CN103531683B - 一种氮化镓发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓发光二极管及其制备方法，属于发光二极管领域。方法包括：提供异质衬底，并以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层；在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃；以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层，第二温度<第三温度；在第三缓冲层上依次沉积N型接触层、发光层、电子阻挡层和P型接触层，完成氮化镓发光二极管的制备。发光二极管采用前述方法制备。本发明通过第二缓冲层的起始生长温度介于第一缓冲层和第三缓冲层的生长温度之间，对第三缓冲层起到缓冲保护作用。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管(Light-EmittingDiode，简称LED)领域，特别涉及一种氮化镓发光二极管及其制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)LED包括衬底和在衬底上生长的主要由GaN构成的外延。基于衬底与外延的晶格需相匹配的原则，对于GaN外延，理想衬底为III族氮化物的单晶。然而现阶段研发出的单晶面积小且价格高，因此目前普遍采用异质衬底(例如蓝宝石衬底)生长GaN外延。
异质衬底与GaN外延之间不可避免的存在晶格失配。为了减缓异质衬底与GaN外延之间的晶格失配度，通常在衬底上先生长缓冲层，再在缓冲层上生长GaN外延。具体地，传统的缓冲层采用了25nm的GaN或AlN作为低温缓冲层，然后在低温缓冲层上生长高温GaN缓冲层。低温缓冲层是不连续的岛状结构，高温GaN缓冲层先在岛状结构上形成三维空间生长，三维空间生长结束后形成二维生长。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：生长完低温缓冲层后直接升温生长高温缓冲层，较容易形成二维生长，导致岛状结构中岛与岛之间很容易连接起来，从而影响高温缓冲层的三维生长时间，这样，很难得到高质量的GaN外延，而且很难控制好GaN外延的表面形貌。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓发光二极管及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓发光二极管的制备方法，所述方法包括：
提供异质衬底，并以第一温度为生长温度，在所述异质衬底上沉积第一缓冲层；
在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且所述第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，所述第一温度<所述第二温度，且所述第一温度与所述第二温度的差值范围为410～460℃；
以第三温度为生长温度，在所述第二缓冲层上沉积第三缓冲层，所述第二温度<所述第三温度；
在所述第三缓冲层上依次沉积N型接触层、发光层、电子阻挡层和P型接触层，完成所述氮化镓发光二极管的制备；
其中，所述在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且所述第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，包括：
从开始生长到所述第一预定时间内，以所述第二温度在所述第一缓冲层上沉积所述第二缓冲层；
从所述第一预定时间结束开始到第二预定时间内，将生长温度从所述第二温度逐渐升高至所述第三温度，继续沉积所述第二缓冲层。
可选地，所述在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且所述第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，包括：
以所述第二温度为恒温生长温度，并以所述第一预定时间为生长时间，在所述第一缓冲层上沉积所述第二缓冲层。
可选地，所述第二温度的取值范围为930～980℃，所述第一预定时间为700-1800秒。
可选地，所述第二温度的取值范围为930～980℃，所述第一预定时间为700-1000秒，所述第二预定时间为1-800秒。
可选地，所述在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层之后，还包括：
在所述第二缓冲层上沉积非掺杂的AlGaN层；
则所述以第三温度为生长温度，在所述第二缓冲层上沉积第三缓冲层，包括：
以所述第三温度为生长温度，在所述AlGaN层上沉积所述第三缓冲层。
可选地，所述AlGaN层是AlGaN\GaN超晶格结构。
