一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法与流程

本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种gan基发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术：

gan(氮化镓)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特型，被广泛应用于制作蓝、绿、以及紫外发光二极管。gan基发光二极管通常包括外延片和设于外延片上的电极。

现有的一种gan基发光二极管的外延片，其包括衬底、以及依次生长在衬底上的缓冲层、gan成核层、填平层、未掺杂的gan层、n型层、多量子阱层(又称有源层)、电子阻挡层和p型层。当有电流通过时，n型层的电子和p型层的空穴进入多量子阱层阱区并且复合，发出可见光。其中，衬底为图形化蓝宝石衬底(al2o3)。图形化蓝宝石衬底生长gan外延层(包括沉积在缓冲层上的其他层)能够增加外延层底层(包括gan成核层和填平层)反射，并且图形的底宽越大，越有利于器件出光。

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：在图形化蓝宝石衬底上生长gan外延层主要是得到基于蓝宝石c向面生成的gan外延层。对于图形化蓝宝石衬底，图形之间的衬底表面为蓝宝石衬底c向面。当图形周期不变且图形的底宽变大时，图形之间的蓝宝石c向面的面积变小，这增加了在c向面上生长外延层的难度。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种gan基发光二极管外延片及其制备方法，能够在蓝宝石c向面的面积比较小的情况下生长gan基外延层。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种gan基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

提供衬底，所述衬底为图形化蓝宝石衬底，所述图形化蓝宝石衬底的底宽等于或大于2.9微米；

在所述衬底上沉积缓冲层；

在所述缓冲层上沉积gan成核层，所述gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，所述高温低压gan层位于所述缓冲层与所述低温高压gan层之间；

顺次在所述gan成核层上沉积gan高温填平层、未掺杂gan层、n型层、多量子阱层和p型层。

可选地，所述在所述缓冲层上沉积gan成核层，包括：

驱动沉积有所述缓冲层的衬底转动，并在转动的所述缓冲层上沉积所述高温低压gan层和所述低温高压gan层，所述高温低压gan层的生长温度为1030～1060℃、生长压力为100～300torr，所述低温高压gan层的生长温度为1000～1030℃、生长压力为400～600torr，所述高温低压gan层的厚度小于所述低温高压gan层的厚度，所述gan成核层的厚度为1～2微米。

可选地，在沉积所述高温低压gan层时，所述衬底的转速为1000～1200转/分钟，

在沉积所述低温高压gan层时，所述衬底的转速为400～600转/分钟。

可选地，所述缓冲层包括aln层和bgan层，所述aln层位于所述衬底与所述bgan层之间，所述在所述衬底上沉积缓冲层，包括：

在所述衬底上沉积所述aln层，所述aln层的厚度为5～20nm，所述aln层的生长压力为100～200torr，所述aln层的生长温度为500～600℃；

在所述aln层上沉积所述bgan层，所述bgan层的厚度为10～30nm，所述bgan层的生长压力为100～200torr，所述bgan层的生长温度为500～600℃。

可选地，所述在所述aln层上沉积所述bgan层，包括：

将沉积有所述aln层的衬底放置到金属有机化合物化学气相沉淀设备的生长室内；

向所述生长室持续通入第一反应气体、以及向所述生长室间隔通入第二反应气体，以在所述aln层上沉积所述bgan层，所述第一反应气体包括teb和nh3，所述第二反应气体包括tmga或者tega。

可选地，所述gan高温填平层的厚度为1～2微米，所述gan高温填平层的生长压力为100～300torr，所述gan高温填平层的生长温度为1100～1150℃。

另一方面，提供了一种gan基发光二极管外延片，所述外延片包括：图形化蓝宝石衬底、顺次在所述图形化蓝宝石衬底上沉积的缓冲层、gan成核层、gan高温填平层、未掺杂gan层、n型层、多量子阱层和p型层，所述图形化蓝宝石衬底的底宽等于或大于2.9微米，所述gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，所述高温低压gan层位于所述缓冲层与所述低温高压gan层之间。

