本發(fā)明涉及發(fā)光二極管領(lǐng)域，特別涉及一種GaN基發(fā)光二極管外延片及其制造方法。

背景技術(shù)：

作為人們一直以來關(guān)注的熱點，GaN材料在發(fā)光二極管(英文：Light Emitting Diode，簡稱：LED)器件上應用十分普遍，用GaN研制的發(fā)光二極管顏色純正，亮度高，能耗低，廣泛應用于照明、醫(yī)療、顯示、信號、玩具等眾多領(lǐng)域。

然而隨著LED應用范圍的不斷擴大，人們對新一代的LED的要求也更高，為了滿足廣大客戶的需求，需要LED具有較高的光效和較強的抗靜電能力。通常，抗靜電能力越強的LED在使用的過程中就會表現(xiàn)出越好的電學穩(wěn)定性，光效越高的LED在使用的過程中就會表現(xiàn)出越好的光學性能，因此抗靜電能力和光效的提高對于改善LED的光電性能具有重大意義。

傳統(tǒng)的GaN基LED普遍采用在n型層后面直接生長與其同溫同壓的AlGaN或Al_xGaN/Al_yGaN(x≠y)層作為電流擴展層，這樣的結(jié)構(gòu)在一定程度上可以增加電流的擴展，但是同時會導致后面直接生長的InGaN應力釋放層生長窗口很窄，且容易引入新的缺陷，其效果有限，不利于外延工藝的控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有電流擴展層會導致后面直接生長的InGaN應力釋放層生長窗口很窄，且容易引入新的缺陷，其效果有限的問題，本發(fā)明實施例提供了一種GaN基發(fā)光二極管外延片及其制造方法。所述技術(shù)方案如下：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種GaN基發(fā)光二極管外延片，所述GaN基發(fā)光二極管外延片包括：襯底，依次覆蓋在所述襯底上的緩沖層、三維成長層、u-GaN層、n型層、n型電流擴展層、應力釋放層、多量子阱層和p型層，所述n型電流擴展層包括覆蓋在所述n型層上的第一子層以及覆蓋在所述第一子層上的第二子層，所述第一子層為AlGaN層，所述第二子層為不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層形成的超晶格結(jié)構(gòu)，所述第一子層的生長溫度高于所述n型層以及所述第二子層的生長溫度，所述第二子層的生長壓力高于所述第一子層的生長壓力。

在本發(fā)明實施例的一種實現(xiàn)方式中，所述第一子層的生長溫度比所述n型層的生長溫度高15℃～40℃。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第二子層的生長溫度小于或等于所述n型層的生長溫度。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第一子層中的Al的含量沿著所述GaN基發(fā)光二極管外延片的生長方向先減小后增加，且所述第一子層中的Al總量不超過10²¹cm^-3。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第一子層的厚度為50nm～130nm。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第二子層的厚度為所述第一子層的厚度3～4倍。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第二子層中超晶格的對數(shù)為3～12。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種GaN基發(fā)光二極管外延片的制造方法，所述制造方法包括：

提供一襯底；

在所述襯底上依次生長緩沖層、三維成長層、u-GaN層、n型層、n型電流擴展層、應力釋放層、多量子阱層和p型層，所述n型電流擴展層包括覆蓋在所述n型層上的第一子層以及覆蓋在所述第一子層上的第二子層，所述第一子層為AlGaN層，所述第二子層為不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層形成的超晶格結(jié)構(gòu)，所述第一子層的生長溫度高于所述n型層以及所述第二子層的生長溫度，所述第二子層的生長壓力高于所述第一子層的生長壓力。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第一子層的生長溫度比所述n型層的生長溫度高15℃～40℃。

在本發(fā)明實施例的另一種實現(xiàn)方式中，所述第二子層的生長溫度小于或等于所述n型層的生長溫度。

本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

通過在n型層和應力釋放層之間插入由第一子層和第二子層構(gòu)成的n型電流擴展層，其中第一子層為AlGaN層，第二子層為不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層形成的超晶格結(jié)構(gòu)，且第一子層的生長溫度較n型層和第二子層的生長溫度高，第二子層的生長壓力高于第一子層；一方面，在n型層之后生長的AlGaN層由于勢壘增加起到阻擋電子的作用，增加了電子的橫向擴展能力，且生長溫度高于相鄰的n型層和第二子層，有利于Al的摻入以及缺陷的阻隔；另一方面，第二子層不僅可以與AlGaN層結(jié)合起來形成高濃度的二維電子氣，由于二維電子氣具有較高的橫向遷移率，于是又加速了電子的擴展，使得電流分布更均勻，且第二子層的生長壓力較第一子層高，使得生長的超晶格可以防止電流擴展層之后In的擴散，進一步減少從n型層積累上來的應力，改善缺陷，從而提高外延片的光電性能。