可选地，所述第二缓冲层是GaN层，厚度是0.5～1.0μm。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓发光二极管，所述发光二极管采用前述方法制备得到。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层；在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃；以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层，第二温度<第三温度；第二缓冲层的起始生长温度介于第一缓冲层和第三缓冲层的生长温度之间，对第三缓冲层起到缓冲保护作用，可以避免第三缓存层较容易地在第一缓冲层形成的不连续的岛状结构上形成二维生长，延长了第三缓冲层的三维空间生长时间，减小异质衬底与GaN外延间的晶格失配，有效地降低了外延位错密度，从而提高了GaN发光二极管的晶体质量，进一步提高了GaN发光二极管的抗静电强度和GaN基发光二极管的发光强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种氮化镓发光二极管的制备方法流程图；
图2-图3是本发明实施例提供的又一种氮化镓发光二极管的制备方法流程图；
图4是本发明实施例提供的一种氮化镓发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1示出了本发明实施例提供的一种氮化镓发光二极管的制备方法。参见图1，该方法包括：
步骤101：提供异质衬底，并以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层。
可选地，第一温度可以是520℃。
步骤102：在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长。
其中，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃。
步骤103：以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层。
其中，第三温度>第二温度。可选地，第三温度可以是1040℃。
步骤104：在第三缓冲层上依次沉积N型接触层、发光层、电子阻挡层和P型接触层，完成氮化镓发光二极管的制备。
本发明实施例通过以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层；在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃；以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层，第二温度<第三温度；第二缓冲层的起始生长温度介于第一缓冲层和第三缓冲层的生长温度之间，对第三缓冲层起到缓冲保护作用，可以避免第三缓存层较容易地在第一缓冲层形成的不连续的岛状结构上形成二维生长，延长了第三缓冲层的三维空间生长时间，减小衬底与GaN外延间的晶格失配，有效地降低了外延位错密度，从而提高了GaN发光二极管的晶体质量，进一步提高了GaN发光二极管的抗静电强度和GaN基发光二极管的发光强度。
图2示出了本发明实施例提供的又一种氮化镓发光二极管的制备方法。在本发明实施例中，Ga、Al、In和N源可以分别采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)，载气可以是高纯氢(H2)或氮气(N2)，N和P型掺杂剂可以分别采用硅烷(SiH4)和二茂镁(Cp2Mg)。参见图2，该方法包括：
步骤201：提供异质衬底。
可选地，将异质衬底在1100℃的H2气氛下进行热处理，以清洁表面。热处理时间可以为10分钟。异质衬底包括但不限于蓝宝石、Si、和SiC衬底。
步骤202：以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层。
可选地，第一温度可以是520℃。将前述1100℃降至520℃，开始在衬底上沉积第一缓冲层。第一缓冲层可以是GaN层或AlN层，厚度可以为25nm。
步骤203：在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长。
其中，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃。
可选地，本步骤203包括：以第二温度为恒温生长温度，以第一预定时间为生长时间，在第一缓冲层上沉积第二缓冲层。
其中，第二温度的取值范围可以为930～980℃，第一预定时间可以为700-1800秒。第二缓冲层的生长时间较长(700S以上)，能够促进第二缓冲层在不连续的岛状结构上进行良好的三维生长，减缓异质衬底与GaN外延之间的晶格失配。
可选地，本步骤203还包括：以预定压力为生长压力，在第一缓冲层上沉积第二缓冲层。该预定压力可以是600-900毫巴(mbar)。
可选地，沉积第一缓冲层后，将前述520℃升至950℃，调节气氛压力为700mbar，开始在第一缓冲层上沉积第二缓冲层。为了保证第二缓冲层有足够的空间三维生长时间，第二缓冲层的生长时间应不小于700S。第二缓冲层可以是GaN层，厚度可以是0.5～1.0μm。
步骤204：以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层。
其中，第三温度>第二温度。
可选地，第三温度可以是1040℃。将前述950℃升至1040℃，开始在第二缓冲层上沉积第三缓冲层。第三缓冲层可以是高温非掺杂GaN层，厚度可以是1.5μm。
步骤205：在第三缓冲层上依次沉积N型接触层、发光层、电子阻挡层和P型接触层，完成氮化镓发光二极管的制备。
