一種led外延片及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種LED外延片，包括襯底，襯底之上依次形成的緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層和p型GaN層，所述緩沖層包括：形成在襯底之上的InN層，所述InN層分布有暴露出襯底的空洞；形成在所述InN層之上的第一本征GaN層；形成在所述第一本征GaN層之上的SiNx層，所述SiNx層分布有暴露出第一本征GaN層的空洞；以及形成在所述SiNx層之上的第二本征GaN層。該LED外延片及其制備方法，可減少外延片的缺陷，提高晶體質(zhì)量。
【專利說明】—種LED外延片及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種LED外延片及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，由于發(fā)光二極管等光電子器件上的廣泛應(yīng)用，第三代半導(dǎo)體材料中的寬 禁帶半導(dǎo)體GaN材料廣受人們的關(guān)注，生長高質(zhì)量的GaN基外延片成為人們研究的重點(diǎn)。
[0003]目前，應(yīng)用最為廣泛的是采用藍(lán)寶石為襯底材料生長GaN基外延片，GaN材料在藍(lán) 寶石襯底上從500°C到1100°C都可以生長。然而由于藍(lán)寶石和GaN兩者間晶格失配和化學(xué) 性質(zhì)的差異較大，直接在藍(lán)寶石襯底上生長外延層缺陷較多，嚴(yán)重影響晶體質(zhì)量。為了得到 表面光滑、晶體質(zhì)量較高的GaN外延層，生長GaN外延層的方法主要有兩種:一、GaN的兩步 外延生長工藝，即利用MOCVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上低溫生長薄的AlN或者GaN緩沖層，然后 高溫生長GaN外延層。二、GaN的側(cè)向覆蓋生長，即預(yù)先在襯底上沉積掩膜層，提供后續(xù)GaN 外延所需的晶籽。
[0004]GaN的兩步外延生長工藝，此方法外延層中位錯密度仍然較高，提升晶體質(zhì)量有 限。GaN的側(cè)向覆蓋生長，此方法能獲得較高的GaN晶體質(zhì)量、提高發(fā)光亮度，但這種方法存 在諸多不足，例如:在襯底上沉積掩膜層可能對襯底產(chǎn)生污染，此外增加了工藝過程、成本 較聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為解決LED外延生長晶體質(zhì)量較差的技術(shù)問題，提供一種LED外延片及其 制備方法，可減少LED外延片的缺陷，顯著提高LED外延片的晶體質(zhì)量。
[0006]本發(fā)明提供一種LED外延片，包括襯底，襯底之上依次形成的緩沖層、n型GaN層、 發(fā)光層和P型GaN層，所述緩沖層包括:
形成在襯底之上的InN層，所述InN層分布有暴露出襯底的空洞；
形成在所述InN層之上的第一本征GaN層；
形成在所述第一本征GaN層之上的SiNx層，所述SiNx層分布有暴露出第一本征GaN層 的空洞；以及
形成在所述SiNx層之上的第二本征GaN層。
[0007]本發(fā)明還提供一種LED外延片的制備方法，包括以下步驟:
提供襯底；
在襯底上生長具有暴露出襯底的空洞的InN層；
在具有空洞的InN層上生長第一本征GaN層；
在第一本征GaN層上生長具有暴露出第一本征GaN層的空洞的SiNx層；
在SiNx層上形成第二本征GaN層；
在第二本征GaN層上形成n型GaN層；
在n型GaN層上形成發(fā)光層；在發(fā)光層上形成P型GaN層。
[0008]本發(fā)明提供的LED外延片及制備方法，具有如下效果:
1、本發(fā)明通過在襯底生長InN層，能有效降低襯底與GaN層之間因晶格失配產(chǎn)生的應(yīng) 力，從而減少位錯的產(chǎn)生；而且InN層可起到掩膜層作用，襯底的穿透位錯終止于襯底和 InN層之間的界面并被阻斷。
[0009]2、本發(fā)明通過在緩沖層中插入生長具有空洞的SiNx層，實(shí)現(xiàn)后期的側(cè)向外延生 長，減少缺陷，同時有效的阻擋部分位錯延伸到n型GaN層或發(fā)光層，并且把另一部分位錯 集中在SiNx層空洞區(qū)域，從而增大了外延層低位錯區(qū)域，降低位錯密度，提高了外延片晶體質(zhì)量。