可选地，所述高温低压gan层的厚度小于所述低温高压gan层的厚度，所述gan成核层的厚度为1～2微米。

可选地，所述缓冲层包括aln层和bgan层，所述aln层位于所述衬底与所述bgan层之间。

可选地，所述aln层的厚度为5～20nm，所述bgan层的厚度为10～30nm。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，高温低压gan层位于缓冲层与低温高压gan层之间，gan成核层的生长主要是在缓冲层上形成晶核，并不断长大形成小岛，在gan成核层的初始生长阶段，通过高温低压的生长方式，有益于在图形化蓝宝石衬底上的图形上、以及图形之间的蓝宝石c向面上形成初始的gan岛，且初始的gan岛的三维方向大多与蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维方向相同；而在gan成核层的后段生长阶段，通过低温高压的生长方式，有利于蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维生长，这样，采用两步生长gan成核层的方式，能够在大底宽的图形化蓝宝石衬底且蓝宝石c向面的面积比较小时更好地成核，在保证晶体质量没有变差的基础上，增加器件的外量子效率。

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gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种gan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gan基发光二极管外延片的结构示意图。

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gan基发光二极管外延片的制备方法。参见图1，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

其中，衬底为图形化蓝宝石衬底，图形化蓝宝石衬底的底宽等于或大于2.9微米。

步骤102、在衬底上沉积缓冲层。

示例性地，缓冲层包括aln层；或者，缓冲层包括aln层和bgan层，aln层位于衬底与bgan层之间。

当缓冲层包括aln层和bgan层时，由于b原子的半径分别比al原子和ga原子的半径小，bgan材料中b与ga进行综合，bgan材料的晶格常数接近蓝宝石衬底、aln材料、以及gan材料的晶格常数，那么，从蓝宝石衬底、aln材料到gan材料通过bgan材料进行过渡，能够提供反向的压应力，对蓝宝石衬底、aln材料、以及gan材料之间的晶格失配、以及大底宽衬底所带来的张应力进行抵消，从而减少或者消除多量子阱层的偏凸现象，提高器件的光电转换效率；同时在保证晶体质量没有变差的基础上，较大的底宽可以增加器件的外量子效率。

步骤103、在缓冲层上沉积gan成核层。

其中，gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，高温低压gan层位于缓冲层与低温高压gan层之间。

步骤104、顺次在gan成核层上沉积gan高温填平层、未掺杂gan层、n型层、多量子阱层和p型层。

本发明实施例通过gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，高温低压gan层位于缓冲层与低温高压gan层之间，gan成核层的生长主要是在缓冲层上形成晶核，并不断长大形成小岛，在gan成核层的初始生长阶段，通过高温低压的生长方式，有益于在图形化蓝宝石衬底上的图形上、以及图形之间的蓝宝石c向面上形成初始的gan岛，且初始的gan岛的三维方向大多与蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维方向相同；而在gan成核层的后段生长阶段，通过低温高压的生长方式，有利于蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维生长，这样，采用两步生长gan成核层的方式，能够在大底宽的图形化蓝宝石衬底且蓝宝石c向面的面积比较小时更好地成核，在保证晶体质量没有变差的基础上，增加器件的外量子效率。

图2示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法。参见图2，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底。

示例性地，衬底可以为图形化蓝宝石衬底(patternedsapphiresubstrate，简称pss)。采用pss生长gan基发光二极管外延片，可以增强发光二极管的出射光亮度，同时反向漏电流减小，发光二极管的寿命也得到了延长。

示例性地，pss的底宽等于或大于2.9微米。底宽为pss上图形的直径。底宽等于或大于2.9微米的pss也称为大晶胞底宽衬底。

示例性地，pss的底宽为2.9微米，pss的图形周期可以是3.0微米或者3.05微米，这时，在相邻图形之间的c面长度为0.1或者0.15微米。c面为pss上生长gan基外延层的面。

示例性地，pss的图形高度为1.7～2.0微米。

步骤202、在衬底上沉积aln层。

示例性地，采用物理气相沉积(physicalvapordeposition，简称pvd)方法，例如磁控溅射法，在衬底上沉积aln层。aln层的厚度为5～20nm，aln层的生长压力为100～200torr，aln层的生长温度为500～600℃。

示例性地，可以在金属有机化合物化学气相沉淀(metal-organicchemicalvapordeposition，简称mocvd)方法沉积bgan层、gan成核层、gan高温填平层、未掺杂gan层、n型层、多量子阱层和p型层。该制备方法可以采用mocvd设备实现。在该制备方法中，以高纯h2(氢气)、以及n2(氮气)作为载气，以tmga(三甲基稼)或者tega(三乙基稼)作为ga源，以tmal(三甲基铝)作为al源，以teb(三乙基硼)作为b源，以tmin(三甲基铟)作为in源，以nh3(氨气)作为n源，用sih4(硅烷)作为n型掺杂剂，用cp2mg(二茂镁)作为p型掺杂剂。

