CN117613158B - 一种GaN基LD外延结构及其制备方法 - Google Patents
一种GaN基LD外延结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117613158B CN117613158B CN202410076669.2A CN202410076669A CN117613158B CN 117613158 B CN117613158 B CN 117613158B CN 202410076669 A CN202410076669 A CN 202410076669A CN 117613158 B CN117613158 B CN 117613158B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- sub
- transition
- buffer
- gan
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 7
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 205
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims abstract description 78
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 68
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 400
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims description 11
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 21
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 18
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 4
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 55
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 52
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 23
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 7
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000009646 cyclic growth Effects 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N cyclopenta-1,3-diene;magnesium Chemical compound [Mg].C1C=CC=C1.C1C=CC=C1 UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000005297 material degradation process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/025—Physical imperfections, e.g. particular concentration or distribution of impurities
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
Abstract
本发明提供了一种GaN基LD外延结构，包括衬底、复合缓冲层和复合过渡层，所述复合缓冲层包括依次层叠生长的第一缓冲子层、第二缓冲子层和第三缓冲子层，第一缓冲子层的材质为AlN，第二缓冲子层的材质为AlxGa1‑xN，第三缓冲子层的材质为AlyGa1‑yN，其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层包括依次层叠生长的第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层，第一过渡子层为小岛形成层，第二过渡子层为大岛形成层，第三过渡子层为大岛合并填充层，第四过渡子层为超晶格层。该发明利用复合缓冲层和复合过渡层的生长方式，减少点缺陷密度以及向上延伸的线性缺陷，提高外延片生长的晶体质量，进而提高了LD有源区辐射复合。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种GaN基LD外延结构及其制备方法。
背景技术
在GaN（即氮化镓）所制备的光电器件中，蓝光GaN基LD具有驱动能耗低、输出能量大、体积小与性能稳定等特点，并在数据存储、激光显示与激光照明等领域均具有重要的应用价值。
但在蓝光GaN基LD实际应用中，蓝光GaN基LD的体内材料退化是影响其可靠性的最主要因素之一，目前认为蓝光GaN基LD体内退化产生的关键因素为有源区点缺陷及位错的扩散与增殖造成有源区非辐射复合增加，使内量子效率降低，进而导致LD随时间增加，其输出光功率、光电转换效率、阈值电流和斜效率等性能的降低，从而导致器件可靠性差或者死灯现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种GaN基LD外延结构，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种GaN基LD外延结构，包括依次层叠生长于衬底上的复合缓冲层和复合过渡层，所述复合缓冲层包括依次层叠生长的第一缓冲子层、第二缓冲子层和第三缓冲子层，所述第一缓冲子层的材质形成于所述衬底上，所述第一缓冲子层的材质为AlN，所述第二缓冲子层的材质为AlxGa1-xN，所述第三缓冲子层的材质为AlyGa1-yN，其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层包括依次层叠生长的第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层，所述第一过渡子层生长于所述第三缓冲子层上，所述第一过渡子层为小岛形成层，所述第二过渡子层为大岛形成层，所述第三过渡子层为大岛合并填充层，所述第四过渡子层为超晶格层。