附圖說明

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。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種GaN基發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例提供的n型層、第一子層和第二子層的溫度及壓力的關(guān)系圖；

圖3是本發(fā)明實施例提供的外延片與對比樣品的抗靜電能力對比圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的第一子層的一種摻雜方式示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的外延片與對比樣品的光強對比圖；

圖6是本發(fā)明實施例提供的一種GaN基發(fā)光二極管外延片的制造方法的流程圖。

具體實施方式

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。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種GaN基發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖1，該GaN基發(fā)光二極管外延片包括：襯底100，依次覆蓋在襯底100上的緩沖層101、三維成長層102、u-GaN層103、n型層104、n型電流擴展層105、應力釋放層106、多量子阱層107和p型層108，n型電流擴展層105包括覆蓋在n型層104上的第一子層151以及覆蓋在第一子層151上的第二子層152，第一子層151為AlGaN層，第二子層152為不摻Si的GaN層1521和摻Si的GaN層1522形成的超晶格結(jié)構(gòu)，第一子層151的生長溫度高于n型層104以及第二子層152的生長溫度，第二子層152的生長壓力高于第一子層151的生長壓力。

本發(fā)明實施例通過在n型層和應力釋放層之間插入由第一子層和第二子層構(gòu)成的n型電流擴展層，其中第一子層為AlGaN層，第二子層為不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層形成的超晶格結(jié)構(gòu)，且第一子層的生長溫度較n型層和第二子層的生長溫度高，第二子層的生長壓力高于第一子層；一方面，在n型層之后生長的AlGaN層由于勢壘增加起到阻擋電子的作用，增加了電子的橫向擴展能力，且生長溫度高于相鄰的n型層和第二子層，有利于Al的摻入以及缺陷的阻隔；另一方面，第二子層不僅可以與AlGaN層結(jié)合起來形成高濃度的二維電子氣，由于二維電子氣具有較高的橫向遷移率，于是又加速了電子的擴展，使得電流分布更均勻，且第二子層的生長壓力較第一子層高，使得生長的超晶格可以防止電流擴展層之后In的擴散，進一步減少從n型層積累上來的應力，改善缺陷，從而提高外延片的光電性能。

在本發(fā)明實施例中，第一子層151的生長溫度可以比n型層104的生長溫度高15℃～40℃。其中，n型層104的生長溫度可以為1260℃。通過提高第一子層的生長溫度來提高外延片的抗靜電能力(具體可以參見后文描述)，但實驗表明，當溫度達到一定時，性能就不能再進一步提高了，而且溫度過高會導致升溫時間比較長，延長了外延片的生長時間；而溫度過低則不利于Al的摻入。故在本發(fā)明實施例中，將第一子層151的生長溫度設(shè)置為比n型層104的生長溫度高15℃～40℃。

在本發(fā)明實施例中，第二子層152的生長溫度可以小于或等于n型層104的生長溫度。當外延片長到n型層時，通過AlGaN層的生長已經(jīng)可以阻隔部分缺陷，此時溫度適當降低有利于后面的生長，例如應力釋放層和多量子阱層，避免這些低溫生長的膜層遭到破壞。

在本發(fā)明實施例中，第一子層151的厚度可以為50nm～130nm。第一子層151厚度過小，則阻擋電子的性能不佳，第一子層151厚度太厚的話，對其阻擋電子和缺陷的作用提升較小，會造成整個外延片厚度增大。

如圖1所示，第二子層152中超晶格的對數(shù)可以為3層，但僅為示意，本發(fā)明實施例中第二子層152中超晶格的對數(shù)還可以是其他數(shù)值，例如為4～12。

其中，襯底100可以為藍寶石襯底、SiC襯底或者GaN襯底。襯底100的尺寸大于或等于4英寸。緩沖層101、三維成長層102、u-GaN層103、n型層104、應力釋放層106和多量子阱層107均可以為單層或多層重復結(jié)構(gòu)。

