CN108336203A - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠设置在蓝宝石衬底上的AlN缓冲层、3D成核层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和高温P型层，所述3D成核层包括第一子层和第二子层，第一子层为在800～1100℃下生长而成的GaN层，第二子层为在1000～1200℃下生长而成的GaN层。第一子层的生长温度较低，所形成的晶粒越小且越密集。这些晶粒会拉伸形变使得间隙闭合，降低表面能。这样就会产生张应力，促使外延片向变凹的方向发展，从而改善翘曲，提高波长集中度，第二子层的温度较高，则晶粒的表面能降低，保证了外延片整体不会发生翘曲，从而提升LED芯片的光电性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
GaN(氮化镓)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，被广泛应用于各种波段的发光二极管。GaN基发光二极管的核心组件是LED(Light EmittingDiode，发光二极管)芯片，LED芯片包括外延片和设于外延片上的电极。
GaN基发光二极管外延片的主要结构包括：蓝宝石衬底、以及层叠设置在蓝宝石衬底上的AlN缓冲层、3D成核层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和高温P型层。为了提高发光二极管的产能和LED芯片的光电性能，上述GaN基发光二极管外延片在制作时，通常是先采用物理气象沉淀法在蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层，然后将生长有所述AlN缓冲层的所述蓝宝石衬底放入MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备中，采用金属有机化合物化学气相沉淀法继续生长外延片。
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：
在生长AlN缓冲层后，蓝宝石衬底在不同类型的MOCVD设备中的表现各不相同。例如在国产的MOCVD中生长GaN基发光二极管时，生长有AlN缓冲层的蓝宝石衬底的中心会向上凸起(凸起的方向与外延片的生长方向相同)，边缘会向下弯曲(弯曲的方向与外延片的生长方向相反)，使得制成的GaN基发光二极管的外延片整体具有一定的翘曲度。另外，由于设置在蓝宝石衬底下方的加热基座会向外延片上逐层传递热量，因此在生长多量子阱层时，由于蓝宝石衬底具有一定的翘曲度，将造成热量非均匀地传递到多量子阱层，极大影响了多量子阱层发光波长的均匀性。
发明内容
为了解决现有技术中在不同MOCVD设备中，外延片发生翘曲，影响多量子阱层发光波长的均匀性的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠设置在所述蓝宝石衬底上的AlN缓冲层、3D成核层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，
所述3D成核层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为在800～1100℃下生长而成的GaN层，所述第二子层为在1000～1200℃下生长而成的GaN层。
进一步地，所述3D成核层的厚度为2～30nm。
进一步地，所述第一子层的厚度为1～10nm，所述第二子层的厚度为1～20nm。
进一步地，所述第一子层为在1000℃下生长而成的GaN层，所述第二子层为在1100℃下生长而成的GaN层。
另一方面，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长3D成核层，所述3D成核层包括第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层均为GaN层，所述第一子层的生长温度为800～1100℃，所述第二子层的生长温度为1000～1200℃；
在所述3D成核层上依次生长未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。
进一步地，所述在所述蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层，包括：
将所述蓝宝石衬底放入PVD设备中，在所述蓝宝石衬底上溅射一层AlN，得到所述AlN缓冲层。
进一步地，所述在所述AlN缓冲层上生长3D成核层，包括：
将生长有所述AlN缓冲层的所述蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在氢气气氛中高温热处理所述蓝宝石衬底10～15分钟；
在所述AlN缓冲层上生长所述3D成核层。
进一步地，所述制造方法还包括：
在所述P型接触层生长完成后，将所述MOCVD设备内温度降低至650～850℃，在氮气气氛下对所述氮化镓基发光二极管外延片进行退火处理5～15分钟。
进一步地，所述第一子层和所述第二子层的生长压力均为200～400torr。
进一步地，所述第一子层的生长温度为1000℃，所述第二子层的生长温度为1100℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将3D成核层分为第一子层和第二子层，第一子层为在800～1100℃下生长而成的GaN层，第二子层为在1000～1200℃下生长而成的GaN层。由于GaN外延片的生长方式主要是核生长型，沉积原子达到蓝宝石衬底后，首先凝聚成核，后续的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。在3D成核层生长阶段，主要是在AlN缓冲层上形成晶核，并不断长大形成小岛。本申请中第一子层的生长温度较低，所形成的晶粒小且密集；这些晶粒在互相融合时由于取向的不一致会在交界处存在一些间隙，因此会存在较大的表面能，为了降低表面能，晶粒就会拉伸形变使得间隙闭合，降低表面能，这样就会产生张应力，促使外延片向变凹的方向(即与外延片的生长方向相反的方向)发展，从而改善外延片的翘曲，使得蓝宝石衬底表面平整，则生长多量子阱层时热量可以均匀传递到多量子阱层，以提高发光波长的均匀性。且外延片整体翘曲变凹，有利于改善多量子阱层的晶格应力，从而提升发光二极管芯片的光电性能。本申请中第二子层的生长温度较高，则晶粒的表面能降低，保证了外延片整体不会进一步发生翘曲。
