CN108831975A - 一种发光二极管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、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层依次层叠在衬底上，接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。本发明通过P型掺杂的氮化铝镓层和没有掺杂的氮化镓层构成异质结，形成二维电子气，促使载流子横向扩展，防止电流聚集在型接触层靠近P型电极的边缘的区域，避免出现局部放电甚至击穿的现象，提高了LED的可靠性，延长了LED的使用寿命。
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备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。外延片是LED制备过程中的初级成品。
现有的LED外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和P型接触层，缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层依次层叠在衬底上。衬底用于为外延材料提供生长表面，缓冲层用于缓解衬底和N型半导体层之间的晶格失配，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，有源层用于进行电子和空穴的复合发光，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，P型接触层用于在半导体材料和金属电极之间形成欧姆接触。
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：
芯片是LED的核心组件，通过在外延片上制作电极形成。具体地，可以先在P型接触层上开设延伸至N型半导体层的凹槽，再在凹槽内的N型半导体层上设置N型电极，同时在P型接触层上设置P型电极。
P型电极和N型电极采用金属材料形成，P型接触层和N型半导体层采用半导体材料形成，而且P型接触层(材料采用P型掺杂的氮化铟镓)中可移动的空穴数量远低于N型半导体层(材料采用N型掺杂的氮化镓)中可移动的电子数量，因此从P型电极向P型接触层中注入电流时，电流容易聚集在P型接触层靠近P型电极的边缘的区域，造成局部出现放电甚至击穿的现象，降低了LED的可靠性，极大限制了LED的使用寿命。
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外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述缓冲层、所述N型半导体层、所述有源层、所述P型半导体层和所述接触层依次层叠在所述衬底上，所述接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，所述第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
可选地，所述第一子层中P型掺杂剂的掺杂浓度小于所述P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
优选地，所述第一子层中铝组分的摩尔含量为0.2～0.4。
可选地，所述第一子层的厚度为2nm～8nm。
可选地，所述接触层还包括第四子层，所述第四子层设置在所述第一子层和所述第二子层之间，所述第四子层的材料采用P型掺杂的氮化铝。
优选地，所述第四子层和所述第一子层的厚度之和为2nm～8nm。
可选地，所述第三子层中P型掺杂剂的掺杂浓度大于所述P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
可选地，所述接触层的厚度为5nm～20nm。
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备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；
其中，所述接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，所述第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
可选地，所述接触层还包括第四子层，所述第四子层设置在所述第一子层和所述第二子层之间，所述第四子层的材料采用P型掺杂的氮化铝。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将接触层设计为依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，第一子层和第二子层之间构成异质结，形成二维电子气，促使载流子横向扩展，提高载流子的迁移率，对从P型电极向P型接触层注入的电流进行平面铺展，防止电流聚集在型接触层靠近P型电极的边缘的区域，避免出现局部放电甚至击穿的现象，提高了LED的可靠性，延长了LED的使用寿命，在大电流密度和高强度静电下保证LED的有效工作能力。