进一步的，所述第二缓冲子层和第三缓冲子层的厚度均大于第一缓冲子层的厚度。
进一步的，所述第一过渡子层的厚度小于第二过渡子层的厚度，所述第二过渡子层的厚度小于第三过渡子层的厚度。
进一步的，所述第四过渡子层为GaN超晶格层或AlGaN超晶格层或AlGaN/n-GaN超晶格层。
进一步的，所述第四过渡子层为GaN超晶格层，其单层为Si掺GaN子层，Si掺浓度为。
进一步的，所述第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层依次循环叠加生长形成超晶格结构。
进一步的，所述衬底与复合缓冲层之间设有AlN模板。
进一步的，所述复合过渡层上依次层叠生长有N型GaN层、n型AlGaN覆盖层、N型下波导层、多量子阱层、上波导层、p型电子阻挡层、p型AlGaN覆盖层和p型接触层。
另外，本发明还提供了上述GaN基LD外延结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上依次生长第一缓冲子层、第二缓冲子层、第三缓冲子层形成复合缓冲层；
其中，第一缓冲子层和第二缓冲子层的生长温度小于第三缓冲子层的生长温度，第一缓冲子层和第二缓冲子层的生长压力小于第三缓冲子层的生长压力；
S2、在复合缓冲层上依次生长第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层、第四过渡子层形成复合过渡层；
其中，第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层的生长温度分别为T21、T22、T23、T24，且T21<T22<T23≤T24；第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层的生长压力分别为P21、P22、P23、P24，且P21>P22>P23=P24；第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层的生长载气量分别为F21、F22、F23，且F21>F22，F21>F23。
进一步的，生长所述复合缓冲层时的gap位置小于生长复合过渡层时gap位置，所述复合缓冲层的生长温度低于复合过渡层的生长温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的这种GaN基LD外延结构设计由AlN层/AlxGa1-xN层/AlyGa1-yN层组成的复合缓冲层，利用渐变过渡生长方式减小了衬底与缓冲层之间的晶格失配以及因热膨胀系数差异导致的热失配，降低AlGaN材料在外延生长过程中因掺杂高Al组分而产生大量的点缺陷，降低外延结构的点缺陷密度及造成的位错，从而改善外延结构生长的晶体质量；同时利用复合过渡层梯度升温先提高晶核生长的晶体质量，再不断填充生长，使外延结构长平后通过超晶格的生长方式阻止或降低线性缺陷向上延伸，从而减少点缺陷密度以及向上延伸的线性缺陷，提高外延片生长的晶体质量，进而提高了LD有源区辐射复合，使得LD随时间增加，LD的输出光功率、光电转换效率、阈值电流和斜效率等性能提升。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明GaN基LD外延结构的示意图；
图2是图1中复合缓冲层的结构示意图；
图3是图1中复合过渡层的结构示意图；
附图标记说明：1、衬底；2、复合缓冲层；3、复合过渡层；4、N型GaN层；5、n型AlGaN覆盖层；6、N型下波导层；7、多量子阱层；8、上波导层；9、p型电子阻挡层；10、p型AlGaN覆盖层；11、p型接触层；201、第一缓冲子层；202、第二缓冲子层；203、第三缓冲子层；301、第一过渡子层；302、第二过渡子层；303、第三过渡子层；304、第四过渡子层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1、图2和图3所示，本实施例提供了一种GaN基LD外延结构，包括依次层叠生长于衬底1上的复合缓冲层2和复合过渡层3，所述复合缓冲层2包括依次层叠生长的第一缓冲子层201、第二缓冲子层202和第三缓冲子层203，所述第一缓冲子层201的材质形成于所述衬底1上，所述第一缓冲子层201的材质为AlN（即氮化铝），所述第二缓冲子层202的材质为AlxGa1-xN（即氮化铝镓），所述第三缓冲子层203的材质为AlyGa1-yN（即氮化铝镓），其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层3包括依次层叠生长的第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303和第四过渡子层304，所述第一过渡子层301生长于所述第三缓冲子层203上，所述第一过渡子层301为小岛形成层，所述第二过渡子层302为大岛形成层，所述第三过渡子层303为大岛合并填充层，所述第四过渡子层304为超晶格层。
本实施例的GaN基LD外延结构的具体制作过程如下：
首先，在衬底1上依次生长第一缓冲子层201、第二缓冲子层202、第三缓冲子层203形成复合缓冲层2。在此生长过程中，第一缓冲子层201和第二缓冲子层202的生长温度小于第三缓冲子层203的生长温度，第一缓冲子层201和第二缓冲子层202的生长温度可相同也可以不同；第一缓冲子层201和第二缓冲子层202的生长压力小于第三缓冲子层203的生长压力，第一缓冲子层201和第二缓冲子层202的生长压力可以相同也可以不同。
