CN107731977A - 一种发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。外延片包括衬底、缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，缓冲层、未掺杂氮化镓层和N型氮化镓层依次层叠在衬底上，P型氮化镓层层叠在电子阻挡层上，N型氮化镓层的第一表面具有多个凸块，各个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，各个凸块的高度小于N型氮化镓层的厚度，多量子阱层层叠在多个凸块之间的N型氮化镓层上，多量子阱层的厚度等于各个凸块的高度，电子阻挡层层叠在多量子阱层和多个凸块上。本发明可改善量子阱的生长质量。
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的外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是利用半导体的PN结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。外延片是发光二极管制备过程中的初级成品。
现有的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、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。其中，多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层，量子垒为氮化镓层。当注入电流时，N型氮化镓层提供的电子和P型氮化镓层提供的空穴注入多量子阱层复合发光。
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：
若量子阱采用较优的温度(750～850℃)生长，则量子阱的生长质量较好，但同时会造成铟的析出，量子阱中铟组分的含量降低。为了保障量子阱的发光，量子阱中铟组分的含量需要在设定范围内，因此通常采用比较优的温度低50℃的温度生长量子阱，但这样会造成量子阱的生长质量较差，导致缺陷产生，缺陷又造成量子阱的界面发生变化，界面极化较大，影响量子阱中电子和空穴的复合，导致发光二极管的发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术发光二极管的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法。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的外延片，所述外延片包括衬底、缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述缓冲层、所述未掺杂氮化镓层和所述N型氮化镓层依次层叠在所述衬底上，所述P型氮化镓层层叠在所述电子阻挡层上，所述多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置，所述N型氮化镓层的第一表面具有多个凸块，所述第一表面为所述N型氮化镓层与所述未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面，各个所述凸块垂直于所述N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿所述N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，各个所述凸块的高度小于所述N型氮化镓层的厚度，所述多量子阱层层叠在所述多个凸块之间的N型氮化镓层上，所述多量子阱层的厚度等于各个所述凸块的高度，所述电子阻挡层层叠在所述多量子阱层和所述多个凸块上。
可选的，所述多个凸块呈阵列分布在所述第一表面上。
优选地，相邻两个所述凸块的形心之间的距离的整数倍等于芯片的尺寸。
更优选地，相邻两个所述凸块的形心之间的距离为4mil、5mil或者0.1mm。
可选的，各个所述凸块的高度为20nm～200nm。
可选的，各个所述凸块为圆锥或棱锥。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层和N型氮化镓层；
在所述N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块，所述第一表面为所述N型氮化镓层与所述未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面，各个所述凸块垂直于所述N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿所述N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，各个所述凸块的高度小于所述N型氮化镓层的厚度；
在所述多个凸块之间的N型氮化镓层上生长多量子阱层，所述多量子阱层的厚度等于各个所述凸块的高度，所述多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置；
在所述多量子阱层和所述多个凸块上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型氮化镓层。
可选地，所述在所述N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块，包括：
采用光刻技术在所述N型氮化镓层的第一表面上所述多个凸块所在位置形成光刻胶；
干法刻蚀或者湿法腐蚀所述光刻胶之间的N型氮化镓层，在所述N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块；
去除所述光刻胶。