步骤203、在h2气氛中对沉积有aln层的衬底进行预热处理。

具体地，将沉积有aln层的衬底放入mocvd设备中，使衬底在h2气氛中热处理10～15分钟，热处理温度可以为1000～1040℃。

步骤204、驱动沉积有aln层的衬底转动，顺次在衬底上沉积bgan层、gan成核层、gan高温填平层、未掺杂gan层、n型层、多量子阱层和p型层。

具体地，沉积有aln层的衬底放置在mocvd设备的生长室的托盘上。在通过mocvd设备生长gan基外延层的过程中，驱动托盘转动，以在转动的衬底上生长gan基外延层。步骤204包括如下步骤2041-步骤2049。

步骤2041、在转动的aln层上沉积bgan层。

示例性地，步骤2041可以包括：向生长室持续通入第一反应气体、以及向生长室间隔通入第二反应气体，以在aln层上沉积bgan层。其中，第一反应气体包括teb和nh3，第二反应气体包括tmga或者tega。

示例性地，间隔通入第二反应气体的实现方式包括：先通电生成脉冲信号，再在脉冲周期的通电时间向生长室通入第二反应气体。其中，脉冲信号的占空比可以为10％-60％。

示例性地，bgan层的厚度为10～30nm，bgan层的生长压力为100～200torr，bgan层的生长温度为500～600℃。

bgan层的生长温度较低。在生长温度较低时，有利于形成成核岛。但是，低温时b原子的表面迁移率也比较低，假若持续地向生长室通入ga源和b源，b的低表面迁移率将导致成核岛过密，造成衬底上图形与图形之间的填平界面产生较多的缺陷。为了解决该问题，采用间隔通入tmga或者tega的方式，增加b原子数量，提高b的表面迁移率，这样，可以避免由于b的低表面迁移率导致的成核岛过密，从而造成填平界面产生较多的缺陷，提高gan外延层的晶体质量。此外，采用间隔通入tmga或者tega的方式，可以减少通入的ga源与al源之间产生预反应，避免预反应影响gan外延层的晶体质量。

步骤2042、在转动的bgan层上沉积高温低压gan层。

示例性地，高温低压gan层的生长温度为1030～1060℃，生长压力为100～300torr。

示例性地，在沉积高温低压gan层时，衬底的转速为1000～1200转/分钟。

步骤2043、在转动的高温低压gan层上沉积低温高压gan层。

示例性地，低温高压gan层的生长温度为1000～1030℃、生长压力为400～600torr。

示例性地，在沉积低温高压gan层时，衬底的转速为400～600转/分钟。

示例性地，生长高温低压gan层通入的tmga或者tega的流量、小于生长低温高压gan层通入的tmga或者tega的流量。这样，低温高压gan层在高压和高流量的生长条件下，低温高压gan层的生长速率远大于高温低压gan层的生长速率，这利于gan岛的形成。

示例性地，高温低压gan层的厚度小于低温高压gan层的厚度，gan成核层的厚度为1～2.0微米。

相比于bgan层，gan成核层的生长温度较高。较高的温度将融化掉一部分低温bgan层，由于bgan层的生长温度较低，晶体质量不佳，融化掉一部分bgan层，并在高温条件下生长gan成核层，能够提高晶体质量。

此外，通过沉积高温低压gan层时，衬底的转速比较大，而在沉积低温高压gan层时，衬底的转速比较小，这有利于更好地成核。

步骤2044、在转动的低温高压gan层上沉积gan高温填平层。

示例性地，gan高温填平层的厚度为1～2微米，gan高温填平层的生长压力为100～300torr，gan高温填平层的生长温度为1100～1150℃。

示例性地，gan成核层和gan高温填平层的厚度之和不超过2微米。这样，足够将pss的图形之间的空隙长满。

相比于gan成核层，gan高温填平层的温度更高一下，这利于填平图形与图形之间的空隙，增加c面的面积，并得到更好的晶体质量。

步骤2045、在gan高温填平层上沉积未掺杂gan层。

示例性地，未掺杂gan层的生长温度可以是1000℃～1100℃，生长压力可以是100torr至500torr之间。未掺杂gan层的生长厚度可以是1.0至5.0微米。