然后，在复合缓冲层2上依次生长第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303、第四过渡子层304形成复合过渡层3。在此复合过渡层3生长过程中，第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303和第四过渡子层304的生长温度分别为T21、T22、T23、T24，且T21<T22<T23≤T24；第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303和第四过渡子层304的生长压力分别为P21、P22、P23、P24，且P21>P22>P23=P24；第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303的生长载气量分别为F21、F22、F23，且F21>F22，F21>F23。
在本实施例中，将缓冲层设计为由AlN材质的第一缓冲子层201、AlxGa1-xN材质的第二缓冲子层202及AlyGa1-yN材质的第三缓冲子层203组成的复合缓冲层结构，其各缓冲子层中Al含量逐渐降低，通过将缓冲层设计为渐变过渡生长，减小了衬底1与缓冲层之间的晶格失配以及因热膨胀系数差异导致的热失配，降低AlGaN材料在外延生长过程中因掺杂高Al组分而产生大量的点缺陷，降低外延结构的点缺陷密度及造成的位错，从而改善外延结构生长的晶体质量。生长完复合缓冲层2后，再在复合缓冲层2生长由第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303和第四过渡子层304组成的复合过渡层3，其中，第一过渡子层301将低温缓冲层的晶种由二维生长（2D）向三维生长（3D）转变形成小岛，升温生长提高了晶种的晶体质量并且晶种合并成小岛也减少了点缺陷密度，第二过渡子层302生长温度继续升高，加速小岛与小岛的合并，生长形成大岛，此过程主要是3D方向生长，再继续降低缺陷密度，第三过渡子层303生长温度高于前两层过渡子层生长温度，并且生长速率大于第一过渡子层301、第二过渡子层302的生长速率，使大岛合并的同时加快填充的速度，从而加快3D向2D生长，减少高温对外延层的分解，促使生长成晶体质量较好GaN外延结构，然后再在已经2D生长的GaN膜层上生长超晶格层结构的第四过渡子层304，超晶格层的温度略高于前面三个过渡子层的温度，可以进一步提高材料的晶体质量，又因超晶格层会使向上延伸的线性缺陷在超晶格层的界面转向或者在超晶格结构的内部湮灭，所以超晶格层结构的第四过渡子层304的设计又进一步降低了材料的缺陷密度，从而提高了材料的晶体质量，提高了LD有源区辐射复合，进而导致LD随时间增加，LD的输出光功率、光电转换效率、阈值电流和斜效率等性能的提升。
由于Al原子的寄生反应不仅会在反应室的腔体形成coating（即涂层）覆盖在腔体表面，腔体表面的coating层也可能会脱落掉到晶圆表现形成大颗粒缺陷，也可能会在晶圆的表面形成格点引入点缺陷，因此，本实施例优选的，设计生长复合缓冲层2时的gap位置（即反应室的石墨盘基座与腔盖的距离）比生长复合过渡层3时的gap位置小，这样在生长复合缓冲层2时，石墨盘基座与腔盖的距离缩短，降低Al原子生长时与NH3的预反应，减少Al原子的寄生反应，从而降低点缺陷密度，提高晶体质量。
进一步的，在生长完复合缓冲层2后，增加载气量，并将反应室内NH3量升高至生长复合缓冲层时的5～10倍，使之与反应室内残留的Al源及寄生反应的Al进一步反应，减少反应室里Al的残留，减少引入Al点缺陷的可能，进一步提高晶体质量，在此反应过程之后，再在复合缓冲层2上生长复合过渡层3。
作为一种具体的实施方式，所述第二缓冲子层202的厚度d2大于第一缓冲子层201的厚度d1，即d1<d2，第三缓冲子层203的厚度d3大于第一缓冲子层201的厚度d1，即d1<d3，而第二缓冲子层的厚度d2可以与第三缓冲子层的厚度d3相同也可以不同，各缓冲子层的厚度可以根据实际生长过程中的具体需求进行设计。具体的，在本实施例中，设计第一缓冲子层201的厚度d1不大于20nm，第二缓冲子层202的厚度d2为5～30nm，第三缓冲子层203的厚度d3为5～30nm。
在复合缓冲层2生长过程中，第一缓冲子层201和第二缓冲子层202的生长采用纯氢气作为载气，第三缓冲子层203的生长可以采用氢气作为载气，也可以使用H2与N2的混合气作为载气。
作为一种具体的实施方式，设计所述第一过渡子层301的厚度D1小于第二过渡子层302的厚度D2，所述第二过渡子层302的厚度D2小于第三过渡子层303的厚度D3，而第三过渡子层303与第四过渡子层304的厚度可以相同也可以不同，各过渡子层的厚度可以根据实际生长过程中的具体需求进行设计。具体的，在本实施例中，设计第一过渡子层301的厚度D1不大于1um，第二过渡子层302的厚度D2不大于1um，第三过渡子层303的厚度D3不大于2um，第四过渡子层304的厚度D4不大于2um。
可选的实施方式，第一过渡子层301、第二过渡子层302和第三过渡子层303均为GaN层。对于复合过渡层3的生长，在一些实施例中，第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303可以是依次生长，即第一过渡子层301生长达到设计厚度后再生长第二过渡子层302，第二过渡子层302生长达到设计厚度后再生长第三过渡子层303。在另一些实施例中，第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303还可以是用超晶格的形式生长，即采用单层的第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303作为一个循环周期，依次循环叠加生长多个循环周期形成超晶格结构，再在此超晶格结构上生长第四过渡子层304。