圖1提供的外延片可以采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(英文Metal-organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD)方法制成，制作時以三甲基(或三乙基)鎵作為鎵源，高純NH₃作為氮源，三甲基銦作為銦源，三甲基鋁作為鋁源，n型摻雜選用硅烷，p型摻雜選用二茂鎂。在襯底100上依次生長AlN低溫緩沖層101、三維成長層102(單層或多層非摻雜GaN層，生長溫度為1275℃，壓力為400mbar)、u-GaN層103層(生長溫度為1300℃，壓力為300mbar)、n型層104(n-GaN層，生長溫度為1260℃，壓力為150mbar)；在壓力為150mbar條件下，將溫度緩慢升高15～40℃，接著生長n型電流擴展層105中的AlGaN層；再將壓力升高150mbar至300mbar，生長不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層組成的超晶格層。然后，控制其它工藝參數(shù)繼續(xù)生長后面的InGaN應力釋放層106、InGaN/GaN多量子阱層107和p型層108(p-GaN層)。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，n型層104的生長溫度為1260℃，壓力為150mbar；n型電流擴展層105中的第一子層151里面Al的摻雜濃度為8×10²⁰cm^-3，且保持不變，其生長溫度為1285℃，壓力為150mbar，厚度可以為80nm；n型電流擴展層105中的第二子層152的生長溫度為1260℃，壓力為300mbar，厚度與第一子層151相等，超晶格對數(shù)為3～12。n型層104、n型電流擴展中第一子層151和第二子層152的溫度及壓力的關(guān)系如圖2所示，其中柱狀圖表示生長溫度，折線圖表示生長壓力。

在上述外延片結(jié)構(gòu)中，一方面第一子層151由于勢壘增加阻擋了部分電子，且高溫低壓生長的條件有利于Al的均勻摻入；另一方面，第二子層152不僅可以與第一子層151結(jié)合起來形成高濃度的二維電子氣，增加電流的擴展，還可以通過高壓低溫的生長模式填補和抑制部分缺陷，減小應力，有效地提高了外延片的晶體質(zhì)量。

如圖3所示，在4000v測試條件下，7片4寸外延片制作成芯片(實施例樣品)與對比樣品(n型電流擴展層105的溫度和壓力與n型層104相同)相比，抗靜電能力(英文Electro-Static discharge，簡稱ESD)提高了5％左右，圖3中橫軸為樣品編號。

在另一種可能的實現(xiàn)方式中，第一子層151中的Al的含量沿著GaN基發(fā)光二極管外延片的生長方向先減小后增加，且第一子層151中的Al總量不超過10²¹cm^-3，其他生長參數(shù)與前一種可能的實現(xiàn)方式相同。第一子層151的生長時間可以為300s，圖4為第一子層151的一種摻雜方式示意圖。

在該實現(xiàn)方式中，先降低Al的含量，有利于電子的蓄積，然后再增加Al的含量，進一步阻擋了電子，Al的這種分布方式更好地增加了電子的橫向擴展能力，發(fā)光層中的電流也因此變得均勻。但是需要注意的是，第一子層151中Al的含量不能太高，總量不超過10²¹cm^-3，否則電阻過大，正向工作電壓會激增，不利于芯片的應用。

在又一種可能的實現(xiàn)方式中，第二子層152的厚度為第一子層151的厚度3～4倍，其他生長參數(shù)與第一種可能的實現(xiàn)方式相同。

在該實現(xiàn)方式中，第二子層152的厚度為第一子層151的厚度的3～4倍，不僅可以較好地防止后面應力釋放層106中的InGaN中In的擴散，從而加大應力釋放層106的生長窗口，使得應力釋放層106的制作工藝條件變得更加容易，而且與第一子層151層結(jié)合起來形成高濃度和高橫向遷移率的二維電子氣，進一步增強了電子的擴展，提高了發(fā)光效率。生長窗口是指工藝范圍，比如應力釋放層106生長溫度為950-1000℃時比生長溫度為980-1000℃時的生長窗口大。如果應力釋放層106中In的擴散變少，一方面，可以適當降低應力釋放層106的生長溫度，這樣可以更好地保護量子阱。另一方面，生長溫度的范圍變大了，更容易生長。

將上述生長條件下生長得到的7片外延片(實施例樣品)與7片作為對比樣品的外延片(第二子層152的厚度與第一子層151相同)通過PL(Photoluminesence)測試儀進行測試對比，其PL光強明顯提升，如圖5所示。圖5中橫軸為樣品編號。也就是說，將第二子層152的厚度設(shè)置為第一子層151的厚度的3～4倍，起到了增加光效的作用。

圖6是本發(fā)明實施例提供的一種GaN基發(fā)光二極管外延片的制造方法的流程圖，參見圖6，該制造方法包括：

步驟201：提供一襯底。

具體地，襯底可以為藍寶石襯底、SiC襯底或者GaN襯底。以藍寶石襯底為例，提供藍寶石襯底可以包括：首先將反應腔的溫度控制在1100℃，將藍寶石襯底在氫氣氣氛里進行退火15分鐘，清潔襯底表面，然后進行氮化處理。

