本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種GaN基發光二極管外延片的生長方法。

背景技術：

發光二極管(英文：Light Emitting Diode，簡稱：LED)是信息光電子新興產業中極具影響力的新產品，具有體積小、顏色豐富多彩、能耗低、使用壽命長等優點，廣泛應用于照明、顯示屏、信號燈、背光源、玩具等領域。其中，以GaN為代表的發光二極管，成本低，外延和芯片工藝相對成熟，仍然引領著前沿和熱點技術。

GaN基LED外延片通常生長在藍寶石襯底上，藍寶石和GaN之間存在晶格失配，在底層生長過程中就已經出現各種缺陷。而且GaN基LED外延片中的InGaN量子阱和GaN量子壘之間也存在晶格失配，使得晶體質量較差，容易形成漏電通道。

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基發光二極管外延片的生長方法。所述技術方案如下：

本發明實施例提供了一種GaN基發光二極管外延片的生長方法，所述生長方法包括：

在襯底上依次外延生長緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、應力釋放層、多量子阱層、P型電子阻擋層、P型GaN層；

其中，所述應力釋放層包括依次生長的第一GaN壘層、由交替層疊的InGaN層和GaN層組成的超晶格阱層、第二GaN壘層，所述第一GaN壘層生長采用的載氣為純凈的N₂或者H₂和N₂的混合氣體，所述超晶格阱層生長采用的載氣為純凈的N₂，所述第二GaN壘層生長采用的載氣為H₂和N₂的混合氣體。

可選地，所述第一GaN壘層生長采用的H₂和N₂的混合氣體中，H₂和N₂的流量比為1:4～1:10。

可選地，所述第二GaN壘層生長采用的H₂和N₂的混合氣體中，H₂和N₂的流量比為1:4～1:7。

可選地，所述第二GaN壘層的厚度大于所述第一GaN壘層的厚度。

可選地，所述第二GaN壘層的厚度為800～1600nm。

可選地，所述第一GaN壘層、所述超晶格阱層、所述第二GaN壘層中均摻有Si。

優選地，所述超晶格阱層中Si的摻雜濃度為所述第一GaN壘層中Si的摻雜濃度的1/10。

優選地，所述第二GaN壘層中Si的摻雜濃度大于所述超晶格阱層中Si的摻雜濃度。

優選地，所述第二GaN壘層中Si的摻雜濃度與所述第一GaN壘層中Si的摻雜濃度不同。

可選地，所述應力釋放層的生長溫度為900～1050℃。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

通過在純凈的N₂氣氛下生長應力釋放層中的超晶格阱層，有利于阱中In更好地滲入，為后面的應力釋放打好基礎；同時在純凈的N₂或者H₂和N₂的混合氣體氣氛下生長第一GaN壘層，在H₂和N₂的混合氣體氣氛下生長第二GaN壘層，一方面，適量引入的H₂能與一些雜質元素反應并將其攜帶擴散出來，使得GaN壘層在生長的過程中可以適時地緩解應力；另一方面，H₂會引起臺階效應，GaN在生長的過程中受到H₂擇優取向的影響，增加缺陷的填補效應，提高晶體質量，制成的芯片在4000v測試條件下測得抗靜電能力提升30％左右。

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基發光二極管外延片的生長方法的流程示意圖；

圖2是本發明實施例一提供的外延片的結構示意圖；

圖3是本發明實施例一提供的應力釋放層的結構示意圖；

圖4是本發明實施例二提供的FWHM數值的對比示意圖；

圖5是本發明實施例三提供的FWHM數值的對比示意圖；

圖6是本發明實施例四提供的Si摻雜濃度的對比示意圖。

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基發光二極管外延片的生長方法，在實施例中，采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(英文：Metal organic Chemical Vapor Deposition，簡稱：MOCVD)技術生長外延片，采用三甲基鎵或者三乙基鎵作為鎵源，高純氨氣(NH₃)作為氮源，三甲基銦作為銦源，三甲基鋁作為鋁源，采用硅烷作為N型摻雜劑，采用二茂鎂作為P型摻雜劑。參見圖1，該生長方法包括：

