CN108198921B - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。外延片中的电子阻挡层包括层叠设置在低温P型层上的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，第一子层为InxGa1‑xN层，0<x<1，第二子层为GaN层，第三子层为AlyGa1‑yN层，0<y<1，第四子层为AlN层，其中第一子层中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，且第一子层中的In的含量小于多量子阱层中的In的含量，第三子层中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高。则电子阻挡层整体的势垒高度逐渐增加，电子阻挡层在低势垒区二维空穴气密度增加明显，最终传输到多量子阱层中的空穴浓度增加，大大提高了LED芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等，提高芯片发光效率是LED不断追求的目标。
LED外延片是LED中的重要组成部分，现有的氮化镓基LED外延片包括衬底和设置在衬底上的外延层，外延层包括依次层叠设置在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，N型层中产生的电子和P型层中产生的空穴，在电场力的作用下向多量子阱层迁移，并在多量子阱层中发生辐射复合发光。
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：
随着氮化镓基LED工作电流的增加，电流密度随之增大，在这种大电流密度下，注入多量子阱层中的电子也随之增多，导致部分电子未能与空穴在多量子阱层中复合而迁移至P型GaN载流子层中，致使电子溢漏的程度增加，LED的抗静电能力变差，发光效率下降。
发明内容
为了解决现有技术中LED在大电流密度下，发光效率低的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠设置在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、浅阱层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，其特征在于，
所述电子阻挡层包括层叠设置在所述低温P型层上的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为InxGa1-xN层，0<x<1，所述第二子层为GaN层，所述第三子层为AlyGa1-yN层，0<y<1，所述第四子层为AlN层，其中所述第一子层中的In的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐降低，且所述第一子层中的In的含量小于所述多量子阱层中的In的含量，所述第三子层中Al的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐升高。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度为17-50nm。
进一步地，所述第一子层的厚度为1～10nm，所述第二子层的厚度为10～20nm，所述第三子层的厚度为5～15nm，所述第四子层的厚度为1～5nm。
进一步地，0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3。
另一方面，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、浅阱层、多量子阱层、低温P型层、P型电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，所述电子阻挡层包括层叠设置在所述低温P型层上的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为InxGa1-xN层，0<x<1，所述第二子层为GaN层，所述第三子层为AlyGa1-yN层，0<y<1，所述第四子层为AlN层，其中所述第一子层中的In的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐降低，且所述第一子层中的In的含量小于所述多量子阱层中的In的含量，所述第三子层中Al的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐升高。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度为17-50nm。
进一步地，所述第一子层的厚度为1～10nm，所述第二子层的厚度为10～20nm，所述第三子层的厚度为5～15nm，所述第四子层的厚度为1～5nm。
进一步地，所述电子阻挡层的生长压力为50～230torr。
进一步地，所述电子阻挡层的生长温度为850～1000℃，所述第四子层的生长温度比所述第三子层的生长温度高20～40℃，所述第三子层的生长温度比所述第二子层的生长温度高20～40℃，所述第二子层的生长温度比所述第一子层的生长温度高20～40℃。
进一步地，所述第一子层温度为850～870℃，所述第二子层温度为880～900℃，所述第三子层温度920～940℃，所述第四子层温度为950～1000℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在低温P型层上生长电子阻挡层，电子阻挡层由四个子层组成，四个子层包括第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，其中，第一子层为InxGa1-xN层，0<x<1，第一子层中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，防止第一子层中的In向高温P型层扩散，减低发光二极管的发光效率，且第一子层中的In的含量小于多量子阱层中的In的含量，保证第一子层中的势垒高度高于多量子阱层的势垒高度，以阻挡电子向高温P型层迁移，使得更多的电子在多量子阱层聚集。第二子层为GaN层，可以防止In向高温P型层中扩散，从而提高发光二极管的发光效率。第三子层为AlyGa1-y N层，0<y<1，第三子层中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高，使得第三子层的靠近多量子阱层的一侧的势垒高度低于第三子层的靠近高温P型层的一侧的势垒高度，则电子在会在多量子阱层聚集，大大提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，提高了LED芯片的发光效率。第四子层为AlN层，AlN层的势垒高度较高，可以阻挡电子向高温P型层移动，进一步提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，提高了LED芯片的发光效率。
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氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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氮化镓基发光二极管外延片，图1是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该氮化镓基发光二极管包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型层4、浅阱层5、多量子阱层6、低温P型层7、电子阻挡层8、高温P型层9和P型接触层10。
其中，电子阻挡层8包括层叠设置在低温P型层7上的第一子层81、第二子层82、第三子层83和第四子层84，第一子层81为InxGa1-xN层，0<x<1，第二子层82为GaN层，第三子层83为AlyGa1-y N层，0<y<1，第四子层84为AlN层，其中第一子层81中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，且第一子层81中的In的含量小于多量子阱层6中的In的含量，第三子层83中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高。