步骤2046、在未掺杂gan层上沉积n型层。

示例性地，n型层为n型掺杂gan层，n型掺杂gan层的厚度在1～5微米之间，n型掺杂gan层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力在100torr至500torr之间。n型掺杂gan层为si掺杂，si掺杂浓度在10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3之间。

步骤2047、在n型层上沉积多量子阱层。

示例性地，多量子阱层可以由3到15个周期的量子阱垒层构成。量子阱垒层包括inxga1-xn(0<x<1)量子阱和gan量子垒，量子阱的厚度在3nm左右，生长温度的范围在720℃～829℃间，生长压力范围在100torr与500torr之间。量子垒的厚度在9nm至20nm间，生长温度在850℃～959℃之间，生长压力在100torr到500torr之间。

步骤2048、在多量子阱层上沉积p型层。

示例性地，p型层为p型掺杂gan层。p型掺杂gan层的生长温度在850℃～1080℃之间，生长压力区间为200torr～300torr。p型掺杂gan层的厚度在100nm至800nm之间。

步骤2049、在p型层上沉积p型复合接触层。

示例性地，p型复合接触层的生长温度区间为850℃～1050℃，生长压力区间为100torr～300torr。p型复合接触层的厚度为5nm至300nm之间。

沉积p型复合接触层之后，可以将mocvd的生长室内温度降低，在氮气气氛中对外延片进行退火处理，退火温度可以为650℃～850℃，退火时间可以为5到15分钟，而后降至室温，结束外延片的生长。

本发明实施例通过gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，高温低压gan层位于缓冲层与低温高压gan层之间，gan成核层的生长主要是在缓冲层上形成晶核，并不断长大形成小岛，在gan成核层的初始生长阶段，通过高温低压的生长方式，有益于在图形化蓝宝石衬底上的图形上、以及图形之间的蓝宝石c向面上形成初始的gan岛，且初始的gan岛的三维方向大多与蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维方向相同；而在gan成核层的后段生长阶段，通过低温高压的生长方式，有利于蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维生长，这样，采用两步生长gan成核层的方式，能够在大底宽的图形化蓝宝石衬底且蓝宝石c向面的面积比较小时更好地成核，在保证晶体质量没有变差的基础上，增加器件的外量子效率。

图3示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片，参见图3，该外延片包括：衬底31、顺次在衬底31上沉积的缓冲层32、gan成核层33、gan高温填平层34、未掺杂gan层35、n型层36、多量子阱层37、和p型层38。衬底31为pss，pss的底宽等于或大于2.9微米。gan成核层33包括高温低压gan层331和低温高压gan层332，高温低压gan层331位于缓冲层32与低温高压gan层332之间。

示例性地，高温低压gan层331的厚度小于低温高压gan层332的厚度，gan成核层33的厚度为1～2微米。

示例性地，缓冲层32包括aln层321和bgan层322，aln层321位于衬底31与bgan层322之间。

示例性地，aln层为低温aln层，aln层的厚度为5～20nm；bgan层为低温bgan层，bgan层的厚度为10～30nm。

示例性地，gan高温填平层的厚度为1～2微米。

示例性地，pss的图形高度为1.7～2.0微米，gan成核层和gan高温填平层的厚度之和不超过2微米。这样，足够将pss的图形之间的空隙长满。

本发明实施例通过gan成核层包括高温低压gan层和低温高压gan层，高温低压gan层位于缓冲层与低温高压gan层之间，gan成核层的生长主要是在缓冲层上形成晶核，并不断长大形成小岛，在gan成核层的初始生长阶段，通过高温低压的生长方式，有益于在图形化蓝宝石衬底上的图形上、以及图形之间的蓝宝石c向面上形成初始的gan岛，且初始的gan岛的三维方向大多与蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维方向相同；而在gan成核层的后段生长阶段，通过低温高压的生长方式，有利于蓝宝石c向面上形成的gan岛的三维生长，这样，采用两步生长gan成核层的方式，能够在大底宽的图形化蓝宝石衬底且蓝宝石c向面的面积比较小时更好地成核，在保证晶体质量没有变差的基础上，增加器件的外量子效率。

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。