可选的实施方式，所述第四过渡子层304可以为GaN超晶格层，也可以为AlGaN（即氮化铝镓）超晶格层，还可以为AlGaN层与n-GaN（即n型氮化镓）层循环叠加形成的AlGaN/n-GaN超晶格层；其中，对于AlGaN超晶格层或者AlGaN/n-GaN超晶格层中，AlGaN层的Al组分可以是恒定，也可以是变化的。
具体的，第四过渡子层304为GaN超晶格层时，GaN超晶格层采用GaN层与n-GaN层循环叠加生长10～50个周期形成，其中单层的n-GaN层为Si掺GaN子层，Si掺浓度为，其单层的GaN层、单层的n-GaN层生长厚度为10～500nm，单层的GaN层与单层的n-GaN层的生长温度不同，而具体的生长周期、单层生长厚度及生长温度根据具体实际需求以生长过程中的搭配为最优值。
可选的实施方式，所述衬底1与复合缓冲层2之间设有AlN（即氮化铝）模板，AlN模板采用PVD（即物理气相沉积）镀膜方式形成于衬底1上，AlN模板的厚度为0～50nm。
可选的实施方式，所述复合过渡层3上依次层叠生长有N型GaN层4、n型AlGaN覆盖层5、N型下波导层6、多量子阱层7、上波导层8、p型电子阻挡层9、p型AlGaN覆盖层10和p型接触层11。
下面通过具体实施例说明本发明GaN基LD外延结构的制备过程。
实施例1：
以高纯氢（H2）或氮气（N2）作为载气，以三甲基镓（TMGa）、三甲基铝（TMAl）和氨气（NH3）分别作为Ga源、Al源和N源，用硅烷（SiH4）、二茂镁（Cp2Mg）分别作为n、p型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积法制备外延结构；具体步骤如下：
S1、在蓝宝石衬底1上采用PVD镀膜镀AlN模板，升温到1030℃在纯氢的气氛中稳定5min，以清洁表面，其中升温和稳定的时间可长可短，以匹配外延片生长的值为最优值。
S2、先降温到870℃，将反应室的gap位置设到9mm，压力100mbar条件下通入NH3和TMGa源，在载气为纯氢的条件下生长5nm厚的第一缓冲子层201；再升温到890℃条件下生长10nm厚的第二缓冲子层202，压力和气氛条件同第一缓冲子层201；然后升温到910℃，压力150mbar生长第三缓冲子层203，生长气氛为氮气和氢气的混合气体，厚度为20nm。
S3、沉积低温的复合缓冲层2后，将反应室的gap位置从9mm调整到11mm，升温到1160℃，在压力为200mbar条件下通入3～10倍复合缓冲层2NH3量，载气为H2和N2的混合气体，气体量以匹配生长复合过渡层3的量为最适宜条件，先预通60s，预处理反应室里寄生反应的Al与残留的Al源，提高寄生反应Al的迁移率，进入晶体格点，减少点缺陷的形成；预处理完后，通入适宜的NH3和TMGa源生长200～500s，生长厚度为10～30nm的第一过渡子层301；生长完第一过渡子层301后，继续升温到1180℃，生长压力为300mbar，NH3量减少30～50%，TMGa流量增加10～30%，生长厚度为50～100nm的第二过渡子层302，生长完第二过渡子层302后，再继续升温到1210℃，NH3量和TMGa流量同第二过渡子层302流量，生长压力为300mbar，生长厚度约600～1000um厚的第三过渡子层303；第三过渡子层303生长完后再生长第四过渡子层304。其中第四过渡子层304为GaN/n-GaN循环叠加生长20个周期，单层GaN层的生长温度为1225℃，厚度为15nm，生长的压力为240mbar，单层n-GaN层的生长温度为1210℃，厚度为10nm，生长的压力为240mbar，Si掺的浓度为5×1018cm-3。
S4、生长复合过渡层3后，升高温度至1240℃沉积1.0μm厚Si掺杂的N型GaN层4，其中Si的掺杂浓度为3.0×1018cm-3，作为N型接触层。
S5、降低温度到1200℃生长1.5um厚的n型AlGaN覆盖层5，其中，Si掺的浓度为1.5×1018cm-3，n型AlGaN覆盖层5为Al0.08Ga0.92N/Al0.12Ga0.88N超晶格层，单层Al0.08Ga0.92N层的厚度为12nm，Al0.12Ga0.88N层的厚度为8nm，循环生长60个周期，生长完超晶格层后降温到1100℃，生长一Al组分从0.12到0.005渐变的过渡层AlGaN层，厚度为300nm。
S6、降温到960℃生长150nm厚的Si掺杂的N型下波导层6，Si的掺杂浓度为5.0×1017cm-3，其中N型下波导层6为In0.05Ga0.95N/GaN为超晶格结构，单层In0.05Ga0.95N层的厚度为1.2nm，单层GaN层的厚度为3.0nm，循环生长32周期。
S7、紧接着降温生长Si掺杂的多量子阱层7，Si掺的浓度为1.0×1018cm-3；多量子阱层7包括第一量子垒层和第二量子垒层，第一量子垒层和第二量子垒层均包括氮化铟镓和氮化镓的InxGa1-xN/GaN超晶格层，第一量子垒层中铟元素占比大于第二量子垒层中铟元素占比；单层InxGa1-xN的厚度5.0nm，生长温度为900℃，单层GaN层的厚度为12nm，生长温度为960℃。
S8、在960℃生长150nm的上波导层8，与N型下波导层6的组分及厚度相同，上波导层8为In0.05Ga0.95N/GaN为超晶格结构，单层In0.05Ga0.95N/GaN的厚度为1.2nm，单层GaN层的厚度为3.0nm，循环生长32周期。
S9、在上波导层8上生长15nm厚的p型电子阻挡层9，生长温度为1115℃，其中p型电子阻挡层9为 p型AlGaN电子阻挡层。
S10、在p型电子阻挡层9上生长p型AlGaN覆盖层10，p型AlGaN覆盖层10的厚度为430nm。
S11、在1100℃生长p型接触层11，生长厚度为30nm，p型接触层11为p型GaN接触层。
上述外延结构结束后，对生长的外延结构进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗芯片。
实施例2：