步驟202：在襯底上依次生長緩沖層、三維成長層、u-GaN層、n型層、n型電流擴展層、應力釋放層、多量子阱層和p型層，n型電流擴展層包括覆蓋在n型層上的第一子層以及覆蓋在第一子層上的第二子層，第一子層為AlGaN層，第二子層為不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層形成的超晶格結(jié)構(gòu)，第一子層的生長溫度高于n型層以及第二子層的生長溫度，第二子層的生長壓力高于第一子層的生長壓力。

其中，緩沖層、三維成長層、u-GaN、n型層、應力釋放層和多量子阱層均可以為單層或多層重復結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明實施例中，第一子層的生長溫度可以比n型層的生長溫度高15℃～40℃。

在本發(fā)明實施例中，第二子層的生長溫度可以小于或等于n型層的生長溫度。

步驟202中的各層可以采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(英文Metal-organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD)方法制成，制作時以三甲基(或三乙基)鎵作為鎵源，高純NH₃作為氮源，三甲基銦作為銦源，三甲基鋁作為鋁源，n型摻雜選用硅烷，p型摻雜選用二茂鎂。在襯底上依次生長AlN低溫緩沖層、三維成長層、u-GaN層、n型層(n-GaN層)；在壓力為150mbar條件下，將溫度緩慢升高15～40℃，接著生長n型電流擴展層中的AlGaN層；再將壓力升高150mbar至300mbar，生長不摻Si的GaN層和摻Si的GaN層組成的超晶格層。然后，控制其它工藝參數(shù)繼續(xù)生長后面的應力釋放層、多量子阱層和p型層(p-GaN層)。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，n型層的生長溫度為1260℃，壓力為150mbar；n型電流擴展層中的第一子層里面Al的摻雜濃度為8×10²⁰cm^-3，且保持不變，其生長溫度為1285℃，壓力為150mbar，厚度可以為80nm；n型電流擴展層中的第二子層的生長溫度為1260℃，壓力為300mbar，厚度與第一子層相等，超晶格對數(shù)為3～12。n型層、n型電流擴展中第一子層和第二子層的溫度及壓力的關(guān)系如圖2所示，其中柱狀圖表示生長溫度，折線圖表示生長壓力。

在上述外延片結(jié)構(gòu)中，一方面第一子層由于勢壘增加阻擋了部分電子，且高溫低壓生長的條件有利于Al的均勻摻入；另一方面，第二子層不僅可以與第一子層結(jié)合起來形成高濃度的二維電子氣，增加電流的擴展，還可以通過高壓低溫的生長模式填補和抑制部分缺陷，減小應力，有效地提高了外延片的晶體質(zhì)量。

如圖3所示，在4000v測試條件下，7片4寸外延片制作成芯片(實施例樣品)與對比樣品(n型電流擴展層的溫度和壓力與n型層相同)相比，抗靜電能力提高了5％左右，圖3中橫軸為樣品編號。

在另一種可能的實現(xiàn)方式中，第一子層中的Al的含量沿著GaN基發(fā)光二極管外延片的生長方向先減小后增加，且第一子層中的Al總量不超過10²¹cm^-3，其他生長參數(shù)與前一種可能的實現(xiàn)方式相同。第一子層的生長時間可以為300s，圖4為第一子層的一種摻雜方式示意圖。

在該實現(xiàn)方式中，先降低Al的含量，有利于電子的蓄積，然后再增加Al的含量，進一步阻擋了電子，Al的這種分布方式更好地增加了電子的橫向擴展能力，發(fā)光層中的電流也因此變得均勻。但是需要注意的是，第一子層中Al的含量不能太高，總量不超過10²¹cm^-3，否則電阻過大，正向工作電壓會激增，不利于芯片的應用。

在又一種可能的實現(xiàn)方式中，第二子層的厚度為第一子層的厚度3～4倍，其他生長參數(shù)與第一種可能的實現(xiàn)方式相同。

在該實現(xiàn)方式中，第二子層的厚度為第一子層的厚度的3～4倍，不僅可以較好地防止后面應力釋放層中的InGaN中In的擴散，從而加大應力釋放層的生長窗口，使得應力釋放層的制作工藝條件變得更加容易，而且與第一子層層結(jié)合起來形成高濃度和高橫向遷移率的二維電子氣，進一步增強了電子的擴展，提高了發(fā)光效率。

將上述生長條件下生長得到的7片外延片(實施例樣品)與7片作為對比樣品的外延片(第二子層的厚度與第一子層相同)通過PL測試儀進行測試對比，其PL光強明顯提升，如圖5所示。圖5中橫軸為樣品編號。也就是說，將第二子層的厚度設(shè)置為第一子層的厚度的3～4倍，起到了增加光效的作用。

在本發(fā)明實施例中，第一子層的厚度可以為50nm～130nm。

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，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。