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基发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种不同芯片的第一个量子阱层的翘曲变化图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，图1是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该氮化镓基发光二极管包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的AlN缓冲层2、3D成核层3、未掺杂的GaN层4、N型层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、高温P型层8和P型接触层9。
其中，3D成核层3包括第一子层31和第二子层32，第一子层31为在800～1100℃下生长而成的GaN层，第二子层32为在1000～1200℃下生长而成的GaN层。
本发明实施例通过将3D成核层分为第一子层和第二子层，第一子层为在800～1100℃下生长而成的GaN层，第二子层为在1000～1200℃下生长而成的GaN层。由于GaN外延片的生长方式主要是核生长型，沉积原子达到蓝宝石衬底后，首先凝聚成核，后续的沉积原子不断聚集在核附近，使核在三维方向上不断长大而最终形成薄膜。在3D成核层生长阶段，主要是在AlN缓冲层上形成晶核，并不断长大形成小岛。本申请中第一子层的生长温度较低，所形成的晶粒小且密集；这些晶粒在互相融合时由于取向的不一致会在交界处存在一些间隙，因此会存在较大的表面能，为了降低表面能，晶粒就会拉伸形变使得间隙闭合，降低表面能，这样就会产生张应力，促使外延片向变凹的方向(即与外延片的生长方向相反的方向)发展，从而改善外延片的翘曲，使得蓝宝石衬底表面平整，则生长多量子阱层时热量可以均匀传递到多量子阱层，以提高发光波长的均匀性。且外延片整体翘曲变凹，有利于改善多量子阱层的晶格应力，从而提升发光二极管芯片的光电性能。本申请中第二子层的生长温度较高，则晶粒的表面能降低，保证了外延片整体不会进一步发生翘曲。
进一步地，3D成核层3的厚度为2～30nm。若3D成核层3的厚度小于2nm，则3D成核层3对于外延片的翘曲的改善效果不好，若3D成核层3的厚度大于30nm，则造成浪费。
其中，第一子层31的厚度为1～10nm，第二子层32的厚度为1～20nm。
优选地，3D成核层3的厚度为15nm。其中，第一子层31的厚度为5nm，第二子层32的厚度为10nm。此时第一子层31和第二子层32对于外延片的翘曲的改善效果最好。
优选地，第一子层31为在1000℃下生长而成的未掺杂的GaN层，第二子层32为在1100℃下生长而成的未掺杂的GaN层。此时，对于外延片的翘曲的改善效果最好。
可选地，第一子层31和第二子层32的生长压力均为200～400torr。
可选地，未掺杂的GaN层4的厚度为1～5μm。
可选地，N型层5的厚度为1～5μm，N型层5为掺Si的GaN层，Si的掺杂浓度可以为1×1018～1×1019cm-3。
可选地，多量子阱层6为包括InGaN势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，多量子阱层6的周期数为5～11。其中，每层InGaN势阱层的厚度为2-3nm，每层GaN势垒层的厚度为9～20nm。
可选地，电子阻挡层7为厚度为20～100nm的AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
可选地，高温P型层8为厚度为100～800nm的GaN层。
可选地，P型接触层9为厚度为5～300nm的GaN层。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，适用于实施例一提供的一种氮化镓基发光二极管外延片，图2是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一蓝宝石衬底。
具体地，蓝宝石衬底为蓝宝石，厚度为630-650um。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(T分钟)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100-600torr。
具体地，该步骤201包括：
在氢气气氛下，高温处理蓝宝石衬底5-20分钟。其中，反应室温度为1000-1200℃，反应室压力控制在200-500torr，对蓝宝石衬底进行氮化处理。
步骤202、在蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层。
具体地，步骤202可以包括：在蓝宝石衬底高温处理完成后，将蓝宝石衬底放入PVD设备中，在该蓝宝石衬底上溅射一层AlN，得到AlN缓冲层。
生长AlN缓冲层时，生长温度可以为500-700℃。
进一步地，生长完AlN缓冲层后，反应室温度升高至1000-1100℃，将镀有AlN缓冲层的蓝宝石衬底退火处理10-15分钟。
步骤203、在AlN缓冲层上生长3D成核层。
具体地，步骤203可以包括：将生长有AlN缓冲层的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在氢气气氛中高温热处理蓝宝石衬底10～15分钟，在AlN缓冲层上生长3D成核层。
在本实施例中，3D成核层包括第一子层和第二子层，第一子层为GaN层，生长温度为800～1100℃，第二子层为GaN层，生长温度为1000～1200℃。
优选地，第一子层的生长温度为900～1100℃，第二子层的生长温度为1000～1200℃。
更优选地，第一子层的生长温度为1000℃，第二子层的生长温度为1100℃。在该温度在生长出的第一子层和第二子层对于多量子阱层的晶格应力的改善效果最好，LED芯片的光电性能最好。
进一步地，第一子层和第二子层的生长压力均为200～400torr。
进一步地，3D成核层的厚度为1～30nm。若3D成核层的厚度小于1nm，则3D成核层对于外延片的翘曲的改善效果不好，若3D成核层的厚度大于30nm，则造成浪费。
优选地，第一子层的厚度为1～10nm，第二子层的厚度为1～20nm。
优选地，3D成核层3的厚度为15nm。其中，第一子层31的厚度为5nm，第二子层32的厚度为10nm。此时第一子层31和第二子层32对于外延片的翘曲的改善效果最好。
步骤204、在3D成核层上生长未掺杂的GaN层。