本实施例中外延结构的制备过程与上述实施例1的制备过程大致相同，不同之处在于，本实施例中生长复合过渡层3的第四过渡子层304时，第四过渡子层304为AlGaN/n-GaN周期叠加循环20个周期生长，单层AlGaN层的生长温度为1200℃，厚度为5nm，生长的压力为200mbar，单层n-GaN层的生长温度为1215℃，厚度为20nm，生长的压力为240mbar，Si掺的浓度为5×1018cm-3。
实施例3：
本实施例中外延结构的制备过程与上述实施例1的制备过程大致相同，不同之处在于，本实施例中生长复合过渡层3的第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303采用超晶格的形式生长，具体生长方式为沉积低温的复合缓冲层2后，反应室的gap位置从9mm调整到11mm，升温到1160℃，在压力为200mbar条件下通入3～10倍复合缓冲层2的NH3量，载气为H2和N2的混合气体，气体量以匹配生长复合过渡层的量为最适宜条件，先预通60s，预处理反应腔体里寄生反应的Al与残留的Al源，提高寄生反应Al的迁移率，减少点缺陷的形成；预处理完后，通入适宜的NH3和TMGa源生长200～500s，生长厚度为2～5nm的第一过渡子层301；生长完第一过渡子层301后，继续升温到1180℃，生长压力为300mbar，NH3量减少30～50%，TMGa流量增加10～30%，生长厚度为10～20nm的第二过渡子层302，生长完第二过渡子层302后，再继续温度升高到1210℃，NH3量和TMGa流量同第二过渡子层302流量，生长压力为300mbar，生长厚度约50～100nm厚的第三过渡子层303；然后重复上述第一过渡子层301、第二过渡子层302、第三过渡子层303依次叠加循环生长10～50周期形成超晶格结构，再在超晶格结构上生长第四过渡子层304。其中第四过渡子层304为GaN/n-GaN循环叠加生长20个周期，单层GaN层的生长温度为1225℃，厚度为15nm，生长的压力为240mbar，单层n-GaN层的生长温度为1210℃，厚度为10nm，生长的压力为240mbar，Si掺的浓度为5×1018cm-3。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LD外延结构，其特征在于：包括依次层叠生长于衬底上的复合缓冲层和复合过渡层，所述复合缓冲层包括依次层叠生长的第一缓冲子层、第二缓冲子层和第三缓冲子层，所述第一缓冲子层的材质形成于所述衬底上，所述第一缓冲子层的材质为AlN，所述第二缓冲子层的材质为AlxGa1-xN，所述第三缓冲子层的材质为AlyGa1-yN，其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层包括依次层叠生长的第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层，所述第一过渡子层生长于所述第三缓冲子层上，所述第一过渡子层为小岛形成层，所述第二过渡子层为大岛形成层，所述第三过渡子层为大岛合并填充层，所述第四过渡子层为超晶格层。
2.如权利要求1所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述第二缓冲子层和第三缓冲子层的厚度均大于第一缓冲子层的厚度。
3.如权利要求1所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述第一过渡子层的厚度小于第二过渡子层的厚度，所述第二过渡子层的厚度小于第三过渡子层的厚度。
4.如权利要求1所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述第四过渡子层为GaN超晶格层或AlGaN超晶格层或AlGaN/n-GaN超晶格层。
5.如权利要求4所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述第四过渡子层为GaN超晶格层，其单层为Si掺GaN子层，Si掺浓度为。
6.如权利要求1所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层依次循环叠加生长形成超晶格结构。
7.如权利要求1所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述衬底与复合缓冲层之间设有AlN模板。
8.如权利要求1所述的GaN基LD外延结构，其特征在于：所述复合过渡层上依次层叠生长有N型GaN层、n型AlGaN覆盖层、N型下波导层、多量子阱层、上波导层、p型电子阻挡层、p型AlGaN覆盖层和p型接触层。
9.如权利要求1～8任一项所述的GaN基LD外延结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、在衬底上依次生长第一缓冲子层、第二缓冲子层、第三缓冲子层形成复合缓冲层；
其中，第一缓冲子层和第二缓冲子层的生长温度小于第三缓冲子层的生长温度，第一缓冲子层和第二缓冲子层的生长压力小于第三缓冲子层的生长压力；
S2、在复合缓冲层上依次生长第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层、第四过渡子层形成复合过渡层；
其中，第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层的生长温度分别为T21、T22、T23、T24，且T21<T22<T23≤T24；第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层的生长压力分别为P21、P22、P23、P24，且P21>P22>P23=P24；第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层的生长载气量分别为F21、F22、F23，且F21>F22，F21>F23。