优选地，所述光刻胶的厚度为20nm～200nm。
优选地，所述各个所述凸块的高度为20nm～200nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在N型氮化镓层与未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面上形成多个凸块，将多量子阱层层叠在多个凸块之间的N型氮化镓层上，各个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，层叠在相邻两个凸块之间的多量子阱层中的量子阱在生长过程产生的缺陷会相互抵消，避免极化应力的产生，改善量子阱的生长质量，有利于量子阱中电子和空穴的复合，提高发光二极管的发光效率。
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是本发明实施例一提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的多量子阱层的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的凸块分布的示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图；
图5a-图5e是本发明实施例二提供的外延片制备过程中的结构示意图。
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的外延片，参见图1，该外延片包括衬底1、缓冲层2、未掺杂氮化镓层3、N型氮化镓层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型氮化镓层7。
在本实施例中，缓冲层2、未掺杂氮化镓层3、N型氮化镓层4依次层叠在衬底1上；N型氮化镓层4的第一表面具有多个凸块40，第一表面为N型氮化镓层4与未掺杂氮化镓层3接触的表面的相反表面，各个凸块40垂直于N型氮化镓层4的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层4的层叠方向逐渐减小，各个凸块40的高度小于N型氮化镓层4的厚度；多量子阱层5层叠在多个凸块40之间的N型氮化镓层4上，多量子阱层4的厚度等于各个凸块40的高度；电子阻挡层6层叠在多量子阱层5和多个凸块40上；P型氮化镓层7层叠在电子阻挡层6上。参见图2，多量子阱层5包括多个量子阱51和多个量子垒52，多个量子阱51和多个量子垒52交替层叠设置。
其中，凸块的高度为凸块平行于N型氮化镓层的层叠方向的长度。
本发明实施例通过在N型氮化镓层与未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面上形成多个凸块，将多量子阱层层叠在多个凸块之间的N型氮化镓层上，各个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，层叠在相邻两个凸块之间的多量子阱层中的量子阱在生长过程产生的缺陷会相互抵消，避免极化应力的产生，改善量子阱的生长质量，有利于量子阱中电子和空穴的复合，提高发光二极管的发光效率。
可选地，参见图3，多个凸块40可以呈阵列分布在第一表面上，多个凸块之间的多量子阱层受到的作用相同，避免影响复合发光的均匀性。
优选地，相邻两个凸块的形心之间的距离的整数倍可以等于芯片的尺寸，使得外延片切割形成的多个芯片上多量子阱层受到的作用相同，保证芯片的一致性。
具体地，相邻两个凸块的形心之间的距离可以为4mil、5mil或者0.1mm。在具体实现中，若芯片的尺寸为12mil，则相邻两个凸块的形心之间的距离可以为4mil；若芯片的尺寸为15mil，则相邻两个凸块的形心之间的距离可以为5mil；若芯片的尺寸为10mm，则相邻两个凸块的形心之间的距离可以为0.1mm；这样均可以使得相邻两个凸块的形心之间的距离的整数倍可以等于芯片的尺寸，保证外延片切割形成的多个芯片的一致性。
可选地，各个凸块的高度可以为20nm～200nm。若各个凸块的高度小于20nm，则各个凸块的高度太小，相邻两个凸块之间的多量子阱层中的量子阱在生长过程产生的缺陷才刚刚开始相互抵消，因而无法有效提高发光二极管的发光效率；若各个凸块的高度大于200nm，则各个凸块的高度太大，相邻两个凸块之间的多量子阱层中的量子阱在生长过程产生的缺陷相互抵消的厚度有限，可能会产生新的缺陷，影响发光二极管的发光效率。
可选地，各个凸块可以为圆锥或棱锥。各个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积最终减小为0，从而将层叠在多个凸块上的P型氮化镓层减少到最少，尽可能避免非辐射复合的发生，提高发光二极管的发光效率。
具体地，衬底为蓝宝石衬底。缓冲层可以为氮化镓层，也可以为氮化铝层。量子阱可以为铟镓氮层，量子垒可以为氮化镓层，也可以为铝镓氮层。电子阻挡层可以为P型掺杂的AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
可选地，缓冲层的厚度可以为15nm～35nm。
可选地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm。
可选地，N型氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm。
可选地，N型氮化镓层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3。
可选地，量子阱的厚度可以为2nm～3nm。
可选地，量子垒的厚度可以为9nm～20nm。
可选地，量子垒的层数与量子阱相同，量子阱的层数可以为3～15层。
可选地，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm。