步驟101：在襯底上外延生長緩沖層。

在本實施例中，襯底可以為藍寶石襯底。

可選地，襯底可以為尺寸大于2英寸的大尺寸襯底，如4英寸襯底。

具體地，緩沖層可以為GaN層，也可以由交替層疊的GaN層和AlGaN層組成。

步驟102：在緩沖層上外延生長未摻雜GaN層。

具體地，未摻雜GaN層可以為單層沒有摻雜的GaN層，也可以為多層沒有摻雜的GaN層，各層GaN層的生長溫度不同。

步驟103：在未摻雜GaN層上外延生長N型GaN層。

具體地，N型GaN層可以為單層摻雜Si的GaN層，也可以為多層摻雜Si的GaN層，各層GaN層中Si的摻雜濃度不同。

步驟104：在N型GaN層上外延生長應力釋放層。

在本實施例中，應力釋放層包括依次生長的第一GaN壘層、由交替層疊的InGaN層和GaN層組成的超晶格阱層、第二GaN壘層，第一GaN壘層生長采用的載氣為純凈的N₂或者H₂和N₂的混合氣體，超晶格阱層生長采用的載氣為純凈的N₂，第二GaN壘層生長采用的載氣為H₂和N₂的混合氣體。

需要說明的是，無論采用何種載氣，載體的總體積是保持不變的。

可選地，第一GaN壘層生長采用的H₂和N₂的混合氣體中，H₂和N₂的流量比可以為1:4～1:10。

可選地，第二GaN壘層生長采用的H₂和N₂的混合氣體中，H₂和N₂的流量比可以為1:4～1:7。

可選地，第二GaN壘層的厚度可以大于第一GaN壘層的厚度。

可選地，第二GaN壘層的厚度可以為800～1600nm。

可選地，第一GaN壘層、超晶格阱層、第二GaN壘層中可以均摻有Si。

優選地，超晶格阱層中Si的摻雜濃度可以為第一GaN壘層中Si的摻雜濃度的1/10。

優選地，第二GaN壘層中Si的摻雜濃度可以大于超晶格阱層中Si的摻雜濃度。

優選地，第二GaN壘層中Si的摻雜濃度與第一GaN壘層中Si的摻雜濃度可以不同。

可選地，應力釋放層的生長溫度可以為900～1050℃。

步驟105：在應力釋放層上外延生長多量子阱層。

在本實施例中，多量子阱層可以由InGaN量子阱層和GaN量子壘層組成。

步驟106：在多量子阱層上外延生長P型電子阻擋層。

具體地，P型電子阻擋層可以為P型摻雜的AlGaN層，也可以由P型摻雜的AlGaN層和P型摻雜的GaN層交替層疊而成。

步驟107：在P型電子阻擋層上生長P型GaN層。

具體地，P型GaN層可以為單層摻雜Mg的GaN層，也可以為多層摻雜Mg的GaN層，各層GaN層中Mg的摻雜濃度不同。

本實施例生長的外延片如圖2所示，其中，1為襯底，2為緩沖層，3為未摻雜GaN層，4為N型GaN層，5為應力釋放層，6為多量子阱層，7為P型電子阻擋層，8為P型GaN層。其中，應力釋放層如圖3所示，51為第一GaN壘層，52為超晶格阱層，53為第二GaN壘層。

本發明實施例通過在純凈的N₂氣氛下生長應力釋放層中的超晶格阱層，有利于阱中In更好地滲入，為后面的應力釋放打好基礎；同時在純凈的N₂或者H₂和N₂的混合氣體氣氛下生長第一GaN壘層，在H₂和N₂的混合氣體氣氛下生長第二GaN壘層，一方面，適量引入的H₂能與一些雜質元素反應并將其攜帶擴散出來，使得GaN壘層在生長的過程中可以適時地緩解應力；另一方面，H₂會引起臺階效應，GaN在生長的過程中受到H₂擇優取向的影響，增加缺陷的填補效應，提高晶體質量，制成的芯片在4000v測試條件下測得抗靜電能力提升30％左右。