10.如权利要求9所述的GaN基LD外延结构的制备方法，其特征在于：生长所述复合缓冲层时的gap位置小于生长复合过渡层时gap位置，所述复合缓冲层的生长温度低于复合过渡层的生长温度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410076669.2A CN117613158B (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种GaN基LD外延结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410076669.2A CN117613158B (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种GaN基LD外延结构及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117613158A CN117613158A (zh) | 2024-02-27 |
| CN117613158B true CN117613158B (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=89951920
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410076669.2A Active CN117613158B (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 一种GaN基LD外延结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117613158B (zh) |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005285870A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Kyocera Corp | エピタキシャル基板 |
| KR100665301B1 (ko) * | 2005-06-30 | 2007-01-04 | 서울옵토디바이스주식회사 | 고효율 발광소자 |
| CN101604716A (zh) * | 2008-06-10 | 2009-12-16 | 北京大学 | 一种深紫外发光二极管及其制备方法 |
| CN105225931A (zh) * | 2015-09-30 | 2016-01-06 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法 |
| CN105449066A (zh) * | 2015-12-07 | 2016-03-30 | 南京理工大学 | 超晶格组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光阴极及制备方法 |
| CN108987538A (zh) * | 2017-06-02 | 2018-12-11 | 比亚迪股份有限公司 | Led外延结构及其制备方法和半导体器件 |
| CN110957403A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-03 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种led外延结构生长方法 |
| CN218039254U (zh) * | 2022-07-28 | 2022-12-13 | 江西兆驰半导体有限公司 | 氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管 |
| CN116111018A (zh) * | 2022-12-22 | 2023-05-12 | 厦门乾照光电股份有限公司 | 一种GaN基外延结构及其制作方法、GaN基发光器件 |
| CN116247506A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-09 | 武汉鑫威源电子科技有限公司 | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 |
| CN116978992A (zh) * | 2023-07-28 | 2023-10-31 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 发光二极管及其制备方法 |
| CN117410394A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-16 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 发光二极管及其制作方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10516076B2 (en) * | 2018-02-01 | 2019-12-24 | Silanna UV Technologies Pte Ltd | Dislocation filter for semiconductor devices |
-
2024
- 2024-01-19 CN CN202410076669.2A patent/CN117613158B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005285870A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-10-13 | Kyocera Corp | エピタキシャル基板 |
| KR100665301B1 (ko) * | 2005-06-30 | 2007-01-04 | 서울옵토디바이스주식회사 | 고효율 발광소자 |
| CN101604716A (zh) * | 2008-06-10 | 2009-12-16 | 北京大学 | 一种深紫外发光二极管及其制备方法 |
