CN107359229A - 一种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。外延片包括衬底以及依次层叠在衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层和N型接触层。本发明通过在P型氮化镓层上层叠N型接触层，能够掺入N型接触层的N型掺杂剂较多，N型掺杂剂的活化率也较高，N型接触层中提供的电子数量远多于P型接触层中提供的空穴数量，接触层中将P型电极注入的电流传递到P型氮化镓层的载流子数量大大增加，接触层的电阻大大减小，在注入电流不变的情况下，LED的工作电压大幅降低，LED的光效提高；同时产生的热量减少，对LED封装材料的要求降低，生产成本得以降低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。氮化镓基材料(包括铟镓氮、氮化镓、铝镓氮、铝铟镓氮)是LED的优良材料，具有禁带宽度大、电子漂移速度不易饱和、击穿场强大、介电常数小、导热性能好、耐高温、抗腐蚀等优点。
芯片是LED最重要的组成部分，外延片是制造芯片的原材料。现有的氮化镓基LED外延片包括蓝宝石衬底以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层和P型接触层。其中，P型接触层采用镁作为P型掺杂剂，通过活化镁提供的空穴作为载流子将电极注入的电流传递到P型氮化镓层，实现P型氮化镓层和电极之间的欧姆接触。
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：
能够掺入P型接触层的镁较少，加上镁本身的活化率较低，因此P型接触层中提供的载流子(即空穴)数量较少，不容易形成较好的欧姆接触，导致LED的工作电压较高，产生的热量较多。加上蓝宝石衬底本身是绝缘体，具有较低的导热性，这样对LED的封装材料的要求较高，必须具备高散热和耐高温的性质，从而导致LED整体的生产成本较高。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种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，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述P型氮化镓层上的N型接触层。
可选地，所述N型接触层为N型掺杂的氮化镓层。
可选地，所述N型接触层的厚度为2nm～20nm。
可选地，所述N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1×1019cm-3～9×1019cm-3。
另一方面，本发明实施例提供了一种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；
在所述衬底上依次形成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层和N型接触层。
可选地，所述N型接触层的生长温度为700℃～800℃。
可选地，所述N型接触层的生长压力为100torr～300torr。
可选地，所述N型接触层为N型掺杂的氮化镓层。
可选地，所述N型接触层的厚度为2nm～20nm。
可选地，所述N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1×1019cm-3～9×1019cm-3。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在P型氮化镓层上层叠N型接触层，由于N型掺杂剂能够非常完美的掺杂到氮化镓材料中，N型接触层中提供的电子作为载流子的数量远多于P型接触层中提供的空穴作为载流子的数量，采用N型接触层可以更加有效地与电极之间形成欧姆接触，降低接触层的电阻，在注入电流不变的情况下，LED的工作电压大幅降低，LED的光效(光功率/电功率)提高；同时产生的热量减少，对LED封装材料的要求降低，生产成本得以降低。
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是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。
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发光二极管外延片，参见图1，该外延片包括衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、N型氮化镓层4、应力释放层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、P型氮化镓层8和N型接触层9。
本发明实施例通过在P型氮化镓层上层叠N型接触层，由于N型掺杂剂能够非常完美的掺杂到氮化镓材料中，N型接触层中提供的电子作为载流子的数量远多于P型接触层中提供的空穴作为载流子的数量，采用N型接触层可以更加有效地与电极之间形成欧姆接触，降低接触层的电阻，在注入电流不变的情况下，LED的工作电压大幅降低，LED的光效(光功率/电功率)提高；同时产生的热量减少，对LED封装材料的要求降低，生产成本得以降低。
具体地，N型接触层可以为N型掺杂(如掺杂SiH4)的氮化镓层。与P型氮化镓层采用同样的材料(氮化镓)，晶格匹配较好，可避免产生应力和缺陷而影响发光。
可选地，N型接触层的厚度可以为2nm～20nm。若N型接触层的厚度小于2nm，则无法起到接触层的作用；若N型接触层的厚度大于20nm，则会形成除N型氮化镓层之外的另一个电子提供层，破坏LED的结构，造成非辐射发光而降低发光效率。