本发明实施例通过在低温P型层上生长电子阻挡层，电子阻挡层由四个子层组成，四个子层包括第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，其中，第一子层为InxGa1-xN层，0<x<1，第一子层中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，防止第一子层中的In向高温P型层扩散，减低发光二极管的发光效率，且第一子层中的In的含量小于多量子阱层中的In的含量，保证第一子层中的势垒高度高于多量子阱层的势垒高度，以阻挡电子向高温P型层迁移，使得更多的电子在多量子阱层聚集。第二子层为GaN层，可以防止In向高温P型层中扩散，从而提高发光二极管的发光效率。第三子层为AlyGa1-y N层，0<y<1，第三子层中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高，使得第三子层的靠近多量子阱层的一侧的势垒高度低于第三子层的靠近高温P型层的一侧的势垒高度，则电子在会在多量子阱层聚集，大大提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，提高了LED芯片的发光效率。第四子层为AlN层，AlN层的势垒高度较高，可以阻挡电子向高温P型层移动，进一步提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，提高了LED芯片的发光效率。
进一步地，电子阻挡层8的厚度为17～50nm。
优选地，第一子层81的厚度为1～10nm，第二子层82的厚度为10～20nm，第三子层83的厚度为5～15nm，第四子层84的厚度为1～5nm。将第一子层81的厚度设置的较薄，可以防止二极管的半宽过大，将第四子层84的厚度设置的较薄，防止第四子层84会阻挡空穴的注入。
优选地，0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3，此时二极管的发光效果最好。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，低温缓冲层2可以为GaN层，厚度为2～8nm。
可选地，高温缓冲层3可以为不掺杂的GaN层，厚度为1～2um。N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为1.5～3.5um。
可选地，浅阱层5为包括InaGa1-aN(0<a<0.1)势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，浅阱层5的周期数为5～20。其中每层InaGa1-aN(0<a<0.1)势阱层的厚度为1～4nm，每层GaN势垒层的厚度为10～30nm。
可选地，多量子阱层6为包括InbGa1-bN(0.2<b<0.5)势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，多量子阱层6的周期数为6～15。其中，每层InbGa1-bN(0.2<b<0.5)势阱层的厚度为2～5nm，每层GaN势垒层的厚度为5～15nm。
可选地，低温P型层7为厚度为30～120nm的GaN层，高温P型层9为厚度为50～150nm的GaN层。
可选地，P型接触层10的厚度为3～10nm。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，适用于实施例一提供的一种氮化镓基发光二极管外延片，图2是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、对衬底进行预处理。
可选地，衬底为蓝宝石，厚度为630～650um。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100～600torr。
具体地，该步骤201包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5～20min。其中，反应室温度为1000～1200℃，反应室压力控制在200～500torr，对衬底进行氮化处理。
步骤202、在衬底上生长低温缓冲层。
具体地，蓝宝石衬底高温处理完成后，将反应室温度下降到500～650℃，生长厚度为2～8nm的低温缓冲层。
生长低温缓冲层时，生长温度可以为1000～1100℃，生长压力为50～200torr，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为50～300，生长转速为200～600r/min。
步骤203、在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，高温缓冲层为不掺杂的GaN层，厚度为1～2um。生长高温缓冲层时，反应室温度为1000～1200℃，反应室压力控制在100～500torr，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为200～3000。
步骤204、在高温缓冲层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层，厚度为1.5～3.5um。生长N型层时，反应室温度为950～1150℃，反应室压力控制在100～400torr，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为400～5000。
步骤205：在N型层上生长浅阱层。
在本实施例中，浅阱层为包括InaGa1-aN(0<a<0.1)势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，浅阱层的周期数为5～20，其中，InaGa1-aN势阱层的生长温度为750～850℃，生长压力为100～500Torr，厚度为1～4nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为500～10000。GaN势垒层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr，厚度为10～30nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为500～10000。
步骤206：在浅阱层上生长多量子阱层。
多量子阱层为包括InbGa1-bN(0.2<b<0.5)势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，多量子阱层的周期数为6～15。其中，InbGa1-bN势阱层的生长温度为700～850℃，生长压力为100～500Torr，厚度为2～5nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为2000～20000，GaN势垒层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～500Torr，厚度为5～15nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为2000～20000。
步骤207：在多量子阱层上生长低温P型层。
可选地，低温P型层为GaN层，生长温度为700～800℃，生长压力为100～600Torr，生长时间为3～15min，生长厚度为30～120nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为1000～4000。
步骤208、在低温P型层上生长P型电子阻挡层。
可选地，电子阻挡层包括层叠设置在低温P型层上的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，第一子层为InxGa1-xN层，0<x<0.3，第二子层为GaN层，第三子层为AlyGa1-y N层，0<y<0.1，第四子层为AlN层，其中第一子层中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，且第一子层中的In的含量小于多量子阱层中的In的含量，第三子层中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高。
具体地，在生长电子阻挡层时，电子阻挡层的厚度为17～50nm。其中，第一子层的厚度为1～10nm，第二子层的厚度为10～20nm，第三子层的厚度为5～15nm，第四子层的厚度为1～5nm。
进一步地，电子阻挡层的生长温度为850～1000℃。
优选地，电子阻挡层的生长温度为850～980℃。
更优选地，电子阻挡层的生长温度为860～970℃，此时生长出来的电子阻挡层的阻挡效果最好。