[0010]3、本發(fā)明相比于現(xiàn)有的GaN側(cè)向覆蓋生長的方法，不需預(yù)先在襯底上沉積掩膜 層，而是通過在外延層生長過程中沉積SiNx層來充當(dāng)掩膜層，簡化了工藝，避免了掩膜層可 能對襯底造成污染，而且降低了生產(chǎn)成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例LED外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明LED外延片緩沖層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明另一實(shí)施例LED外延片的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖4是本發(fā)明LED外延片緩沖層中SiNx層的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明LED外延片緩沖層的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0013]如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供一種LED外延片，包括襯底1，襯底I之上依次形成 的緩沖層2、n型GaN層3、發(fā)光層4和p型GaN層5。
[0014]所述緩沖層2包括:
形成在襯底I之上的InN層21，所述InN層21分布有暴露出襯底的空洞；
形成在所述InN層21之上的第一本征GaN層22 ；
形成在所述第一本征GaN層22之上的SiNx層23，所述SiNx層23分布有暴露出第一 本征GaN層22的空洞；以及
形成在所述SiNx層23之上的第二本征GaN層24。
[0015]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述襯底I為平面或圖形化襯底，優(yōu)選圖形化襯底，圖形化 襯底可減少生長的外延片缺陷，提高外延片晶體質(zhì)量；所述圖形化襯底的形狀包括條狀、柱 狀、尖錐狀或球冠形狀。
[0016]襯底I的材料可選用藍(lán)寶石、SiC或Si，優(yōu)選采用藍(lán)寶石襯底。
[0017]優(yōu)選地，所述第一本征GaN層22為在850?900°C下生長的本征GaN層，第二本 征GaN層24為在1000?1100°C下生長的本征GaN層。第一本征GaN層22的厚度為50? IOOnm,第二本征GaN層24的厚度為2?3um。[0018]所述InN層21和SiNx層23上分布有空洞，空洞的形狀不規(guī)則。優(yōu)選地，所述InN 層21的厚度為I?5nm，SiNx層23的厚度為I?5nm。
[0019]如圖3所示，在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，LED外延片還包括形成在發(fā)光層4和p型 GaN層5之間的AlGaN阻擋層6，AlGaN阻擋層6能夠有效的阻擋電子從有源區(qū)溢出，從而 增加有源區(qū)電子的數(shù)量，提高發(fā)光層4中載流子復(fù)合效率，提升LED芯片發(fā)光效率。
[0020]優(yōu)選地，發(fā)光層4為多量子阱層，包括:形成在n型GaN層之上的摻雜多量子阱層 41，形成在摻雜多量子阱層之上的非摻雜多量子阱層42。如此，可有效提高LED芯片的發(fā)光 效率。
[0021]本發(fā)明還提供上述LED外延片的制備方法，所述方法包括以下步驟:
5101、提供襯底；
5102、在襯底上生長具有暴露出襯底的空洞的InN層；
5103、在具有空洞的InN層上生長第一本征GaN層；
5104、在第一本征GaN層上生長具有暴露出第一本征GaN層的空洞的SiNx層；
5105、在SiNx層上形成第二本征GaN層；
5106、在第二本征GaN層上形成n型GaN層；
5107、在n型GaN層上形成發(fā)光層；
5108、在發(fā)光層上形成p型GaN層。
[0022]下面結(jié)合附圖詳細(xì)闡述本發(fā)明的LED外延片的制備方法，對本發(fā)明中LED外延片 及其有益效果也會在制備方法中作詳細(xì)說明。
[0023]本發(fā)明提供的LED外延片的制備方法采用NH3 (氨氣)作為N源，TMGa (三甲基鎵)、 TEGa (三乙基鎵)作為Ga源，TMIn (三甲基銦)作為In源，SiH4 (硅烷)作為Si摻雜源， Cp2Mg (二茂鎂)作為Mg摻雜源,并以N2 (氮?dú)?、H2 (氫氣)作為載氣。
[0024]步驟S101，提供襯底I。
[0025]在本發(fā)明的實(shí)施例中，所述襯底I為平面或圖形化襯底，優(yōu)選圖形化襯底，圖形化 襯底可減少生長的外延片缺陷，提高外延片晶體質(zhì)量；所述圖形化襯底的形狀包括條狀、柱 狀、尖錐狀或球冠形狀。
[0026]襯底I的材料可選用藍(lán)寶石、SiC或Si，優(yōu)選采用藍(lán)寶石襯底。
[0027]步驟S102，在襯底I上生長具有暴露出襯底的空洞的InN層21。
[0028]在具體實(shí)施中，可以采用MOCVD (金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法)，具體包括以下 步驟:
5201、在襯底I上生長InN層21；
5202、對InN層21進(jìn)行高溫處理，使InN層21發(fā)生分解并形成暴露出襯底的空洞。
[0029]具體地，步驟S201中，以NHjPTMIn為源，在500?700°C條件下，生長100?200s 時間，在襯底I上沉積得到厚度為I?5nm的InN層21。