可选地，P型氮化镓层的厚度可以为105nm～500nm。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，适用于制备实施例一提供的外延片，参见图4，该制备方法包括：
步骤201：在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层和N型氮化镓层。
图5a为步骤201执行之后外延片的结构示意图。其中，1为衬底，2为缓冲层，3为未掺杂氮化镓层，4为N型氮化镓层。如图5a所示，缓冲层2、未掺杂氮化镓层3和N型氮化镓层4依次层叠在衬底1上。
可选地，在步骤201之前，该制备方法还可以包括：
控制温度为1100℃，将衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理，以清洁衬底。
具体地，衬底可以采用[0001]晶向的蓝宝石。
具体地，该步骤201可以包括：
控制温度为400℃～600℃，压力为400Torr～600Torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为15nm～35nm的氮化镓层，形成缓冲层；
控制温度为1000℃～1100℃，压力为100torr～500torr，在缓冲层上生长厚度为1μm～5μm的未掺杂氮化镓层；
控制温度为1000℃～1200℃，压力为100torr～500torr，在未掺杂氮化镓层上生长厚度为1μm～5μm、掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3的N型氮化镓层。
可选地，在生长缓冲层之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，压力为400Torr～600Torr，持续时间为5分钟～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤202：在N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块。
在本实施例中，第一表面为N型氮化镓层与未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面。各个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小。各个凸块的高度小于N型氮化镓层的厚度。
图5b为步骤202执行之后外延片的结构示意图。其中，40为凸块。如图5b所示，多个凸块40位于N型氮化镓层4与未掺杂氮化镓层3接触的表面的相反表面，各个凸块40垂直于N型氮化镓层4的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层4的层叠方向逐渐减小，各个凸块40的高度小于N型氮化镓层4的厚度。
具体地，该步骤202可以包括：
采用光刻技术在N型氮化镓层的第一表面上多个凸块所在位置形成光刻胶；
干法刻蚀或者湿法腐蚀光刻胶之间的N型氮化镓层，在N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块；
去除光刻胶。
在具体实现中，先在N型氮化镓层的第一表面上铺设一层光刻胶，再在掩膜版的遮挡下对光刻胶进行曝光，接着对曝光后的光刻胶进行显影，得到所需图形的光刻胶，即多个凸块所在位置形成的光刻胶。再在光刻胶的保护下，对N型氮化镓层进行干法刻蚀或者湿法腐蚀，没有光刻胶覆盖的N型氮化镓层被去除，具有光刻胶覆盖的N型氮化镓层在光刻胶的保护下而免于被去除。由于干法刻蚀和湿法腐蚀是沿N型氮化镓层的层叠方向的相反方向进行的，越先被去除的区域被去除的面积越大，因此N型氮化镓层被去除的部分垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向的相反方向逐渐减小，相应地多个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小。
具体地，在进行干法刻蚀时，可以将上电极功率设定为50w～200w，下电极的功率设定为100w～400w，通入流量为10sccm～30sccm的BCl3和流量为70sccm～200sccm的Cl2，反应时间为20s～400s。
在进行湿法腐蚀时，采用浓度为40％～80％的KOH溶液，反应温度为60℃，反应时间为1min～20min。
可选地，光刻胶的厚度可以为20nm～200nm，以形成所需高度的凸块。
步骤203：在多个凸块之间的N型氮化镓层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层的厚度等于各个凸块的高度。多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置。
图5c为步骤203执行之后外延片的结构示意图。其中，5为多量子阱层。如图5c所示，多量子阱层5层叠在多个凸块40之间的N型氮化镓层4上。
具体地，该步骤203可以包括：
控制压力为100torr～500torr，在多个凸块之间的N型氮化镓层上交替生长铟镓氮层和氮化镓层，铟镓氮层的生长温度为720℃～829℃，氮化镓层的生长温度为850℃～959℃，形成多量子阱层。
具体地，量子阱的厚度可以为2nm～3nm；量子垒的厚度可以为9nm～20nm；，量子垒的层数与量子阱相同，量子阱的层数可以为3～15层。
步骤204：在多量子阱层和多个凸块上生长电子阻挡层。
图5d为步骤204执行之后外延片的结构示意图。其中，6为电子阻挡层。如图5d所示，电子阻挡层6层叠在多量子阱层5和多个凸块40上。
具体地，该步骤204可以包括：
控制温度为850℃～1080℃，压力为200torr～500torr，在多量子阱层和多个凸块上生长厚度为50nm～150nm的P型铝镓氮层，形成电子阻挡层。
