一種發光二極體的外延片及其生長方法與流程
2024-04-01 14:26:05
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種發光二極體的外延片及其生長方法。
背景技術：
以氮化鎵為代表的半導體發光二極體(英文：Light Emitting Diode，簡稱：LED)，具有禁帶寬度大、高電子飽和漂移速度、耐高溫、大功率容量等優良特性，其三元合金InGaN的帶隙從0.7ev到3.4ev連續可調，發光波長覆蓋可見光和紫外線的整個區域，在新興的光電產業中具有廣大的前景。
GaN基LED外延片是在異質基底(如藍寶石襯底)上進行外延生長而成，GaN和襯底之間晶格失配度大。為了改善GaN和襯底之間的晶格匹配，通常先在基底上採用低溫低壓的方式生長由三維島狀的晶粒組成的緩衝層，再在緩衝層上生長未摻雜GaN層、N型GaN層、InGaN量子阱層和GaN量子壘交替而成的發光層、P型GaN層。
在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：
雖然三維島狀的晶粒組成的緩衝層可以改善GaN和襯底之間的晶格匹配，但是採用低溫低壓的方式生長緩衝層，容易導致刃位錯、螺旋位錯等晶格缺陷，位錯很難消除，而且會穿過未摻雜GaN層和N型GaN層到達發光層，造成內量子效率降低。
技術實現要素：
為了解決現有技術的問題，本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片及其生長方法。所述技術方案如下：
一方面，本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片，所述外延片包括襯底、以及依次層疊在所述襯底上的緩衝層、未摻雜GaN層、N型GaN層、發光層、P型GaN層，所述緩衝層中摻雜有Mg。
可選地，所述緩衝層包括GaN層、AlGaN層、InGaN層、AlInGaN層、交替層疊的InGaN層和AlGaN層中的一種。
可選地，所述緩衝層中Mg的摻雜濃度按照以下方式中的一種變化：保持不變、沿所述外延片的層疊方向逐漸增加、沿所述外延片的層疊方向逐漸減少、沿所述外延片的層疊方向先逐漸增加再逐漸減少、沿所述外延片的層疊方向交替變成兩種不同摻雜濃度的一種。
可選地，Mg摻雜在整個所述緩衝層中，或者Mg摻雜在所述緩衝層中靠近所述襯底的部分中，或者Mg摻雜在所述緩衝層中靠近所述未摻雜GaN層的部分中。
可選地，所述緩衝層中Mg的摻雜濃度小於所述P型GaN層中P型摻雜劑的摻雜濃度。
可選地，所述緩衝層的厚度為10～1000nm。
可選地，所述未摻雜GaN層的的厚度為50nm以上。
可選地，所述襯底的材料採用Si、藍寶石、SiC中的一種。
另一方面，本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片的生長方法，所述生長方法包括：
在襯底上依次生長緩衝層、未摻雜GaN層、N型GaN層、發光層、P型GaN層；
其中，所述緩衝層中摻雜有Mg。
可選地，所述緩衝層的生長溫度為700～1100℃。
本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：
通過在緩衝層中摻雜Mg，Mg可以誘導緩衝層的材料從二維生長轉向三維生長，形成三維島狀的晶粒，不再需要緩衝層採用低溫低壓的生長方式，緩衝層的生長溫度可以提高，從而減少刃位錯、螺旋位錯等晶格缺陷的產生，提高外延片的晶體質量，提高LED的內量子效率和抗靜電能力。而且緩衝層和N型GaN層之間設置有未摻雜GaN層，未摻雜GaN層可以起到隔斷的作用，避免緩衝層中摻雜Mg影響N型GaN層中的電子注入發光層複合發光。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，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明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例一提供的一種發光二極體的外延片的結構示意圖；
圖2a-圖2e是本發明實施例一提供的緩衝層中Mg的摻雜濃度的變化示意圖；
圖3a-圖3c是本發明實施例一提供的緩衝層中Mg的摻雜位置的分布示意圖；
圖4是本發明實施例二提供的一種發光二極體的外延片的生長方法的流程示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
實施例一
本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片，參見圖1，該外延片包括襯底1、以及依次層疊在襯底1上的緩衝層2、未摻雜GaN層3、N型GaN層4、發光層5、P型GaN層6。
在本實施例中，緩衝層中摻雜有Mg。
具體地，緩衝層中Mg的摻雜濃度小於P型GaN層中P型摻雜劑的摻雜濃度。
可選地，緩衝層可以包括GaN層、AlGaN層、InGaN層、AlInGaN層、交替層疊的InGaN層和AlGaN層中的一種。
可選地，緩衝層中Mg的摻雜濃度可以按照以下方式中的一種變化：保持不變(如圖2a所示)、沿外延片的層疊方向逐漸增加(如圖2b所示)、沿外延片的層疊方向逐漸減少(如圖2c所示)、沿外延片的層疊方向先逐漸增加再逐漸減少(如圖2d所示)、沿外延片的層疊方向交替變成兩種不同摻雜濃度(如圖2e所示)的一種。