[0030]具體地，步驟S202中，關(guān)閉TMIn并保持通入NH3,對InN層進(jìn)行高溫處理，即升高 溫度至850?900°C，將溫度維持在850?900°C條件下60s，使InN層21發(fā)生分解并形成 暴露出襯底I的空洞。
[0031]步驟S103，在具有空洞的InN層上生長第一本征GaN層。
[0032]具體地，通入TMGa，在分布有暴露出襯底I的空洞的InN層21上沉積得到第一本征GaN層22，所述第一本征GaN層的厚度為50?lOOnm。
[0033]InN層21在升溫及維持850?900°C的過程中部分區(qū)域會發(fā)生分解，發(fā)生分解的 區(qū)域露出襯底I表面，從而得到具有空洞的InN層21，空洞的形狀不規(guī)則。具有空洞的InN 層21可起到掩膜層的作用，襯底I的穿透位錯延伸至襯底I與InN層21之間的界面時會 被阻斷，有效減小襯底I的穿透位錯對外延層的影響。
[0034]在本發(fā)明實(shí)施例中，襯底I選用藍(lán)寶石襯底，InN層21的另一作用在于，緩解藍(lán)寶 石襯底與GaN層因晶格失配造成的壓應(yīng)力，藍(lán)寶石與InN的晶格失配為25%，而InN與GaN 的晶體失配-9.9%，通過在藍(lán)寶石襯底上沉積InN層21引入張應(yīng)力，能緩解藍(lán)寶石與GaN層 間的晶格失配造成的壓應(yīng)力，應(yīng)力得到有效釋放，從而減少位錯的產(chǎn)生。
[0035]步驟S104、在第一本征GaN層22上生長SiNx層23，所述SiNx層23分布有暴露出 第一本征GaN層22的空洞。
[0036]具體地，關(guān)閉TMGa并保持通入NH3，升高溫度至1000?1100°C，然后通入SiH4,在 第一本征GaN層22上沉積生長厚度為I?5nm的SiNx層23。
[0037]步驟S105、在SiNx層23上形成第二本征GaN層24。
[0038]具體地，關(guān)閉SiH4,通入TMGa，在SiNx層23上沉積生長厚度為2?3um的第二本 征GaN層24。
[0039]如圖4所示，由于在第一本征GaN層22上生長的SiNx層23比較薄，只有I?5nm， 在沉積的過程中進(jìn)行適當(dāng)控制，可使有的區(qū)域不會沉積SiNx薄膜，從而在SiNx層23上形成 暴露出第一本征GaN層22的空洞231，空洞231的形狀不規(guī)則。
[0040]如圖5所示，具有空洞的51隊(duì)層23同樣可起到掩膜層作用，可實(shí)現(xiàn)GaN層側(cè)向生 長，同時SiNx層23可阻擋位錯向上延伸。圖中外延片中向上延伸的線條為位錯線，在SiNx 層23上進(jìn)行側(cè)向外延生長過程中，一部分位錯在第一本征GaN層22和SiNx層23之間的界 面被阻擋；而其他從第一本征GaN層22延伸上來的穿透位錯則通過空洞231繼續(xù)向上延伸 到本征GaN層，當(dāng)在空洞231區(qū)域生長的GaN島的截面形成梯形或者三角形時，位錯線會在 GaN島的傾斜晶面發(fā)生轉(zhuǎn)向，向水平方向延伸，如此減少了向上延伸的穿透位錯數(shù)量。隨著 第二本征GaN層24的沉積生長，空洞231區(qū)域處的GaN島的逐漸長大并與相鄰的GaN島合 并，原本向水平方向延伸的穿透位錯有的在相鄰GaN島合并處241再次發(fā)生轉(zhuǎn)向，并向上延 伸。但是，由于這部分穿透位錯僅在相鄰GaN島合并處241向上延伸，使得外延層中低位錯 區(qū)域增大，因此提高了生長的外延片晶體質(zhì)量。
[0041]步驟S106、在第二本征GaN層24上形成n型GaN層3。所述n型GaN層3為摻雜 Si的GaN層，Si摻雜濃度為8el8cm_3，生長厚度為2?3um。
[0042]步驟S107、在n型GaN層3上形成發(fā)光層4。
[0043]步驟S108、在發(fā)光層4上形成p型GaN層5。
[0044]在具體實(shí)施中，所述p型GaN層5為鎂摻雜GaN層。
[0045]在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，所述發(fā)光層4為多量子阱層，包括:
形成在n型GaN層之上的摻雜多量子阱層41 ；
形成在摻雜多量子講層41之上的非摻雜多量子講層42。
[0046]在具體實(shí)施中，所述摻雜多量子阱層41生長5?7個周期，其中量子阱的阱厚度 為2?3nm，壘的厚度為10?15nm ;摻雜的材料為Si，Si摻雜濃度為lel7?lel8cnT3。[0047]在具體實(shí)施中，所述非摻雜多量子阱層42生長2?3個周期，量子阱的阱厚度和 壘厚度與摻雜多量子阱41 一致。如此，可提高LED芯片的發(fā)光效率。
[0048]在生長完成多量子阱層后，繼續(xù)依次生長AlGaN阻擋層6和p型GaN層5，AlGaN 阻擋層6能夠有效的阻擋電子從有源區(qū)溢出，從而增加有源區(qū)電子的數(shù)量，提高多量子阱 層的載流子復(fù)合效率，提升LED芯片發(fā)光效率。