步骤205：在电子阻挡层上生长P型氮化镓层。
图5e为步骤205执行之后外延片的结构示意图。其中，7为P型氮化镓层。如图5e所示，P型氮化镓层7层叠在电子阻挡层6上。
具体地，该步骤205可以包括：
控制温度为750℃～1080℃，压力为200torr～500torr，在电子阻挡层上生长厚度为100nm～200nm的P型氮化镓层；
控制温度为850℃～1050℃，压力为100torr～300torr，继续生长厚度为5nm～300nm的P型氮化镓层。
可选地，在步骤205之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为650℃～850℃，持续时间为5分钟～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
需要说明的是，在本实施例中，控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应腔中的温度、压力。实现时以三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，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。
本发明实施例通过在N型氮化镓层与未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面上形成多个凸块，将多量子阱层层叠在多个凸块之间的N型氮化镓层上，各个凸块垂直于N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，层叠在相邻两个凸块之间的多量子阱层中的量子阱在生长过程产生的缺陷会相互抵消，避免极化应力的产生，改善量子阱的生长质量，有利于量子阱中电子和空穴的复合，提高发光二极管的发光效率。
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)
1.一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底、缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述缓冲层、所述未掺杂氮化镓层和所述N型氮化镓层依次层叠在所述衬底上，所述P型氮化镓层层叠在所述电子阻挡层上，所述多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置，其特征在于，所述N型氮化镓层的第一表面具有多个凸块，所述第一表面为所述N型氮化镓层与所述未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面，各个所述凸块垂直于所述N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿所述N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，各个所述凸块的高度小于所述N型氮化镓层的厚度，所述多量子阱层层叠在所述多个凸块之间的N型氮化镓层上，所述多量子阱层的厚度等于各个所述凸块的高度，所述电子阻挡层层叠在所述多量子阱层和所述多个凸块上。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述多个凸块呈阵列分布在所述第一表面上。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，相邻两个所述凸块的形心之间的距离的整数倍等于芯片的尺寸。
4.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，相邻两个所述凸块的形心之间的距离为4mil、5mil或者0.1mm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的外延片，其特征在于，各个所述凸块的高度为20nm～200nm。
6.根据权利要求1～4任一项所述的外延片，其特征在于，各个所述凸块为圆锥或棱锥。
7.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层和N型氮化镓层；
在所述N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块，所述第一表面为所述N型氮化镓层与所述未掺杂氮化镓层接触的表面的相反表面，各个所述凸块垂直于所述N型氮化镓层的层叠方向的截面面积沿所述N型氮化镓层的层叠方向逐渐减小，各个所述凸块的高度小于所述N型氮化镓层的厚度；
在所述多个凸块之间的N型氮化镓层上生长多量子阱层，所述多量子阱层的厚度等于各个所述凸块的高度，所述多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置；
在所述多量子阱层和所述多个凸块上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型氮化镓层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块，包括：
采用光刻技术在所述N型氮化镓层的第一表面上所述多个凸块所在位置形成光刻胶；
干法刻蚀或者湿法腐蚀所述光刻胶之间的N型氮化镓层，在所述N型氮化镓层的第一表面上形成多个凸块；
去除所述光刻胶。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述光刻胶的厚度为20nm～200nm。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述各个所述凸块的高度为20nm～200nm。
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