一種GaN基發光二極管的外延片及其生長方法與流程
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種GaN基發光二極管的外延片及其生長方法。
背景技術：
發光二極管(英文：Light Emitting Diodes，簡稱：LED)具有體積小、顏色豐富多彩、使用壽命長等優點，是信息光電子新興產業中極具影響力的新產品，廣泛應用于照明、顯示屏、信號燈、背光源、玩具等領域。GaN是制作LED的理想材料，以GaN為代表的Ⅲ族氮化物是直接帶隙的寬禁帶半導體，具有導熱率高、發光效率高、物理化學性質穩定、能實現P型或N型摻雜的優點，GaN的多元合金InGaN和GaN構成的量子阱結構，不但發光波長可覆蓋整個可見光區域，而且具有較高的內量子效率。
現有的GaN基LED外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在藍寶石襯底上的緩沖層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、多量子阱層、P型GaN層。其中，多量子阱層包括交替層疊的InGaN量子阱層和GaN量子壘層。
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：
隨著近年來經濟的不斷發展和人力成本的不斷提高，LED芯片廠商已經逐步朝大尺寸外延工藝(大于2英寸的外延片)發展，以提高生產效率和LED芯片產能(如6英寸外延片的芯片產能是4英寸外延片的2倍、3英寸外延片的3～4倍、2英寸外延片的8～9倍)，降低生產成本。GaN和藍寶石之間存在晶格失配，造成LED外延片高密度缺陷、熱膨脹系數大，產生的應力無法充分釋放，外延片表面不平整，而大尺寸外延片相比傳統的2英寸外延片，具有更高的翹曲度，破片率較高，嚴重制約大尺寸外延技術的發展。
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GaN基發光二極管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GaN基發光二極管的外延片，所述外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在所述藍寶石襯底上的緩沖層、未摻雜的GaN層、N型層、多量子阱層、P型層，所述外延片還包括層疊在所述未摻雜的GaN層和所述N型層之間的應力釋放層，所述應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，0≤x＜1，所述SiN層中Si組分含量按照如下任一種方式變化：保持不變、沿所述外延片的層疊方向線性增大、沿所述外延片的層疊方向線性減小、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向逐層增大、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向逐層減小、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向先逐層增大再逐層減小、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向先逐層減小再逐層增大。
可選地，所述SiN層的厚度與所述未摻雜的AlxGa1-xN層的厚度相同或者不同。
可選地，所述AlxGa1-xN層中Al組分含量保持不變或者沿所述外延片的層疊方向變化。
可選地，所述P型層包括依次層疊在所述多量子阱層上的P型電子阻擋層、P型空穴提供層、P型接觸層。
另一方面，本發明實施例提供了一種GaN基發光二極管的外延片的生長方法，所述生長方法包括：
提供一藍寶石襯底；
在所述藍寶石襯底上依次生長緩沖層、未摻雜的GaN層、應力釋放層、N型層、多量子阱層、P型層；
其中，所述應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，0≤x＜1，所述SiN層中Si組分含量按照如下任一種方式變化：保持不變、沿所述外延片的層疊方向線性增大、沿所述外延片的層疊方向線性減小、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向逐層增大、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向逐層減小、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向先逐層增大再逐層減小、單層保持不變且沿所述外延片的層疊方向先逐層減小再逐層增大。
可選地，所述SiN層的生長溫度與所述未摻雜的AlxGa1-xN層的生長溫度相同或者不同。
可選地，所述SiN層的生長壓力與所述未摻雜的AlxGa1-xN層的生長壓力相同或者不同。
可選地，所述SiN層的厚度與所述未摻雜的AlxGa1-xN層的厚度相同或者不同。
可選地，所述AlxGa1-xN層中Al組分含量保持不變或者沿所述外延片的層疊方向變化。
可選地，所述P型層包括依次層疊在所述多量子阱層上的P型電子阻擋層、P型空穴提供層、P型接觸層。
本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：
通過在未摻雜的GaN層和N型層之間設置應力釋放層，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，Al原子的半徑較大，Si原子的半徑較小，線性缺陷通過Al原子的伸展方向和通過Si原子的伸展方向完全不同，交替設置AlxGa1-xN層和SiN層可以不斷改變GaN和藍寶石之間晶格失配產生的線性缺陷的轉向，破壞線性缺陷延伸到多量子阱層，而且AlxGa1-xN層和SiN層交替層疊形成超晶格結構，有利于應力的釋放，改善外延片的翹曲，減小外延片的中心和邊緣之間的溫差，改善外延片的均勻性，尤其是大尺寸外延片的均勻性，推動大尺寸外延技術的發展。
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，對于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GaN基發光二極管的外延片的結構示意圖；
圖2a-圖2g是本發明實施例一提供的未摻雜的AlxGa1-xN層中Al組分含量的變化示意圖；
圖3是本發明實施例二提供的一種GaN基發光二極管的外延片的生長方法的流程示意圖；
圖4是本發明實施例三提供的一種GaN基發光二極管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GaN基發光二極管的外延片，參見圖1，該外延片包括藍寶石襯底1、以及依次層疊在藍寶石襯底1上的緩沖層2、未摻雜的GaN層3、應力釋放層4、N型層5、多量子阱層6、P型層7。
在本實施例中，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，0≤x＜1。SiN層中Si組分含量按照如下任一種方式變化：保持不變(如圖2a所示)、沿外延片的層疊方向線性增大(如圖2b所示)、沿外延片的層疊方向線性減小(如圖2c所示)、單層保持不變且沿外延片的層疊方向逐層增大(如圖2d所示)、單層保持不變且沿外延片的層疊方向逐層減小(如圖2e所示)、單層保持不變且沿外延片的層疊方向先逐層增大再逐層減小(如圖2f所示)、單層保持不變且沿外延片的層疊方向先逐層減小再逐層增大(如圖2g所示)。
可選地，SiN層的厚度與未摻雜的AlxGa1-xN層的厚度可以相同，也可以不同。
可選地，AlxGa1-xN層中Al組分含量可以保持不變，也可以沿外延片的層疊方向變化。
可選地，P型層可以包括依次層疊在多量子阱層上的P型電子阻擋層、P型空穴提供層、P型接觸層。
具體地，緩沖層可以為AlN層或者GaN層，N型層可以為摻雜Si的GaN層，多量子阱層可以包括交替層疊的InGaN量子阱層和GaN量子壘層，P型電子阻擋層可以為摻雜Mg的AlGaN層，P型空穴提供層可以為摻雜Mg的GaN層，P型接觸層可以為摻雜Mg的GaN層。
本發明實施例通過在未摻雜的GaN層和N型層之間設置應力釋放層，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，Al原子的半徑較大，Si原子的半徑較小，線性缺陷通過Al原子的伸展方向和通過Si原子的伸展方向完全不同，交替設置AlxGa1-xN層和SiN層可以不斷改變GaN和藍寶石之間晶格失配產生的線性缺陷的轉向，破壞線性缺陷延伸到多量子阱層，而且AlxGa1-xN層和SiN層交替層疊形成超晶格結構，有利于應力的釋放，改善外延片的翹曲，減小外延片的中心和邊緣之間的溫差，改善外延片的均勻性，尤其是大尺寸外延片的均勻性，推動大尺寸外延技術的發展。另外實驗證明，SiN層中Si組分含量沿外延片的層疊方向線性增大、線性減小、逐層增大、逐層減小，先逐層增大再逐層減小或者先逐層減小再逐層增大時，不僅可以降低外延片的正向電壓，而且可以提高外延片的抗靜電能力，提高了發光二極管的光電性能。
實施例二
本發明實施例提供了一種GaN基發光二極管的外延片的生長方法，適用于生長實施例一提供的外延片，參見圖3，該生長方法包括：
步驟201：提供一藍寶石襯底。
步驟202：在藍寶石襯底上依次生長緩沖層、未摻雜的GaN層、應力釋放層、N型層、多量子阱層、P型層。
在本實施例中，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，0≤x＜1。SiN層中Si組分含量按照如下任一種方式變化：保持不變、沿外延片的層疊方向線性增大、沿外延片的層疊方向線性減小、單層保持不變且沿外延片的層疊方向逐層增大、單層保持不變且沿外延片的層疊方向逐層減小、單層保持不變且沿外延片的層疊方向先逐層增大再逐層減小、單層保持不變且沿外延片的層疊方向先逐層減小再逐層增大。
可選地，SiN層的生長溫度與未摻雜的AlxGa1-xN層的生長溫度可以相同，也可以不同。
可選地，SiN層的生長壓力與未摻雜的AlxGa1-xN層的生長壓力可以相同，也可以不同。
可選地，SiN層的厚度與未摻雜的AlxGa1-xN層的厚度可以相同，也可以不同。
可選地，AlxGa1-xN層中Al組分含量可以保持不變，也可以沿外延片的層疊方向變化。
可選地，P型層可以包括依次層疊在多量子阱層上的P型電子阻擋層、P型空穴提供層、P型接觸層。
具體地，緩沖層可以為AlN層或者GaN層，N型層可以為摻雜Si的GaN層，多量子阱層可以包括交替層疊的InGaN量子阱層和GaN量子壘層，P型電子阻擋層可以為摻雜Mg的AlGaN層，P型空穴提供層可以為摻雜Mg的GaN層，P型接觸層可以為摻雜Mg的GaN層。
本發明實施例通過在未摻雜的GaN層和N型層之間設置應力釋放層，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，Al原子的半徑較大，Si原子的半徑較小，線性缺陷通過Al原子的伸展方向和通過Si原子的伸展方向完全不同，交替設置AlxGa1-xN層和SiN層可以不斷改變GaN和藍寶石之間晶格失配產生的線性缺陷的轉向，破壞線性缺陷延伸到多量子阱層，而且AlxGa1-xN層和SiN層交替層疊形成超晶格結構，有利于應力的釋放，改善外延片的翹曲，減小外延片的中心和邊緣之間的溫差，改善外延片的均勻性，尤其是大尺寸外延片的均勻性，推動大尺寸外延技術的發展。另外實驗證明，SiN層中Si組分含量沿外延片的層疊方向線性增大、線性減小、逐層增大、逐層減小，先逐層增大再逐層減小或者先逐層減小再逐層增大時，不僅可以降低外延片的正向電壓，而且可以提高外延片的抗靜電能力，提高了發光二極管的光電性能。
實施例三
本發明實施例提供了一種GaN基發光二極管的外延片的生長方法，是實施例一提供的生長方法的具體實現，實現時以高純氫(H2)或氮氣(N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂鎂(Cp2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
具體地，參見圖4，該生長方法包括：
步驟301：將襯底先升溫到500℃，再升溫到800℃并穩定30s，再升溫到1000℃并穩定30s，再升溫到1230℃并穩定10min，在純氫氣氣氛下進行熱處理。
需要說明的是，熱處理的目的是清潔襯底表面。
步驟302：降低溫度至630℃，沉積一層厚度為30nm的GaN層，形成緩沖層。
步驟303：先升溫到800℃并穩定30s，再升溫到1000℃并穩定30s，再升溫到1255℃并穩定300s，生長2.5μm的未摻雜的GaN層。
步驟304：在未摻雜的GaN層上生長應力釋放層。
在本實施例中，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，0≤x＜1。SiN層中Si組分含量按照如下任一種方式變化：保持不變、沿外延片的層疊方向線性增大、沿外延片的層疊方向線性減小、單層保持不變且沿外延片的層疊方向逐層增大、單層保持不變且沿外延片的層疊方向逐層減小、單層保持不變且沿外延片的層疊方向先逐層增大再逐層減小、單層保持不變且沿外延片的層疊方向先逐層減小再逐層增大。
例如，在1295℃的溫度和200mbar的壓力下，生長厚度為10nm的AlxGa1-xN層；在1285℃的溫度和133mbar的壓力下，生長厚度為5nm的SiN層；……如此循環生長15層AlxGa1-xN層和15層SiN層。其中，AlxGa1-xN層中Al組分含量(即x)保持為0.15，SiN層中Si的流量從15ml/min逐層減小到0ml/min(SiN層中Si組分含量相應沿外延片的層疊方向線性減小)。
步驟305：在1285℃的溫度下，生長厚度為2μm的摻雜Si的GaN層，形成N型層。
步驟306：交替生長9層InGaN量子阱層和9層GaN量子壘層，形成多量子阱層。
在本實施例中，InGaN量子阱層的厚度為3nm，InGaN量子阱層的生長溫度為880℃；GaN量子壘層的厚度為12nm，GaN量子壘層的生長溫度為985℃。
步驟307：在980℃的溫度下，生長50nm的摻雜Mg的AlGaN層，形成P型電子阻擋層。
步驟308：在1090℃的溫度下，生長200nm的生長摻雜Mg的GaN層，形成P型空穴提供層。
步驟309：在1120℃的溫度下，生長10nm的生長摻雜Mg的GaN層，形成P型接觸層。
本發明實施例通過在未摻雜的GaN層和N型層之間設置應力釋放層，應力釋放層包括交替層疊的未摻雜的AlxGa1-xN層和SiN層，Al原子的半徑較大，Si原子的半徑較小，線性缺陷通過Al原子的伸展方向和通過Si原子的伸展方向完全不同，交替設置AlxGa1-xN層和SiN層可以不斷改變GaN和藍寶石之間晶格失配產生的線性缺陷的轉向，破壞線性缺陷延伸到多量子阱層，而且AlxGa1-xN層和SiN層交替層疊形成超晶格結構，有利于應力的釋放，改善外延片的翹曲，減小外延片的中心和邊緣之間的溫差，改善外延片的均勻性，尤其是大尺寸外延片的均勻性，推動大尺寸外延技術的發展。另外實驗證明，SiN層中Si組分含量沿外延片的層疊方向線性增大、線性減小、逐層增大、逐層減小，先逐層增大再逐層減小或者先逐層減小再逐層增大時，不僅可以降低外延片的正向電壓，而且可以提高外延片的抗靜電能力，提高了發光二極管的光電性能。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，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范圍之內。
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