可选地，N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1×1019cm-3～9×1019cm-3。若N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度小于1×1019cm-3，则N型接触层中提供的电子数量较少，起不到降低LED工作电压的作用；若N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度大于9×1019cm-3，则造成N型接触层的生长质量较差，影响发光效率。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底；缓冲层可以为氮化镓层，也可以为氮化铝层；应力释放层包括多个铟镓氮层和多个氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置；多量子阱层包括多个铟镓氮量子阱层和多个氮化镓量子垒层，多个铟镓氮量子阱层和多个氮化镓量子垒层交替层叠设置；电子阻挡层可以为铝镓氮层。
更具体地，缓冲层的厚度可以为15nm～30nm；非掺杂氮化镓层的厚度可以为1.5μm～2.5μm；N型氮化镓层的厚度可以为0.5μm～1.5μm；在应力释放层中，铟镓氮层的厚度可以为1nm～3nm，氮化镓层的厚度可以为20nm～40nm，氮化镓层的数量与铟镓氮层的数量相同，铟镓氮层的数量可以为3～10；在多量子阱层中，铟镓氮量子阱层的厚度可以为2nm～4nm，氮化镓量子垒层的厚度可以为10nm～15nm，氮化镓量子垒层的数量与铟镓氮量子阱层的数量相同，铟镓氮量子阱层的数量可以为8个～10个；电子阻挡层的厚度可以为30nm～50nm；P型氮化镓层的厚度可以为1.5μm～2.5μm。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，适用于制造实施例一提供的外延片。参见图2，该制造方法包括：
步骤201：提供一衬底。
步骤202：在衬底上依次形成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层和N型接触层。
本发明实施例通过在P型氮化镓层上层叠N型接触层，由于N型掺杂剂能够非常完美的掺杂到氮化镓材料中，N型接触层中提供的电子作为载流子的数量远多于P型接触层中提供的空穴作为载流子的数量，采用N型接触层可以更加有效地与电极之间形成欧姆接触，降低接触层的电阻，在注入电流不变的情况下，LED的工作电压大幅降低，LED的光效(光功率/电功率)提高；同时产生的热量减少，对LED封装材料的要求降低，生产成本得以降低。
可选地，N型接触层的生长温度可以为700℃～800℃。若N型接触层的生长温度低于700℃，则生长质量较差；若N型接触层的生长温度高于800℃，则会影响P型氮化镓层中P型掺杂剂的活化，降低LED的发光效率。
可选地，N型接触层的生长压力可以为100torr～300torr。若N型接触层的生长压力低于100torr，则生长速率太慢，影响LED的产能；若N型接触层的生长压力高于300torr，则会造成外延片的翘曲度较高。
具体地，缓冲层的生长温度可以为500℃～580℃，生长压力可以为100torr～250torr。非掺杂氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200torr～500torr。N型氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为150torr～300torr。在应力释放层中，铟镓氮层的生长温度可以为750℃～850℃，生长压力可以为200torr～300torr；氮化镓层的生长温度可以为750℃～850℃，生长压力可以为200torr～300torr。在多量子阱层中，铟镓氮量子阱层的生长温度可以为830℃～880℃，生长压力可以为200torr～400torr；氮化镓量子垒层的生长温度可以为920℃～980℃，生长压力可以为200torr～400torr。电子阻挡层的生长温度可以为1050℃～1150℃，生长压力可以为100torr～200torr。P型氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200torr～600torr。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例提供的制造方法是实施例二提供的制造方法的一种具体实现。参见图3，该制造方法包括：
步骤301：将蓝宝石衬底在纯氢气气氛下进行1050℃的退火处理，并在退火处理之后进行氮化处理。
步骤302：控制温度为540℃，压力为175torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的氮化镓层，形成缓冲层。
可选地，在步骤302之后，该制备方法还可以包括：
停止通入TMGa源，控制温度为1040℃，对缓冲层进行8分钟的原位退火。
步骤303：控制生长温度为1040℃，生长压力为300torr，在缓冲层上生长厚度为1μm的非掺杂氮化镓层。
步骤304：控制生长温度为1225℃，生长压力为225torr，在非掺杂氮化镓层上生长厚度为2μm的N型氮化镓层。
步骤305：控制生长温度为800℃，生长压力为250torr，在N型氮化镓层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括交替层叠设置的6个铟镓氮层和6个氮化镓层，铟镓氮层的厚度为2nm；氮化镓层的厚度为30nm。
步骤306：控制生长压力为300torr，在应力释放层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括交替层叠设置的9个铟镓氮量子阱层和9个氮化镓量子垒层，铟镓氮量子阱层的厚度为2.5nm，生长温度为850℃；氮化镓量子垒层的厚度为15nm，生长温度为950℃。
步骤307：控制生长温度为1100℃，生长压力为150torr，在多量子阱层上生长厚度为80nm的P型铝镓氮层，形成电子阻挡层。
步骤308：控制生长温度为1240℃，生长压力为350torr，在电子阻挡层上生长厚度为0.2μm的P型氮化镓层。
步骤309：控制生长温度为760℃，生长压力为200torr，在P型氮化镓层上生长厚度为10nm、掺杂浓度为5×1019cm-3的N型氮化镓层，形成N型接触层。
在本实施例中，整个过程采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Meta1OrganicChemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)反应腔实现，实现时采用高纯氢气(H2)或者氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)作为镓源，高纯氨气(NH3)作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
需要说明的是，在外延生长结束之后，先将反应腔的温度控制在700℃～800℃之间，在纯氮气氛围下进行5分钟～15分钟的退火处理，再将反应腔的温度降至室温。随后，将外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗芯片。
需要说明的是，在其它实施例中，N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度、N型接触层的厚度、N型接触层的生长温度、N型接触层的生长压力、以及其它各层的生长温度、生长压力和厚度等参数均可以取其它值。
将N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度和N型接触层的厚度取不同值，保持N型接触层的其它参数和其它层的各个参数不变，将制造的外延片制成的芯片在相同的电流下检测工作电压，检测结果如表一所示：
表一
从表一可以看出，N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度在5×1019cm-3左右，N型接触层的厚度在10nm左右，芯片的工作电压较低。
将N型接触层的生长温度和N型接触层的生长压力取不同值，保持N型接触层的其它参数和其它层的各个参数不变，将制造的外延片制成的芯片在相同的电流下检测工作电压，检测结果如表二所示：
表二
| N型接触层的生长温度 | N型接触层的生长压力 | 芯片的工作电压 |
| 700℃ | 100torr | 3.42V |
| 700℃ | 200torr | 3.34V |
| 700℃ | 300torr | 3.33V |
| 760℃ | 100torr | 3.22V |
| 760℃ | 200torr | 3.18V |
| 760℃ | 300torr | 3.20V |
| 800℃ | 100torr | 3.26V |
| 800℃ | 200torr | 3.24V |
| 800℃ | 300torr | 3.30V |
从表二可以看出，N型接触层的生长温度在760℃左右，N型接触层的生长压力在200torr左右，芯片的工作电压较低。
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。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述P型氮化镓层上的N型接触层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型接触层为N型掺杂的氮化镓层。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型接触层的厚度为2nm～20nm。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1×1019cm-3～9×1019cm-3。
5.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次形成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层和N型接触层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述N型接触层的生长温度为700℃～800℃。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述N型接触层的生长压力为100torr～300torr。
8.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述N型接触层为N型掺杂的氮化镓层。
9.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述N型接触层的厚度为2nm～20nm。
10.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述N型接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1×1019cm-3～9×1019cm-3。
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