CN103296161B - 一种GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法,通过在蓝宝石衬底上周期交替制备GaN层及Al1-xGaxN层,形成具有超晶格结构的缓冲层,并通过控制通入的Al原子及Ga原子数目的比例控制所述Al1-xGaxN层中Ga组分的变化,或通过控制外延GaN层及Al1-xGaxN层的时间比例控制其厚度比,以减小外延边缘波长与中心波长的差值逐渐,使得外延中心波长与边缘波长基本一致,从而使外延波长的均匀性得到提高。本发明还可以大幅度减少后续芯片与分选流程的时间和成本,提高了最终的产品产出率。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED外延层及其制备方法,特别是涉及一种GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法。
背景技术
MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。MOCVD是以III族、II族元素的有机化合物和V、VI族元素的氢化物等作为晶体生长原材料,以热分解反应方式在衬底上进行气相外延,生长各种III-V族、II-VI族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD***中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行,衬底温度为500-1200℃,用灯丝加热石墨盘(衬底基片在石墨盘上方),H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。
利用MOCVD设备生长GaN外延,一般需要将蓝宝石衬底置入反应室进行反应。由于蓝宝石和GaN之间的晶格存在失配,在生长时会产生位错影响结晶质量。为了尽量减小这些位错的影响,在生长高纯度GaN单晶时,一般需要先在蓝宝石上生长一层GaN缓冲层,再生长GaN单晶。缓冲层的成分和生长条件对GaN晶体的结晶质量有着至关重要的作用。
目前的MOCVD机台生长大尺寸外延片,尤其是使用图形衬底时,由于衬底和外延之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使外延片发生翘曲现象,翘曲使得在生长量子阱时外延片中心位置比边缘更靠近或紧挨石墨盘Pocket的表面,从而使中心部分温度高于边缘部分,最终导致外延片中心部分的发光波长要比边缘部分短。由于大尺寸外延片面积较大,将加剧外延中心部分和边缘部分的波长差,这将对后续的芯片制成以及分选工作造成时间和成本的大幅增加,同时也将导致外延片的波长良品率大幅度下降。
外延的缓冲层是处在蓝宝石衬底和GaN外延之间的连接层,其组分与生长条件将会对衬底和外延之间的晶格失配产生影响,改变外延片的应力分布从而改变生长过程中的翘曲程度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法,通过在GaN缓冲层中利用超晶格结构掺入Al原子,并优化Al/Ga的组分比例,实现改善外延片波长均匀性,以解决现有技术中由于衬底和外延之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使外延片发生翘曲现象的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种GaN基LED超晶格缓冲层结构,所述超晶格缓冲层结构为由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替层叠的层叠结构,其中,0.01≤x≤1,且各该Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增。
在本发明的GaN基LED超晶格缓冲层结构中,所述交替层叠数为2~30。
在本发明的GaN基LED超晶格缓冲层结构中,随着层叠数的增加,所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的厚度比递增。优选地,同一层叠的所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的厚度比为0.1∶1~20∶1。
本发明还提供一种GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法,所述制备方法至少包括:提供蓝宝石衬底,并在所述蓝宝石衬底上形成由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替层叠的层叠结构,其中,0.01≤x≤1,且各该Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增。
在本发明的GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法中,所述交替层叠数为2~30。
在本发明的GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法中,通过控制通入的Al原子数与Ga原子数的比值来控制所述Al1-xGaxN层中x的取值。
在本发明的GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法中,随着层叠数的增加,所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的生长时间比值递增。优选地,同一叠层的所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的生长时间比值为0.1∶1~20∶1。
如上所述,本发明的一种GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法,具有以下有益效果:通过在蓝宝石衬底上周期交替制备GaN层及Al1-xGaxN层,形成具有超晶格结构的缓冲层,并通过控制通入的Al原子及Ga原子数目的比例控制所述Al1-xGaxN层中Ga组分的变化,或通过控制外延GaN层及Al1-xGaxN层的时间比例控制其厚度比,以减小外延边缘波长与中心波长的差值逐渐,使得外延中心波长与边缘波长基本一致,从而使外延波长的均匀性得到提高。本发明还可以大幅度减少后续芯片与分选流程的时间和成本,提高了最终的产品产出率。
附图说明
图1~3显示为本发明的GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法各步骤多呈现的结构示意图。
元件标号说明
11蓝宝石衬底
12超晶格缓冲层结构
121第一GaN层
122第一Al1-x1Gax1N层
123第二GaN层
124第二Al1-x2Gax2N层
127第nGaN层
128第nAl1-xnGaxnN层
122’Al0.8Ga0.2N层
124’Al0.6Ga0.4N层
126’Al0.4Ga0.6N层