另外，第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓，一方面可以与P型电极之间形成良好的欧姆接触，另一方面还可以释放第一子层和第二子层之间构成异质结产生的应力，提高外延片的晶体质量，有利于LED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接触层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的另一种接触层的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种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。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，图1为本发明实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图，参见图1，该发光二极管外延片包括衬底10、缓冲层20、N型半导体层30、有源层40、P型半导体层50和接触层60，缓冲层20、N型半导体层30、有源层40、P型半导体层50和接触层60依次层叠在衬底10上。
图2为本发明实施例提供的一种接触层的结构示意图，参见图2，接触层60包括依次层叠的第一子层61、第二子层62和第三子层63，第一子层61的材料采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，第二子层62的材料采用没有掺杂的氮化镓(GaN)，第三子层63的材料采用P型掺杂的氮化铟镓(InGaN)。
本发明实施例通过将接触层设计为依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，第一子层和第二子层之间构成异质结，形成二维电子气，促使载流子横向扩展，提高载流子的迁移率，对从P型电极向P型接触层注入的电流进行平面铺展，防止电流聚集在型接触层靠近P型电极的边缘的区域，避免出现局部放电甚至击穿的现象，提高了LED的可靠性，延长了LED的使用寿命，在大电流密度和高强度静电下保证LED的有效工作能力。另外，第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓，一方面可以与P型电极之间形成良好的欧姆接触，另一方面还可以释放第一子层和第二子层之间构成异质结产生的应力，提高外延片的晶体质量，有利于LED的发光效率。
可选地，第一子层61中P型掺杂剂的掺杂浓度可以小于P型半导体层50中P型掺杂剂的掺杂浓度，一方面匹配二维电子气需要的异质结的晶格结构，另一方面避免第一子层中P型掺杂剂的掺杂浓度太高而影响载流子的横向扩展。
优选地，第一子层61中铝组分的摩尔含量可以为0.2～0.4，以匹配二维电子气需要的异质结的晶格结构。
在实际应用中，第一子层61中铝组分的摩尔含量可以为定值，实现比较容易和方便。第一子层61中铝组分的摩尔含量也可以沿接触层的层叠方向逐渐增大，优选从0开始逐渐增大，以与P型半导体层匹配，提高外延片的晶体质量，有利于LED的发光效率。
可选地，图2所示的接触层中第一子层61的厚度为2nm～8nm。如果图2所示的接触层中第一子层的厚度小于2nm，则可能由于第一子层的厚度太小而无法与第二子层之间构成异质结，进而不能产生促使载流子横向扩展的二维电子气，达不到对从P型电极向P型接触层注入的电流进行平面铺展的效果；如果图2所示的接触层中第二子层的厚度大于8nm，则可能由于第一子层的厚度太大而增大外延片的电阻，提高LED的导通电压。
图3为本发明实施例提供的另一种接触层的结构示意图。可选地，参见图3，接触层60还可以包括第四子层64，第四子层64设置在第一子层61和第二子层62之间，第四子层64的材料采用P型掺杂的氮化铝(AlN)。
通过将接触层设计为依次层叠的第一子层、第四子层、第二子层和第三子层，第四子层的材料采用P型掺杂的氮化铝，第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，第四子层代替第一子层和第二子层之间构成异质结，形成更强的二维电子气，可以更有效地促进载流子的横向扩展，提高载流子的迁移率，对从P型电极向P型接触层注入的电流进行平面铺展，防止电流聚集在型接触层靠近P型电极的边缘的区域，避免出现局部放电甚至击穿的现象，LED可靠性的提高效果更明显，LED的使用寿命更长，更适合在大电流密度和高强度静电下应用。而且第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，可以缓解P型半导体层和第四子层之间的晶格失配，提高外延片的晶体质量，有利于LED的发光效率。另外，第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓，一方面可以与P型电极之间形成良好的欧姆接触，另一方面还可以释放第四子层和第二子层之间构成异质结产生的应力，提高外延片的晶体质量，有利于LED的发光效率。
相应地，图3所示的接触层中第四子层64和第一子层61的厚度之和可以为2nm～8nm。如果图3所示的接触层中第四子层和第一子层的厚度之和小于2nm，则可能由于第一子层和第四子层的厚度太小而无法与第二子层之间构成异质结，进而不能产生促使载流子横向扩展的二维电子气，达不到对从P型电极向P型接触层注入的电流进行平面铺展的效果；如果图3所示的接触层中第四子层和第一子层的厚度之和大于8nm，则可能有第一子层和第四子层的厚度太大而增大外延片的电阻，提高LED的导通电压。