| CN105225931A (zh) * | 2015-09-30 | 2016-01-06 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | AlN模板及其生长方法、基于AlN模板的Si基GaN外延结构及其生长方法 |
| CN105449066A (zh) * | 2015-12-07 | 2016-03-30 | 南京理工大学 | 超晶格组分渐变缓冲层透射式AlGaN紫外光阴极及制备方法 |
| CN108987538A (zh) * | 2017-06-02 | 2018-12-11 | 比亚迪股份有限公司 | Led外延结构及其制备方法和半导体器件 |
| CN110957403A (zh) * | 2019-12-24 | 2020-04-03 | 湘能华磊光电股份有限公司 | 一种led外延结构生长方法 |
| CN218039254U (zh) * | 2022-07-28 | 2022-12-13 | 江西兆驰半导体有限公司 | 氮化镓基外延片及氮化镓基发光二极管 |
| CN116111018A (zh) * | 2022-12-22 | 2023-05-12 | 厦门乾照光电股份有限公司 | 一种GaN基外延结构及其制作方法、GaN基发光器件 |
| CN116247506A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-09 | 武汉鑫威源电子科技有限公司 | 一种高性能氮化镓基激光器及其N型GaN层和生长方法 |
| CN116978992A (zh) * | 2023-07-28 | 2023-10-31 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 发光二极管及其制备方法 |
| CN117410394A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-16 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 发光二极管及其制作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117613158A (zh) | 2024-02-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115472718B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN115714155A (zh) | 深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外发光二极管 | |
| CN114628555B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN114759124A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116230825B (zh) | 一种氢杂质调控空穴注入层的led外延片及其制备方法 | |
| CN116072780B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN109860353B (zh) | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN110311022A (zh) | GaN基发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN109860358A (zh) | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN115986018A (zh) | 一种外延片、外延片制备方法及发光二极管 | |
| CN112687773B (zh) | 紫外发光二极管的外延片及其制备方法 | |
| CN116314510B (zh) | 复合非掺杂AlGaN层及制备方法、外延片及LED | |
| CN115863503B (zh) | 深紫外led外延片及其制备方法、深紫外led | |
| CN117199203A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN109786522B (zh) | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN109473521B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116565097A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN218351492U (zh) | 外延片及发光二极管 | |
| CN117613158B (zh) | 一种GaN基LD外延结构及其制备方法 | |
| CN115020552A (zh) | 一种GaN基LED外延片、外延生长方法及LED芯片 | |
| CN111883623B (zh) | 近紫外发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN109461802B (zh) | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN109873063B (zh) | 发光二极管外延片及其生长方法 | |
| CN116682909B (zh) | 一种led外延片、制备方法及led芯片 | |
| CN109904287A (zh) | 发光二极管外延片及其生长方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |