一种发光二极管的外延片及其生长方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其生长方法。

背景技术：

以氮化镓为代表的半导体发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)，具有禁带宽度大、高电子饱和漂移速度、耐高温、大功率容量等优良特性，其三元合金InGaN的带隙从0.7ev到3.4ev连续可调，发光波长覆盖可见光和紫外线的整个区域，在新兴的光电产业中具有广大的前景。

GaN基LED外延片是在异质基底(如蓝宝石衬底)上进行外延生长而成，GaN和衬底之间晶格失配度大。为了改善GaN和衬底之间的晶格匹配，通常先在基底上采用低温低压的方式生长由三维岛状的晶粒组成的缓冲层，再在缓冲层上生长未掺杂GaN层、N型GaN层、InGaN量子阱层和GaN量子垒交替而成的发光层、P型GaN层。

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：

虽然三维岛状的晶粒组成的缓冲层可以改善GaN和衬底之间的晶格匹配，但是采用低温低压的方式生长缓冲层，容易导致刃位错、螺旋位错等晶格缺陷，位错很难消除，而且会穿过未掺杂GaN层和N型GaN层到达发光层，造成内量子效率降低。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其生长方法。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、发光层、P型GaN层，所述缓冲层中掺杂有Mg。

可选地，所述缓冲层包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、交替层叠的InGaN层和AlGaN层中的一种。

可选地，所述缓冲层中Mg的掺杂浓度按照以下方式中的一种变化：保持不变、沿所述外延片的层叠方向逐渐增加、沿所述外延片的层叠方向逐渐减少、沿所述外延片的层叠方向先逐渐增加再逐渐减少、沿所述外延片的层叠方向交替变成两种不同掺杂浓度的一种。

可选地，Mg掺杂在整个所述缓冲层中，或者Mg掺杂在所述缓冲层中靠近所述衬底的部分中，或者Mg掺杂在所述缓冲层中靠近所述未掺杂GaN层的部分中。

可选地，所述缓冲层中Mg的掺杂浓度小于所述P型GaN层中P型掺杂剂的掺杂浓度。

可选地，所述缓冲层的厚度为10～1000nm。

可选地，所述未掺杂GaN层的的厚度为50nm以上。

可选地，所述衬底的材料采用Si、蓝宝石、SiC中的一种。

另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，所述生长方法包括：

在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、发光层、P型GaN层；

其中，所述缓冲层中掺杂有Mg。

可选地，所述缓冲层的生长温度为700～1100℃。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在缓冲层中掺杂Mg，Mg可以诱导缓冲层的材料从二维生长转向三维生长，形成三维岛状的晶粒，不再需要缓冲层采用低温低压的生长方式，缓冲层的生长温度可以提高，从而减少刃位错、螺旋位错等晶格缺陷的产生，提高外延片的晶体质量，提高LED的内量子效率和抗静电能力。而且缓冲层和N型GaN层之间设置有未掺杂GaN层，未掺杂GaN层可以起到隔断的作用，避免缓冲层中掺杂Mg影响N型GaN层中的电子注入发光层复合发光。

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是本发明实施例一提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；

图2a-图2e是本发明实施例一提供的缓冲层中Mg的掺杂浓度的变化示意图；

图3a-图3c是本发明实施例一提供的缓冲层中Mg的掺杂位置的分布示意图；

图4是本发明实施例二提供的一种发光二极管的外延片的生长方法的流程示意图。

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。

实施例一

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，参见图1，该外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、发光层5、P型GaN层6。

在本实施例中，缓冲层中掺杂有Mg。

具体地，缓冲层中Mg的掺杂浓度小于P型GaN层中P型掺杂剂的掺杂浓度。

可选地，缓冲层可以包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、交替层叠的InGaN层和AlGaN层中的一种。

可选地，缓冲层中Mg的掺杂浓度可以按照以下方式中的一种变化：保持不变(如图2a所示)、沿外延片的层叠方向逐渐增加(如图2b所示)、沿外延片的层叠方向逐渐减少(如图2c所示)、沿外延片的层叠方向先逐渐增加再逐渐减少(如图2d所示)、沿外延片的层叠方向交替变成两种不同掺杂浓度(如图2e所示)的一种。

可选地，Mg可以掺杂在整个缓冲层中(如图3a所示)，也可以掺杂在缓冲层中靠近衬底的部分中(如图3b所示)，还可以掺杂在缓冲层中靠近未掺杂GaN层的部分中(如图3c所示)。

可选地，缓冲层的厚度可以为10～1000nm。

可选地，衬底的材料可以采用Si、蓝宝石、SiC中的一种，本发明特别适用于这种衬底与GaN晶格失配度大的外延片。

可选地，未掺杂GaN层的的厚度可以为50nm以上，以在缓冲层和N型GaN层之间起到隔断的作用，避免缓冲层中的空穴影响N型GaN层中的电子注入发光层与P型GaN层的空穴复合发光。

可选地，发光层可以包括依次层叠的若干发光子层，发光子层包括量子阱层和层叠在量子阱层上的量子垒层。

具体地，可以量子阱层为InGaN层，量子垒层为GaN层；也可以量子阱层为InGaN层，量子垒层为AlGaN层；还可以量子阱层为GaN层，量子垒层为AlGaN层。

具体地，N型GaN层可以采用Si作为N型掺杂剂，P型GaN层可以采用Mg作为P型掺杂剂。

可选地，该外延片还可以包括层叠在N型GaN层和发光层之间的应力释放层，如由InGaN层和GaN层交替层叠而成的超晶格层。

可选地，该外延片还可以包括层叠在发光层和P型GaN层之间的电子阻挡层，如P型AlGaN层。

可选地，该外延片还可以包括层叠在P型GaN层上的P型接触层。

本发明实施例通过在缓冲层中掺杂Mg，Mg可以诱导缓冲层的材料从二维生长转向三维生长，形成三维岛状的晶粒，不再需要缓冲层采用低温低压的生长方式，缓冲层的生长温度可以提高，从而减少刃位错、螺旋位错等晶格缺陷的产生，提高外延片的晶体质量，提高LED的内量子效率和抗静电能力。而且缓冲层和N型GaN层之间设置有未掺杂GaN层，未掺杂GaN层可以起到隔断的作用，避免缓冲层中掺杂Mg影响N型GaN层中的电子注入发光层复合发光。

实施例二

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，适用于生长实施例一提供的外延片。实现时采用高纯H₂或者N₂作为载气，采用TMGa、TMAl、TMIn和NH₃分别作为Ga源、Al源、In源和N源，采用SiH₄和Cp₂Mg分别作为N型掺杂剂和P型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。

具体地，参见图4，该生长方法包括：

步骤201：在衬底上生长缓冲层。

在本实施例中，缓冲层中掺杂有Mg。

具体地，缓冲层中Mg的掺杂浓度小于P型GaN层中P型掺杂剂的掺杂浓度。

可选地，缓冲层可以包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、交替层叠的InGaN层和AlGaN层中的一种。

可选地，缓冲层中Mg的掺杂浓度可以按照以下方式中的一种变化：保持不变、沿外延片的层叠方向逐渐增加、沿外延片的层叠方向逐渐减少、沿外延片的层叠方向先逐渐增加再逐渐减少、沿外延片的层叠方向交替变成两种不同掺杂浓度的一种。

可选地，Mg可以掺杂在整个缓冲层中，也可以掺杂在缓冲层中靠近衬底的部分中，还可以掺杂在缓冲层中靠近未掺杂GaN层的部分中。

可选地，衬底的材料可以采用Si、蓝宝石、SiC中的一种，本发明特别适用于这种衬底与GaN晶格失配度大的外延片。

可选地，缓冲层的厚度可以为10～1000nm。

可选地，该步骤201可以包括：

将衬底在1300℃的H₂气氛下进行热处理10分钟，以清洁衬底表面；

在衬底上生长一层厚度为20～300nm的掺杂有Mg的缓冲层。

具体地，在衬底上生长一层厚度为20～300nm的掺杂有Mg的缓冲层，可以包括：

在衬底上生长一层厚度为100nm的GaN层；

在GaN层上生长一层厚度为200nm的掺杂Mg的GaN层。

步骤202：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。

可选地，未掺杂GaN层的的厚度可以为50nm以上，以在缓冲层和N型GaN层之间起到隔断的作用，避免缓冲层中的空穴影响N型GaN层中的电子注入发光层与P型GaN层的空穴复合发光。

具体地，该步骤202可以包括：

将温度调节为1100℃，在缓冲层上生长一层厚度为3μm的非掺杂GaN层。

在实际应用中，非掺杂GaN层也可以采用非掺杂AlGaN层代替。

步骤203：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。

具体地，N型GaN层可以采用Si作为N型掺杂剂。

具体地，该步骤203可以包括：

在未掺杂GaN层上生长一层厚度为2μm的掺杂Si的GaN层。

步骤204：在N型GaN层上生长发光层。

可选地，发光层可以包括依次层叠的若干发光子层，发光子层包括量子阱层和层叠在量子阱层上的量子垒层。

具体地，可以量子阱层为InGaN层，量子垒层为GaN层；也可以量子阱层为InGaN层，量子垒层为AlGaN层；还可以量子阱层为GaN层，量子垒层为AlGaN层。

例如，量子垒层为10～20nm的GaN层，量子阱层为1～5nm的InGaN层且In组分含量为5％～10％。

步骤205：在发光层上生长P型GaN层。

具体地，P型GaN层可以采用Mg作为P型掺杂剂。

具体地，该步骤205可以包括：

在发光层上生长厚度为300nm的掺杂Mg的GaN层。

本发明实施例通过在缓冲层中掺杂Mg，Mg可以诱导缓冲层的材料从二维生长转向三维生长，形成三维岛状的晶粒，不再需要缓冲层采用低温低压的生长方式，缓冲层的生长温度可以提高，从而减少刃位错、螺旋位错等晶格缺陷的产生，提高外延片的晶体质量，提高LED的内量子效率和抗静电能力。而且缓冲层和N型GaN层之间设置有未掺杂GaN层，未掺杂GaN层可以起到隔断的作用，避免缓冲层中掺杂Mg影响N型GaN层中的电子注入发光层复合发光。

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。