Tqbi并保持一段時間以及再逐漸降溫至Tqw的過程生長第一層量子壘層。
[0050]在其他實施例中，多量子阱層的生長過程還可以是，在生長量子壘層的過程中不包括恒溫的部分。仍以生長I層量子阱層和I層量子壘層為例來說明。參見圖le，首先采用Tqw生長第一層量子阱層，然后逐漸升溫至Tqbi，再逐漸降溫至TQW，在從Tqw逐漸升溫至Tqbi并逐漸降溫至Tqw的過程生長第二層量子壘層。容易理解地，圖1b-1d也可以采用不包括恒溫的部分，其與圖1e類似，在此不再贅述。
[0051]上述舉例僅用于說明本發(fā)明的量子壘層的生長溫度的變化，具體的量子壘層的生長溫度與層數(shù)關(guān)系可以根據(jù)實際需要設(shè)置，本發(fā)明對此不作限制。
[0052]在本實施例中，量子壘層的厚度為8nm~20nm。量子阱層的生長壓力為100Torr~500Torr，量子壘層的生長壓力高于所述量子阱層的生長壓力。
[0053]步驟105:在多量子阱層上生長P型層。
[0054]P型層可以是Mg摻雜的GaN層，但不限于Mg摻雜。具體地，可以選用二茂鎂對P型層進行鎂摻雜。該P型層可以為單層結(jié)構(gòu)也可以為多層結(jié)構(gòu)。
[0055]可選地，該方法還可以包括:在多量子阱層和生長P型電子阻擋層，以增強多量子阱層束縛電子的能力。該步驟在步驟105之前執(zhí)行。
[0056]需要說明的是，在實現(xiàn)過程中，可以以高純NH3作為氮源，三甲基鎵作為鎵源，三甲基銦作為銦源，三甲基鋁作為鋁源來制備與該方法對應(yīng)的外延片。
[0057]參見圖1f，根據(jù)該方法制備的外延片可以包括襯底I以及在襯底I上依次生長的緩沖層2、未摻雜的GaN層3、n型層4、多量子阱層5、p型電子阻擋層6和p型層7，多量子阱層5為超晶格結(jié)構(gòu)，多量子阱層5的每個周期包括量子阱層5a和在量子阱層5a上生長的量子壘層5b。
[0058]本發(fā)明實施例通過使量子壘層的生長溫度為變化的，緊鄰P型層的至少2層量子壘層的溫度高于其他量子壘層的溫度，這樣靠近η型層的量子壘層由于生長溫度較低，晶體的質(zhì)量較差，可以將多量子阱層的應(yīng)力逐步釋放，從而降低壓電極化效應(yīng)，且由于靠近P型層的量子壘層由于生長溫度較高，晶體的質(zhì)量得到很好的改善，降低了半寬高，進一步提聞電子和空穴的復(fù)合機率，從而提聞GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
[0059]實施例二
[0060]本發(fā)明實施例提供了一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法，本實施例中的外延片的制備方法基本與實施例一相同，不同之處在于，緊鄰P型層的量子壘層的生長厚度小于除了緊鄰P型層的量子壘層以外的量子壘層的生長厚度。
[0061]具體時，從n型層一側(cè)開始，多量子阱層中的所有量子壘層的生長厚度逐漸減薄，或者所有量子壘層的生長厚度先保持不變再逐漸減薄。
[0062]實現(xiàn)時，量子壘層的生長厚度可以通過改變量子壘層的生長時間或者生長速率來控制。具體地，量子壘層的生長厚度與生長時間成正比。在其他的生長條件不變的條件下，可以縮短量子壘層的生長時間以減薄其生長厚度。例如，參見圖2，通過逐漸縮短生長時間以使多層量子壘層的生長厚度從η型層一側(cè)開始逐漸變薄。對于量子壘層來說，在其他的生長條件不變的條件下，其生長速率與生長壓力成反比，而與TMGa源的通入量成正比，故控制量子壘層的生長速率可以包括調(diào)整TMGa (三甲基鎵)源的通入量或改變量子壘層的生長壓力。
[0063]在本實施例中，每層量子壘層的生長厚度為8nm?20nm。優(yōu)選地，量子阱層的生長壓力為IOOTorr?500TOrr，量子壘層的生長壓力高于量子阱層的生長壓力。
[0064]本發(fā)明實施例通過使量子壘層的生長溫度為變化的，緊鄰P型層的至少2層量子壘層的溫度高于其他量子壘層的溫度，這樣靠近η型層的量子壘層由于生長溫度較低，晶體的質(zhì)量較差，可以將多量子阱層的應(yīng)力逐步釋放，從而降低壓電極化效應(yīng)，且由于靠近P型層的量子壘層由于生長溫度較高，晶體的質(zhì)量得到很好的改善，降低了半寬高，進一步提高電子和空穴的復(fù)合機率，從而提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。另外，采用生長厚度不同的量子壘層，使靠近η型層的量子壘層的厚度較厚，可以更好地阻擋電子，將更多的電子限制在量子阱層中，而靠近P型層的量子壘層的厚度較薄，P型層中的空穴可以更容易進入到量子阱層中與電子復(fù)合發(fā)光，從而進一步提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
[0065]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種GaN基發(fā)光二極管的外延片的制備方法,所述方法包括: 提供一襯底； 在所述襯底上依次生長緩沖層、未摻雜的GaN層、η型層、多量子阱層和P型層，所述多量子阱層為超晶格結(jié)構(gòu)，所述多量子阱層的每個周期包括量子阱層和在量子阱層上生長的量子壘層，其特征在于， 緊鄰所述P型層的至少2層量子壘層的生長溫度高于除了所述至少2層量子壘層以外的量子壘層的生長溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從所述η型層一側(cè)開始，所述至少2層量子壘層的生長溫度是逐漸升高的，或者所述至少2層量子壘層的生長溫度是保持不變的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從所述η型層一側(cè)開始，除了所述至少2層量子壘層以外的多層所述量子壘層的生長溫度是保持不變的，或者是逐漸升高的，或者是先逐漸升高再保持不變的，或者是先逐漸升高再逐漸降低的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每層所述量子壘層的生長溫度先逐漸升高再保持不變再逐漸降低，或者每層所述量子壘層的生長溫度先逐漸升高再逐漸降低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述多量子阱層的所有所述量子壘層的生長溫度中的最高溫度與最低溫度的差值為5°C~50°C，所述最低溫度為900°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述量子阱層的生長溫度大于或等于700°C，且小 于900°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，緊鄰所述P型層的量子壘層的生長厚度小于除了緊鄰所述P型層的量子壘層以外的量子壘層的生長厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，從所述η型層一側(cè)開始，所述多量子阱層中的所有所述量子壘層的生長厚度逐漸減薄，或者所有所述量子壘層的生長厚度先保持不變再逐漸減薄。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，每層所述量子壘層的厚度為8nm ~20nmo
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的方法，其特征在于，所述量子阱層的生長壓力為IOOTorr~500TOrr，所述量子壘層的生長壓力高于所述量子阱層的生長壓力。
【文檔編號】H01L33/00GK103904171SQ201410072074
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】武艷萍, 魏世禎, 謝文明 申請人:華燦光電(蘇州）有限公司