可選地，Mg可以摻雜在整個緩衝層中(如圖3a所示)，也可以摻雜在緩衝層中靠近襯底的部分中(如圖3b所示)，還可以摻雜在緩衝層中靠近未摻雜GaN層的部分中(如圖3c所示)。
可選地，緩衝層的厚度可以為10～1000nm。
可選地，襯底的材料可以採用Si、藍寶石、SiC中的一種，本發明特別適用於這種襯底與GaN晶格失配度大的外延片。
可選地，未摻雜GaN層的的厚度可以為50nm以上，以在緩衝層和N型GaN層之間起到隔斷的作用，避免緩衝層中的空穴影響N型GaN層中的電子注入發光層與P型GaN層的空穴複合發光。
可選地，發光層可以包括依次層疊的若干發光子層，發光子層包括量子阱層和層疊在量子阱層上的量子壘層。
具體地，可以量子阱層為InGaN層，量子壘層為GaN層；也可以量子阱層為InGaN層，量子壘層為AlGaN層；還可以量子阱層為GaN層，量子壘層為AlGaN層。
具體地，N型GaN層可以採用Si作為N型摻雜劑，P型GaN層可以採用Mg作為P型摻雜劑。
可選地，該外延片還可以包括層疊在N型GaN層和發光層之間的應力釋放層，如由InGaN層和GaN層交替層疊而成的超晶格層。
可選地，該外延片還可以包括層疊在發光層和P型GaN層之間的電子阻擋層，如P型AlGaN層。
可選地，該外延片還可以包括層疊在P型GaN層上的P型接觸層。
本發明實施例通過在緩衝層中摻雜Mg，Mg可以誘導緩衝層的材料從二維生長轉向三維生長，形成三維島狀的晶粒，不再需要緩衝層採用低溫低壓的生長方式，緩衝層的生長溫度可以提高，從而減少刃位錯、螺旋位錯等晶格缺陷的產生，提高外延片的晶體質量，提高LED的內量子效率和抗靜電能力。而且緩衝層和N型GaN層之間設置有未摻雜GaN層，未摻雜GaN層可以起到隔斷的作用，避免緩衝層中摻雜Mg影響N型GaN層中的電子注入發光層複合發光。
實施例二
本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片的生長方法，適用於生長實施例一提供的外延片。實現時採用高純H2或者N2作為載氣，採用TMGa、TMAl、TMIn和NH3分別作為Ga源、Al源、In源和N源，採用SiH4和Cp2Mg分別作為N型摻雜劑和P型摻雜劑，採用金屬有機化學氣相沉積設備或者其他設備完成外延片生長。
具體地，參見圖4，該生長方法包括：
步驟201：在襯底上生長緩衝層。
在本實施例中，緩衝層中摻雜有Mg。
具體地，緩衝層中Mg的摻雜濃度小於P型GaN層中P型摻雜劑的摻雜濃度。
可選地，緩衝層可以包括GaN層、AlGaN層、InGaN層、AlInGaN層、交替層疊的InGaN層和AlGaN層中的一種。
可選地，緩衝層中Mg的摻雜濃度可以按照以下方式中的一種變化：保持不變、沿外延片的層疊方向逐漸增加、沿外延片的層疊方向逐漸減少、沿外延片的層疊方向先逐漸增加再逐漸減少、沿外延片的層疊方向交替變成兩種不同摻雜濃度的一種。
可選地，Mg可以摻雜在整個緩衝層中，也可以摻雜在緩衝層中靠近襯底的部分中，還可以摻雜在緩衝層中靠近未摻雜GaN層的部分中。
可選地，襯底的材料可以採用Si、藍寶石、SiC中的一種，本發明特別適用於這種襯底與GaN晶格失配度大的外延片。
可選地，緩衝層的厚度可以為10～1000nm。
可選地，該步驟201可以包括：
將襯底在1300℃的H2氣氛下進行熱處理10分鐘，以清潔襯底表面；
在襯底上生長一層厚度為20～300nm的摻雜有Mg的緩衝層。
具體地，在襯底上生長一層厚度為20～300nm的摻雜有Mg的緩衝層，可以包括：
在襯底上生長一層厚度為100nm的GaN層；
在GaN層上生長一層厚度為200nm的摻雜Mg的GaN層。
步驟202：在緩衝層上生長未摻雜GaN層。
可選地，未摻雜GaN層的的厚度可以為50nm以上，以在緩衝層和N型GaN層之間起到隔斷的作用，避免緩衝層中的空穴影響N型GaN層中的電子注入發光層與P型GaN層的空穴複合發光。
具體地，該步驟202可以包括：
將溫度調節為1100℃，在緩衝層上生長一層厚度為3μm的非摻雜GaN層。
在實際應用中，非摻雜GaN層也可以採用非摻雜AlGaN層代替。
步驟203：在未摻雜GaN層上生長N型GaN層。
具體地，N型GaN層可以採用Si作為N型摻雜劑。
具體地，該步驟203可以包括：
在未摻雜GaN層上生長一層厚度為2μm的摻雜Si的GaN層。
步驟204：在N型GaN層上生長發光層。
可選地，發光層可以包括依次層疊的若干發光子層，發光子層包括量子阱層和層疊在量子阱層上的量子壘層。
具體地，可以量子阱層為InGaN層，量子壘層為GaN層；也可以量子阱層為InGaN層，量子壘層為AlGaN層；還可以量子阱層為GaN層，量子壘層為AlGaN層。
例如，量子壘層為10～20nm的GaN層，量子阱層為1～5nm的InGaN層且In組分含量為5％～10％。
步驟205：在發光層上生長P型GaN層。
具體地，P型GaN層可以採用Mg作為P型摻雜劑。
具體地，該步驟205可以包括：
在發光層上生長厚度為300nm的摻雜Mg的GaN層。
本發明實施例通過在緩衝層中摻雜Mg，Mg可以誘導緩衝層的材料從二維生長轉向三維生長，形成三維島狀的晶粒，不再需要緩衝層採用低溫低壓的生長方式，緩衝層的生長溫度可以提高，從而減少刃位錯、螺旋位錯等晶格缺陷的產生，提高外延片的晶體質量，提高LED的內量子效率和抗靜電能力。而且緩衝層和N型GaN層之間設置有未摻雜GaN層，未摻雜GaN層可以起到隔斷的作用，避免緩衝層中摻雜Mg影響N型GaN層中的電子注入發光層複合發光。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。