可选地，完成第三缓冲层的生长后，先在第三缓冲层上生长2.5μm厚的Si掺杂的GaN层，作为N型接触层。然后降温，在N型接触层上生长5个周期的InGaN/GaN多量子阱层作为发光层。发光层的发光波长为460nm，InGaN的厚度可以为2.5nm，生长温度可以为730℃，GaN的厚度可以为12nm，生长温度可以为800℃。量子阱层生长结束后再在820℃生长温度下生长30nm的P型Al0.18Ga0.82N电子阻挡层。最后生长的是120nm的P型GaN接触层。
需要说明的是，在本发明实施例中，以上步骤描述的沉积包括但不限于金属有机化学气相沉积。此外，氮化镓发光二极管的制备，除了步骤201-205描述的外延生长过程之外，还包括对步骤205结束后得到的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺，最终制成单颗12×30mil的LED芯片。
本发明实施例通过以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层；在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃；以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层，第二温度<第三温度；第二缓冲层的起始生长温度介于第一缓冲层和第三缓冲层的生长温度之间，对第三缓冲层起到缓冲保护作用，可以避免第三缓存层较容易地在第一缓冲层形成的不连续的岛状结构上形成二维生长，延长了第三缓冲层的三维空间生长时间，减小衬底与GaN外延间的晶格失配，有效地降低了外延位错密度，从而提高了GaN发光二极管的晶体质量，进一步提高了GaN发光二极管的抗静电强度和GaN基发光二极管的发光强度。
图3示出了本发明实施例提供的又一种氮化镓发光二极管的制备方法。参见图3，该方法包括：
步骤301：提供异质衬底。
本步骤301同图2示出的实施例中步骤201，在此不再赘述。
步骤302：以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层。
本步骤302同图2示出的实施例中步骤202，在此不再赘述。
步骤303：在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长。
其中，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃。
可选地，本步骤303包括：从开始生长到第一预定时间内，以第二温度在第一缓冲层上沉积第二缓冲层；从第一预定时间结束开始到第二预定时间内，将生长温度从第二温度逐渐升高至第三温度，继续沉积第二缓冲层。
可选地，第二温度的取值范围可以是930～980℃，第一预定时间可以是700-1000S，第二预定时间可以是1-800S。
可选地，本步骤303还包括：以预定压力为生长压力，在第一缓冲层上沉积第二缓冲层。该预定压力可以是600-900毫巴(mbar)。
可选地，沉积第一缓冲层后，调节气氛压力为700mbar，先将生长温度保持在950℃，在第一预定时间内生长第二缓冲层，然后将生长温度从950℃渐变至1040℃，继续在第一缓冲层上沉积第二缓冲层。第二缓冲层的生长时间应不小于700S。第二缓冲层可以是GaN层，厚度可以是0.5～1.0μm。
可选地，本步骤303还包括：从第二缓冲层开始生长到结束生长的时间段内，将生长压力从预定的最大压力逐渐降低至预定的最小压力，在第一缓冲层上沉积第二缓冲层。
其中，预定的最大压力可以是900mbar，预定的最小压力可以是600mbar。
第二缓冲层的生长温度从低温渐变到高温，一方面，最开始的低温有助于保护第一缓冲层生长的不连续的岛状结构，促进第二缓冲层的空间三维生长，改善LED外延的表面形貌。另一方面，渐变到高温后，温度很好地过渡到第三缓冲层，能够缓和第二缓冲层与第三缓冲层之间的应力，降低位错密度，提高LED的晶体质量，增加LED抗静电强度和发光亮度。
步骤304：在第二缓冲层上沉积非掺杂的AlGaN层。
可选地，AlGaN层的厚度可以为10～30nm。在第二缓冲层长完后，接着在第二缓冲层上长20nm的非掺杂AlGaN。
可选地，AlGaN层可以是AlGaN\GaN超晶格结构，例如两个周期的超晶格结构：AlGaN\GaN\AlGaN\GaN。
AlGaN层有效地阻挡了第一缓冲层位错的延伸，从而提高GaNLED的生长质量，降低LED的漏电流。
步骤305：以第三温度为生长温度，在AlGaN层上沉积第三缓冲层。
本步骤305同图2示出的实施例中步骤204，在此不再赘述。
步骤306：在第三缓冲层上依次沉积N型接触层、发光层、电子阻挡层和P型接触层，完成氮化镓发光二极管的制备。
本步骤306同图2示出的实施例中步骤205，在此不再赘述。
本发明实施例通过以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层；在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃；以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层，第二温度<第三温度；第二缓冲层的起始生长温度介于第一缓冲层和第三缓冲层的生长温度之间，对第三缓冲层起到缓冲保护作用，可以避免第三缓存层较容易地在第一缓冲层形成的不连续的岛状结构上形成二维生长，延长了第三缓冲层的三维空间生长时间，减小衬底与GaN外延间的晶格失配，有效地降低了外延位错密度，从而提高了GaN发光二极管的晶体质量，进一步提高了GaN发光二极管的抗静电强度和GaN基发光二极管的发光强度。