實施例二

本發明實施例提供了另一種GaN基發光二極管外延片的生長方法，本實施例提供的生長方法是實施例一提供的生長方法的具體實現。在本實施例中，在N型GaN層生長完成之后，采用純凈的N₂作為載氣，控制生長溫度為980℃，生長厚度為90nm的第一GaN壘層；第一GaN壘層生長完成后，保持載氣不變，交替生長InGaN層和GaN層，形成超晶格阱層；超晶格阱層生長完成后，將載氣改為H₂和N₂的混合氣體且H₂和N₂的流量比為1:4～1:7，生長厚度為900nm的第二GaN壘層。

其中，純凈的N₂氣氛下生長的超晶格阱層有利于阱中In更好地摻入，第二GaN壘層在H₂和N₂的混合氣體中生長，嚴格控制H₂的比例，使H₂和N₂的流量比為1:4～1:7，避免過多的H₂導致新的GaN螺型位錯出現，使得應力釋放不充分，同時這個范圍內的H₂既可以作為雜質元素的攜帶體，又可以形成H₂擇優取向的生長模式，使得應力得到大大釋放，填補缺陷，提高外延片的晶體質量。

將該外延片與傳統外延片(應力釋放層采用純凈的N₂作為載氣)進行(002)的X射線衍射(英文：X-ray diffraction，簡稱：XRD)測試，得到的半最大值全波(英文：Full Wave at Half Maximum，簡稱：FWHM)數值如圖4所示。從圖中可以看出，本實施例外延片的FWHM明顯比對比樣品的FWHM小，說明了采用這種生長方式后，螺型穿透位錯和混合型位錯大大減少，外延片的晶體質量得到大幅度提高，最終提高抗靜電能力。

實施例三

本發明實施例提供了又一種GaN基發光二極管外延片的生長方法，本實施例提供的生長方法是實施例一提供的生長方法的具體實現。本實施例提供的生長方法與實施例一提供的生長方法的不同之處在于，第一GaN壘層生長采用的載氣為H₂和N₂的混合氣體且H₂和N₂的流量比為1:4～1:10。

純凈的N₂氣氛下生長的超晶格阱層有利于阱中In更好地摻入，兩個壘層都在H₂和N₂的混合氣體中生長，嚴格控制H₂的比例，使H₂和N₂的流量比為1:4～1:10和1:4～1:7，避免過多的H₂導致新的GaN螺型位錯出現，使得應力釋放不充分，同時這個范圍內的H₂既可以攜帶部分雜質元素出去，又可以形成H₂擇優取向的生長模式，較好地釋放應力。生長第一GaN壘層的位錯比生長第二GaN壘層時多，因此H₂的量需要更少，否則很容易引入新的螺位錯。

該外延片與實施例二的外延片進行(002)的XRD測試，得到的FWHM數值如圖5所示。從圖中可以看出，本實施例外延片的FWHM比實施例二外延片的FWHM小，說明了采用這種生長方式后，螺型穿透位錯和混合型位錯大大減少，外延片的晶體質量得到大幅度提高，最終提高抗靜電能力。

實施例四

本發明實施例提供了又一種GaN基發光二極管外延片的生長方法，本實施例提供的生長方法是實施例一提供的生長方法的具體實現。本實施例提供的生長方法與實施例二提供的生長方法的不同之處在于，如圖6所示，第一GaN壘層、超晶格阱層、第二GaN壘層中均摻有Si，超晶格阱層中Si的摻雜濃度為第一GaN壘層中Si的摻雜濃度的1/10，第二GaN壘層中Si的摻雜濃度與第一GaN壘層中Si的摻雜濃度不同，并且第二GaN壘層中Si的摻雜濃度大于超晶格阱層中Si的摻雜濃度。

通過改變應力釋放層中壘層和阱層里面Si的摻雜方式，改善了電流的擴展能力，增加電容效應，減少漏電途徑，有利于晶體質量的提升。在最優的條件下，外延片制作成芯片后在4000v測試條件下抗靜電能力提高了30％左右。

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。