在本实施例中，未掺杂的GaN层的厚度为1～5um。生长未掺杂的GaN层时，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在100～500torr。
步骤205、在未掺杂的GaN层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层，厚度为1～5um。生长N型层时，反应室温度为1000-1200℃，反应室压力控制在100-500torr。其中，Si的掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3。
步骤206：在N型层上生长多量子阱层。
多量子阱层为包括InGaN势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，多量子阱层的周期数为5～11。其中，InGaN势阱层的生长温度为720～829℃，生长压力为100～500Torr，厚度为2～3nm，GaN势垒层的生长温度为850～959℃，生长压力为100～500Torr，厚度为9～20nm。
步骤207：在多量子阱层上生长电子阻挡层。
可选地，电子阻挡层为AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5，生长温度为200～1000℃，生长压力为50～500Torr，生长厚度为20～100nm。
步骤208、在电子阻挡层上生长高温P型层。
可选地，高温P型层为GaN层，生长温度为600～1000℃，生长压力为100-300Torr，厚度为100～800nm。
步骤209、在高温P型层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层为GaN层，生长温度为850～1050℃，生长压力为100～300Torr，厚度为5～300nm。
在结束氮化镓基发光二极管外延片的生长之后，将MOCVD设备内温度降低至650～850℃，在氮气气氛下对该氮化镓基发光二极管外延片进行退火处理5～15分钟。然后，将温度逐渐降至室温。随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗9*27mil的芯片。
图3是本发明实施例提供的一种不同芯片的第一个量子阱层的翘曲变化图，如图3所示，其中，第一个量子阱层为多量子阱层中最靠近N型层的一个量子阱层，该翘曲变化图的纵坐标表示翘曲值，横坐标表示样本编号，其中第1-15个为采用现有技术制造出来的芯片样本，第16-30个为采用实施例二中的制造方法制造出来的芯片样本。参见图3，线段A表示采用现有技术中的制造方法制造出来的多个芯片中的第一个量子阱的翘曲值的均值，线段A附近的点为采用实现有技术中的制造方法制造出来的多个芯片中的第一个量子阱的翘曲值，线段B表示采用实施例二中的制造方法制造出来的多个芯片中的第一个量子阱的翘曲值的均值，线段B附近的点为采用实施例二中的制造方法制造出来的多个芯片中的第一个量子阱的翘曲值。
其中线段A的取值均为正值，表示第一个量子阱变凸，线段B的取值均为负值，表示第一个量子阱变凹。当外延片整体翘曲变凹，有利于改善多量子阱层的晶格应力，提升LED芯片的光电性能。则采用实施例二中的制造方法制造出来的多个芯片的光电性能最好。
以上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 (10)
1.一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠设置在所述蓝宝石衬底上的AlN缓冲层、3D成核层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，其特征在于，
所述3D成核层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为在800～1100℃下生长而成的GaN层，所述第二子层为在1000～1200℃下生长而成的GaN层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述3D成核层的厚度为2～30nm。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为1～10nm，所述第二子层的厚度为1～20nm。
4.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层为在1000℃下生长而成的GaN层，所述第二子层为在1100℃下生长而成的GaN层。
5.一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长3D成核层，所述3D成核层包括第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层均为GaN层，所述第一子层的生长温度为800～1100℃，所述第二子层的生长温度为1000～1200℃；
在所述3D成核层上依次生长未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在所述蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层，包括：
将所述蓝宝石衬底放入PVD设备中，在所述蓝宝石衬底上溅射一层AlN，得到所述AlN缓冲层。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述在所述AlN缓冲层上生长3D成核层，包括：
将生长有所述AlN缓冲层的所述蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在氢气气氛中高温热处理所述蓝宝石衬底10～15分钟；
在所述AlN缓冲层上生长所述3D成核层。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述P型接触层生长完成后，将所述MOCVD设备内温度降低至650～850℃，在氮气气氛下对所述氮化镓基发光二极管外延片进行退火处理5～15分钟。
9.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的生长压力均为200～400torr。
10.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度为1000℃，所述第二子层的生长温度为1100℃。
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