128’Al0.2Ga0.8N层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图3。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2~3所示,本发明提供一种GaN基LED超晶格缓冲层结构,所述超晶格缓冲层结构12为由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替层叠的层叠结构,其中,0.01≤x≤1,且各该Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增。其中,所述交替层叠的层叠数为2~30。随着层叠数的增加,所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的厚度比递增。优选地,同一层叠的所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的厚度比为0.1∶1~20∶1。
在本实施例中,如图2所示,所述超晶格缓冲层结构12为具有Al1-xGaxN/GaN超晶格结构的超晶格缓冲层结构,包括第一GaN层121、结合于所述第一GaN层121表面的第一Al1-x1Gax1N层122、结合于所述第一Al1-x1Gax1N层122表面的第二GaN层123、结合于所述第二GaN层123表面的第二Al1-x2Gax2N层124……、第nGaN层127以及结合于所述第nGaN层127表面的第nAl1-xnGaxnN层128,其中,x1<x2<……<xn,2≤n≤30。
具体地,如图3所示,所述缓冲层包括:厚度为10nm的第一GaN层121’、厚度为5nm的Al0.8Ga0.2N层122’、厚度为10nm的第二GaN层123’、厚度为10nm的Al0.6Ga0.4N层124’、厚度为10nm的第三GaN层125’、厚度为15nm的Al0.4Ga0.6N层126’、厚度为10nm的第四GaN层127’以及厚度为20nm的Al0.2Ga0.8N层128’,以形成Al1-xGaxN/GaN超晶格结构12’。当然,本发明并不仅限于此,在其他实施例中,所述的具有Al1-xGaxN/GaN超晶格结构的缓冲层可以有不同的层叠数、不同的组分比例以及不同的厚度比例。
请参阅图1~图3,如图所示,本发明还提供一种GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法,所述制备方法至少包括:提供蓝宝石衬底,并在所述蓝宝石衬底上形成由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替层叠的层叠结构,其中,0.01≤x≤1,且各该Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增。其中,所述交替层叠数为2~30。在本实施例中,通过控制通入的Al原子数与Ga原子数的比值来控制所述Al1-xGaxN层中x的取值。随着层叠数的增加,所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的生长时间比值递增。优选地,同一叠层的所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的生长时间比值为0.1∶1~20∶1。
请参阅图1~3,如图所示,在本实施例中,提供一蓝宝石衬底11,首先选用TMGa(三甲基镓)为Ga源、NH3(氨气)为N源在所述蓝宝石衬底11上采用金属有机化合物气相沉积法生长第一GaN层121,然后选用TMGa(三甲基镓)为Ga源、NH3(氨气)为N源、TMAl(三甲基铝)作为Al源,在所述第一GaN层121上采用金属有机化合物气相沉积法生长第一Al1-x1Gax1N层122,如图1所示;然后采用相同的手段依次生长第二GaN层123、第二Al1-x2Gax2N层124、……第nGaN层127以及第nAl1-xnGaxnN层128,其中,x1<x2<……<xn,如图2所示。其中,2≤n≤30,所述Al1-xGaxN层中x的取值通过控制通入的Al原子数与Ga原子数的比值来控制,所述GaN层与所述Al1-xGaxN层的厚度则通过生长时间来控制。
在具体的实施过程中,如图3所示,采用金属有机化合物气相沉积法依次生长厚度为10nm的第一GaN层121’、厚度为5nm的Al0.8Ga0.2N层122’、厚度为10nm的第二GaN层123’、厚度为10nm的Al0.6Ga0.4N层124’、厚度为10nm的第三GaN层125’、厚度为15nm的Al0.4Ga0.6N层126’、厚度为10nm的第四GaN层127’以及厚度为20nm的Al0.2Ga0.8N层128’,以形成Al1-xGaxN/GaN超晶格结构12’。当然,本发明并不仅限于此,在其他实施例中,所述的具有Al1-xGaxN/GaN超晶格结构的缓冲层可以有不同的层叠数、不同的组分比例以及不同的厚度比例。
综上所述,本发明的一种GaN基LED超晶格缓冲层结构及其制备方法,通过在蓝宝石衬底上周期交替制备GaN层及Al1-xGaxN层,形成具有超晶格结构的缓冲层,并通过控制通入的Al原子及Ga原子数目的比例控制所述Al1-xGaxN层中Ga组分的变化,或通过控制外延GaN层及Al1-xGaxN层的时间比例控制其厚度比,以减小外延边缘波长与中心波长的差值逐渐,使得外延中心波长与边缘波长基本一致,从而使外延波长的均匀性得到提高。本发明还可以大幅度减少后续芯片与分选流程的时间和成本,提高了最终的产品产出率。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种GaN基LED超晶格缓冲层结构,其特征在于,所述超晶格缓冲层结构为由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替层叠的层叠结构,其中,0.01≤x≤1,且各该Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增,随着层叠数的增加,所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的厚度比递增。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED超晶格缓冲层结构,其特征在于:所述交替层叠数为2~30。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED超晶格缓冲层结构,其特征在于:同一层叠的所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的厚度比为0.1:1~20:1。
4.一种GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法,其特征在于,所述制备方法至少包括:提供蓝宝石衬底,并在所述蓝宝石衬底上形成由多个GaN层及多个Al1-xGaxN层相互交替层叠的层叠结构,其中,0.01≤x≤1,且各该Al1-xGaxN层中Ga组分x随层叠数的增加而递增,随着层叠数的增加,所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的生长时间比值递增。
5.根据权利要求4所述的GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法,其特征在于,所述交替层叠数为2~30。
6.根据权利要求4所述的GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法,其特征在于,通过控制通入的Al原子数与Ga原子数的比值来控制所述Al1-xGaxN层中x的取值。
7.根据权利要求4所述的GaN基LED超晶格缓冲层结构的制备方法,其特征在于,同一叠层的所述Al1-xGaxN层与所述GaN层的生长时间比值为0.1:1~20:1。
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