图4示出了本发明实施例提供的一种氮化镓发光二极管，该氮化镓发光二极管可以采用图1、2或3示出的方法制备得到。参见图4，该发光二极管包括：衬底401、第一缓冲层402、第二缓冲层403、第三缓冲层404、N型接触层405、发光层406、电子阻挡层407、以及P型接触层408。
可选地，第一缓冲层402的生长温度<第二缓冲层403的生长温度<第三缓冲层404的生长温度。且第一缓冲层402的生长温度与第二缓冲层403的生长温度的差值范围为410～460℃
可选地，第二缓冲层403的生长温度可以为恒温，当为恒温时，生长温度的范围可以是930～980℃，生长时间可以是700-1800S，生长压力可以是600-900mbar。
可选地，第二缓冲层403的生长温度还可以逐渐升高。
可选地，第二缓冲层403可以是GaN层，厚度可以是0.5～1.0μm。
可选地，该发光二极管还包括非掺杂的AlGaN层403a，该AlGaN层403a位于第二缓冲层403和第三缓冲层404之间。
可选地，该AlGaN层403a可以是AlGaN\GaN超晶格结构。
本发明实施例通过以第一温度为生长温度，在异质衬底上沉积第一缓冲层；在第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，第一温度<第二温度，且第一温度与第二温度的差值范围为410～460℃；以第三温度为生长温度，在第二缓冲层上沉积第三缓冲层，第二温度<第三温度；第二缓冲层的起始生长温度介于第一缓冲层和第三缓冲层的生长温度之间，对第三缓冲层起到缓冲保护作用，可以避免第三缓存层较容易地在第一缓冲层形成的不连续的岛状结构上形成二维生长，延长了第三缓冲层的三维空间生长时间，减小衬底与GaN外延间的晶格失配，有效地降低了外延位错密度，从而提高了GaN发光二极管的晶体质量，进一步提高了GaN发光二极管的抗静电强度和GaN基发光二极管的发光强度。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种氮化镓发光二极管的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供异质衬底，并以第一温度为生长温度，在所述异质衬底上沉积第一缓冲层；
在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且所述第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，所述第一温度<所述第二温度，且所述第一温度与所述第二温度的差值范围为410～460℃；
以第三温度为生长温度，在所述第二缓冲层上沉积第三缓冲层，所述第二温度<所述第三温度；
在所述第三缓冲层上依次沉积N型接触层、发光层、电子阻挡层和P型接触层，完成所述氮化镓发光二极管的制备；
其中，所述在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且所述第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，包括：
从开始生长到所述第一预定时间内，以所述第二温度在所述第一缓冲层上沉积所述第二缓冲层；
从所述第一预定时间结束开始到第二预定时间内，将生长温度从所述第二温度逐渐升高至所述第三温度，继续沉积所述第二缓冲层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层，且所述第二缓冲层从开始生长到第一预定时间内以第二温度生长，包括：
以所述第二温度为恒温生长温度，并以所述第一预定时间为生长时间，在所述第一缓冲层上沉积所述第二缓冲层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二温度的取值范围为930～980℃，所述第一预定时间为700-1800秒。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二温度的取值范围为930～980℃，所述第一预定时间为700-1000秒，所述第二预定时间为1-800秒。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述第一缓冲层上沉积第二缓冲层之后，还包括：
在所述第二缓冲层上沉积非掺杂的AlGaN层；
则所述以第三温度为生长温度，在所述第二缓冲层上沉积第三缓冲层，包括：
以所述第三温度为生长温度，在所述AlGaN层上沉积所述第三缓冲层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述AlGaN层是AlGaN\GaN超晶格结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二缓冲层是GaN层，厚度是0.5～1.0μm。
8.一种氮化镓发光二极管，其特征在于，所述发光二极管采用权利要求1-4任一项所述的方法制备得到。
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