其中，第四子层的生长温度比第三子层的生长温度高20～40℃，第三子层的生长温度比第二子层的生长温度高20～40℃，第二子层的生长温度比第一子层的生长温度高20～40℃。需要说明的是每个子层在生长过程中，生长温度保持不变。
优选地，第一子层的生长温度850～870℃，第二子层的生长温度为880～900℃，第三子层的生长温度为920～940℃，第四子层的生长温度为950～1000℃。
进一步地，电子阻挡层的生长压力为50～300Torr。
优选地，电子阻挡层的生长压力为100～250Torr。
更优选地，电子阻挡层的生长压力为100～200Torr，此时生长出来的电子阻挡层的阻挡效果最好。
其中，第一子层、第二子层、第三子层和第四子层的生长压力均相同。
进一步地，电子阻挡层的生长时间为4～15min，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为1000～10000。
步骤209、在电子阻挡层上生长高温P型层。
可选地，高温P型层为GaN层，生长温度为900～1050℃，生长压力为100～500Torr，生长时间为10～20min，厚度为50～150nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为500～4000。
步骤210、在高温P型层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层为重掺Mg的GaN层，P型接触层的生长温度为700～850℃，生长压力为100～500Torr，生长时间为0.5～5min，厚度为3～10nm，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔流量比为10000～20000。
在结束氮化镓基发光二极管外延片的生长之后，将反应室的温度降至600～900℃，在PN2气氛进行退火处理10～30min，而后逐渐降至室温，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗9*27mil的芯片。
实施例三
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，在本实施例中，电子阻挡层包括第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，第一子层为InxGa1-xN层，0.3≤x≤0.5，第二子层为GaN层，第三子层为AlyGa1-y N层，0.1≤y≤0.3，第四子层为AlN层，其中第一子层中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，且第一子层中的In的含量小于多量子阱层中的In的含量，第三子层中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高。
在结束氮化镓基发光二极管外延片的生长之后，将反应室的温度降至600～900℃，在PN2气氛进行退火处理10～30min，而后逐渐降至室温，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗9*27mil的芯片。
经过XRD(X-ray diffraction，X射线衍射法)测试后发现，本发明实施例提供的LED芯片与实施例二中提供的LED芯片相比，LED的发光效率提升了1.5％。
实施例四
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，在本实施例中，电子阻挡层包括第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，第一子层为InxGa1-xN层，0.5<x<0.8，第二子层为GaN层，第三子层为AlyGa1-y N层，0.3<y<0.5，第四子层为AlN层，其中第一子层中的In的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐降低，且第一子层中的In的含量小于多量子阱层中的In的含量，第三子层中Al的含量从靠近低温P型层的一侧到远离低温P型层的一侧逐渐升高。
在结束氮化镓基发光二极管外延片的生长之后，将反应室的温度降至600～900℃，在PN2气氛进行退火处理10～30min，而后逐渐降至室温，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗9*27mil的芯片。
经过XRD测试后发现，本发明实施例提供的LED芯片的发光效率与实施例三中提供的LED芯片的发光效率相比，降低了0.6％。
以上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。
Claims (10)
1.一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠设置在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、浅阱层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，其特征在于，
所述电子阻挡层包括层叠设置在所述低温P型层上的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为InxGa1-xN层，0<x<1，所述第二子层为GaN层，所述第三子层为AlyGa1-yN层，0<y<1，所述第四子层为AlN层，其中所述第一子层中的In的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐降低，且所述第一子层中的In的含量小于所述多量子阱层中的In的含量，所述第三子层中Al的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐升高。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为17～50nm。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为1～10nm，所述第二子层的厚度为10～20nm，所述第三子层的厚度为5～15nm，所述第四子层的厚度为1～5nm。
4.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3。
5.一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、浅阱层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层；
其特征在于，所述电子阻挡层包括层叠设置在所述低温P型层上的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为InxGa1-xN层，0<x<1，所述第二子层为GaN层，所述第三子层为AlyGa1-yN层，0<y<1，所述第四子层为AlN层，其中所述第一子层中的In的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐降低，且所述第一子层中的In的含量小于所述多量子阱层中的In的含量，所述第三子层中Al的含量从靠近所述低温P型层的一侧到远离所述低温P型层的一侧逐渐升高。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为17～50nm。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的厚度为1～10nm，所述第二子层的厚度为10～20nm，所述第三子层的厚度为5～15nm，所述第四子层的厚度为1～5nm。
8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层的生长压力为50～230torr。
9.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层的生长温度为850～1000℃，所述第四子层的生长温度比所述第三子层的生长温度高20～40℃，所述第三子层的生长温度比所述第二子层的生长温度高20～40℃，所述第二子层的生长温度比所述第一子层的生长温度高20～40℃。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层温度为850～870℃，所述第二子层温度为880～900℃，所述第三子层温度920～940℃，所述第四子层温度为950～1000℃。
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