一种GaN基LD外延结构及其制备方法与流程

本发明属于半导体，具体涉及一种gan基ld外延结构及其制备方法。

背景技术：

1、在gan（即氮化镓）所制备的光电器件中，蓝光gan基ld具有驱动能耗低、输出能量大、体积小与性能稳定等特点，并在数据存储、激光显示与激光照明等领域均具有重要的应用价值。

2、但在蓝光gan基ld实际应用中，蓝光gan基ld的体内材料退化是影响其可靠性的最主要因素之一，目前认为蓝光gan基ld体内退化产生的关键因素为有源区点缺陷及位错的扩散与增殖造成有源区非辐射复合增加，使内量子效率降低，进而导致ld随时间增加，其输出光功率、光电转换效率、阈值电流和斜效率等性能的降低，从而导致器件可靠性差或者死灯现象。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种gan基ld外延结构，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种gan基ld外延结构，包括依次层叠生长于衬底上的复合缓冲层和复合过渡层，所述复合缓冲层包括依次层叠生长的第一缓冲子层、第二缓冲子层和第三缓冲子层，所述第一缓冲子层的材质形成于所述衬底上，所述第一缓冲子层的材质为aln，所述第二缓冲子层的材质为alxga1-xn，所述第三缓冲子层的材质为alyga1-yn，其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层包括依次层叠生长的第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层，所述第一过渡子层生长于所述第三缓冲子层上，所述第一过渡子层为小岛形成层，所述第二过渡子层为大岛形成层，所述第三过渡子层为大岛合并填充层，所述第四过渡子层为超晶格层。

4、进一步的，所述第二缓冲子层和第三缓冲子层的厚度均大于第一缓冲子层的厚度。

5、进一步的，所述第一过渡子层的厚度小于第二过渡子层的厚度，所述第二过渡子层的厚度小于第三过渡子层的厚度。

6、进一步的，所述第四过渡子层为gan超晶格层或algan超晶格层或algan/n-gan超晶格层。

7、进一步的，所述第四过渡子层为gan超晶格层，其单层为si掺gan子层，si掺浓度为。

8、进一步的，所述第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层依次循环叠加生长形成超晶格结构。

9、进一步的，所述衬底与复合缓冲层之间设有aln模板。

10、进一步的，所述复合过渡层上依次层叠生长有n型gan层、n型algan覆盖层、n型下波导层、多量子阱层、上波导层、p型电子阻挡层、p型algan覆盖层和p型接触层。

11、另外，本发明还提供了上述gan基ld外延结构的制备方法，包括如下步骤：

12、s1、在衬底上依次生长第一缓冲子层、第二缓冲子层、第三缓冲子层形成复合缓冲层；

13、其中，第一缓冲子层和第二缓冲子层的生长温度小于第三缓冲子层的生长温度，第一缓冲子层和第二缓冲子层的生长压力小于第三缓冲子层的生长压力；

14、s2、在复合缓冲层上依次生长第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层、第四过渡子层形成复合过渡层；

15、其中，第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层的生长温度分别为t21、t22、t23、t24，且t21<t22<t23≤t24；第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层的生长压力分别为p21、p22、p23、p24，且p21>p22>p23=p24；第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层的生长载气量分别为f21、f22、f23，且f21>f22，f21>f23。

16、进一步的，生长所述复合缓冲层时的gap位置小于生长复合过渡层时gap位置，所述复合缓冲层的生长温度低于复合过渡层的生长温度。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果：

18、本发明提供的这种gan基ld外延结构设计由aln层/alxga1-xn层/alyga1-yn层组成的复合缓冲层，利用渐变过渡生长方式减小了衬底与缓冲层之间的晶格失配以及因热膨胀系数差异导致的热失配，降低algan材料在外延生长过程中因掺杂高al组分而产生大量的点缺陷，降低外延结构的点缺陷密度及造成的位错，从而改善外延结构生长的晶体质量；同时利用复合过渡层梯度升温先提高晶核生长的晶体质量，再不断填充生长，使外延结构长平后通过超晶格的生长方式阻止或降低线性缺陷向上延伸，从而减少点缺陷密度以及向上延伸的线性缺陷，提高外延片生长的晶体质量，进而提高了ld有源区辐射复合，使得ld随时间增加，ld的输出光功率、光电转换效率、阈值电流和斜效率等性能提升。

19、以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种gan基ld外延结构，其特征在于：包括依次层叠生长于衬底上的复合缓冲层和复合过渡层，所述复合缓冲层包括依次层叠生长的第一缓冲子层、第二缓冲子层和第三缓冲子层，所述第一缓冲子层的材质形成于所述衬底上，所述第一缓冲子层的材质为aln，所述第二缓冲子层的材质为alxga1-xn，所述第三缓冲子层的材质为alyga1-yn，其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层包括依次层叠生长的第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层，所述第一过渡子层生长于所述第三缓冲子层上，所述第一过渡子层为小岛形成层，所述第二过渡子层为大岛形成层，所述第三过渡子层为大岛合并填充层，所述第四过渡子层为超晶格层。

2.如权利要求1所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述第二缓冲子层和第三缓冲子层的厚度均大于第一缓冲子层的厚度。

3.如权利要求1所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述第一过渡子层的厚度小于第二过渡子层的厚度，所述第二过渡子层的厚度小于第三过渡子层的厚度。

4.如权利要求1所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述第四过渡子层为gan超晶格层或algan超晶格层或algan/n-gan超晶格层。

5.如权利要求4所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述第四过渡子层为gan超晶格层，其单层为si掺gan子层，si掺浓度为。

6.如权利要求1所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层依次循环叠加生长形成超晶格结构。

7.如权利要求1所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述衬底与复合缓冲层之间设有aln模板。

8.如权利要求1所述的gan基ld外延结构，其特征在于：所述复合过渡层上依次层叠生长有n型gan层、n型algan覆盖层、n型下波导层、多量子阱层、上波导层、p型电子阻挡层、p型algan覆盖层和p型接触层。

9.如权利要求1～8任一项所述的gan基ld外延结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的gan基ld外延结构的制备方法，其特征在于：生长所述复合缓冲层时的gap位置小于生长复合过渡层时gap位置，所述复合缓冲层的生长温度低于复合过渡层的生长温度。

技术总结
本发明提供了一种GaN基LD外延结构，包括衬底、复合缓冲层和复合过渡层，所述复合缓冲层包括依次层叠生长的第一缓冲子层、第二缓冲子层和第三缓冲子层，第一缓冲子层的材质为AlN，第二缓冲子层的材质为Al<subgt;x</subgt;Ga<subgt;1‑x</subgt;N，第三缓冲子层的材质为Al<subgt;y</subgt;Ga<subgt;1‑y</subgt;N，其中，0<x<0.2，0≤y<0.2，且x>y；所述复合过渡层包括依次层叠生长的第一过渡子层、第二过渡子层、第三过渡子层和第四过渡子层，第一过渡子层为小岛形成层，第二过渡子层为大岛形成层，第三过渡子层为大岛合并填充层，第四过渡子层为超晶格层。该发明利用复合缓冲层和复合过渡层的生长方式，减少点缺陷密度以及向上延伸的线性缺陷，提高外延片生长的晶体质量，进而提高了LD有源区辐射复合。

技术研发人员：杨兰,印新达,张振峰,齐林
受保护的技术使用者：武汉鑫威源电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29