[0049]完成p型GaN層5的生長后，置于71(T740°C的氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行20分鐘的退火完 成LED外延片的制備。
[0050]綜上所述，本發(fā)明提供的LED外延片及制備方法通過在襯底生長InN層，能有效降 低襯底與GaN層之間因晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，從而減少位錯的產(chǎn)生；而且InN層可起到掩膜 層作用，襯底的穿透位錯終止于襯底和InN層之間的界面并被阻斷。
[0051]而且，本發(fā)明通過在緩沖層中插入生長具有空洞的SiNx層，實(shí)現(xiàn)后期的側(cè)向外延 生長，減少缺陷，同時有效的阻擋部分位錯延伸到n型GaN層或發(fā)光層，并且把另一部分位 錯集中在SiNx層空洞區(qū)域，從而增大了外延層低位錯區(qū)域，降低位錯密度，提高了外延片晶 體質(zhì)量。
[0052]最后，本發(fā)明相比于GaN的側(cè)向覆蓋生長，不需預(yù)先在襯底上沉積掩膜層，而是通 過在外延層生長過程中沉積SiNx層來充當(dāng)掩膜層，簡化了工藝，避免了掩膜層可能對襯底 造成污染，而且降低了生產(chǎn)成本。
[0053]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種LED外延片，包括襯底，襯底之上依次形成的緩沖層、n型GaN層、發(fā)光層和p型 GaN層，其特征在于，所述緩沖層包括:形成在襯底之上的InN層，所述InN層分布有暴露出襯底的空洞；形成在所述InN層之上的第一本征GaN層；形成在所述第一本征GaN層之上的SiNx層，所述SiNx層分布有暴露出第一本征GaN層的空洞；以及形成在所述SiNx層之上的第二本征GaN層。
2.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片,其特征在于,所述第一本征GaN層為在850- 900°C下生長的本征GaN層，所述第二本征GaN層為在1000-1100°C下生長的本征GaN層。
3.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片，其特征在于，所述第一本征GaN層的厚度為 50-IOOnm,第二本征GaN層的厚度為2-3um。
4.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片,其特征在于,所述InN層的厚度為I-5nm。
5.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片，其特征在于，所述SiNx層的厚度為I-5nm。
6.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片，其特征在于，還包括:形成在發(fā)光層和p型GaN 層之間的AlGaN阻擋層。
7.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片，其特征在于，所述襯底為圖形化襯底。
8.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片，其特征在于，所述襯底為Si襯底、GaN襯底或藍(lán)寶石襯底。
9.如權(quán)利要求1所述的一種LED外延片`，其特征在于，所述發(fā)光層包括:形成在n型GaN層之上的摻雜多量子阱層；形成在摻雜多量子阱層之上的非摻雜多量子阱層。
10.一種LED外延片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:提供襯底；在襯底上生長具有暴露出襯底的空洞的InN層；在具有空洞的InN層上生長第一本征GaN層；在第一本征GaN層上生長具有暴露出第一本征GaN層的空洞的SiNx層；在SiNx層上形成第二本征GaN層；在第二本征GaN層上形成n型GaN層；在n型GaN層上形成發(fā)光層；在發(fā)光層上形成P型GaN層。
11.如權(quán)利要求10所述的一種LED外延片的制備方法，其特征在于，在襯底上生長具有暴露出襯底的空洞的InN層，包括:在襯底上生長InN層；對InN層進(jìn)行高溫處理，使InN層發(fā)生分解并形成暴露出襯底的空洞。
12.如權(quán)利要求10所述的一種LED外延片的制備方法，其特征在于，還包括:在發(fā)光層和p型GaN層之間形成AlGaN阻擋層。
13.如權(quán)利要求10所述的一種LED外延片的制備方法，其特征在于，在n型GaN層上形成發(fā)光層，包括:在n型GaN層上形成摻雜多量子阱層；在摻雜多量子阱層上形成非摻 雜多量子阱層。
【文檔編號】H01L33/12GK103456852SQ201210171423
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月30日
【發(fā)明者】吳明馳, 謝春林, 劉函 申請人:比亞迪股份有限公司