具体地，第四子层64中P型掺杂剂的掺杂浓度可以小于P型半导体层50中P型掺杂剂的掺杂浓度，一方面匹配二维电子气需要的异质结晶格结构，另一方面避免第四子层中P型掺杂剂的掺杂浓度太高而影响载流子的横向扩展。
进一步地，第二子层62的厚度可以为2nm～6nm。如果第二子层的厚度小于2nm，则可能由于第二子层的厚度太小而无法与第一子层或第四子层构成异质结，进而不能产生促使载流子横向扩展的二维电子气，达不到对从P型电极向P型接触层注入的电流进行平面铺展的效果；如果第二子层的厚度大于6nm，则可能由于第二子层的厚度太大而增大外延片的电阻，提高LED的导通电压。
可选地，第三子层63中P型掺杂剂的掺杂浓度可以大于P型半导体层50中P型掺杂剂的掺杂浓度。
通过提高第三子层中P型掺杂剂的掺杂浓度，增大第三子层中载流子的数量，有利于电流的注入，与P型电极之间形成良好的欧姆接触。
可选地，第三子层63中铟组分的摩尔含量可以为0.05～0.2。如果第三子层中铟组分的摩尔含量小于0.05，则可能由于第三子层中铟组分的摩尔含量太低而无法释放第一子层或第四子层与第二子层之间构成异质结产生的应力，降低外延片的晶体质量，影响LED的发光效率；如果第三子层中铟组分的含量大于0.2，则可能由于第三子层中铟组分的含量太高而造成第三子层的晶体质量太差，同样也会降低外延片的晶体质量，进而影响LED的发光效率。
可选地，第三子层63的厚度可以为1nm～4nm。如果第三子层的厚度小于1nm，则可能由于第三子层的厚度太小而无法释放第一子层或第四子层与第二子层之间构成异质结产生的应力，降低外延片的晶体质量，影响LED的发光效率；如果第三子层的厚度大于4nm，则可能由于第三子层的厚度太大而增大外延片的电阻，提高LED的导通电压，同时还可能降低外延片的晶体质量，进而影响LED的发光效率。
可选地，接触层60的厚度可以为5nm～20nm。如果接触层的厚度小于5nm，则可能由于接触层的厚度太小而无法起到作用；如果接触层的厚度大于20nm，则可能由于接触层的厚度太大而增大外延片的电阻，提高LED的导通电压。
具体地，衬底10的材料可以采用蓝宝石。缓冲层20的材料可以采用氮化镓。N型半导体层30的材料可以采用N型掺杂的氮化镓。有源层40可以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；量子阱的材料可以采用氮化铟镓，量子垒的材料可以采用氮化镓。P型半导体层50的材料可以采用P型掺杂的氮化镓。
更具体地，缓冲层20的厚度可以为15nm～35nm(优选为25nm)。N型半导体层30的厚度可以为1μm～5μm(优选为3μm)，N型半导体层30中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3(优选为5*1018cm-3)；P型半导体层50的厚度可以为100nm～800nm(优选为300nm)。量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm(优选为3nm)，量子垒的厚度可以为9nm～20nm(优选为15nm)；量子垒的数量与量子阱的数量相同，量子阱的数量可以为5个～15个(优选为10个)。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层70，未掺杂氮化镓层70设置在缓冲层20和N型半导体层30之间，以进一步缓解蓝宝石衬底和N型半导体层之间的晶格失配，为N型半导体层等的生长提高晶体质量较好的底层。
具体地，未掺杂氮化镓层70的厚度可以为1μm～5μm(优选为3μm)。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层80，电子阻挡层80设置在有源层40和P型半导体层50之间，以避免电子跃迁到P型半导体层中进行非辐射复合。
具体地，电子阻挡层80可以为P型掺杂的铝镓氮层，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5(优选y＝0.3)。
更具体地，电子阻挡层80的厚度可以为50nm～150nm(优选为100nm)。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于制备图1所示的发光二极管外延片。图4为本发明实施例提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图，参见图4，该制备方法包括：
步骤201：提供一衬底。
可选地，该制备方法还可以包括：
将衬底在氢气气氛中退火8分钟；
在1000℃～1200℃的温度下进行氮化处理。
通过上述处理，清洁衬底表面，以便于后续的外延生长(详见步骤202)。
进一步地，衬底可以采用[0001]晶向的蓝宝石。
步骤202：在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层。
在本实施例中，接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
可选地，接触层还可以包括第四子层，第四子层设置在第一子层和第二子层之间，第四子层的材料采用P型掺杂的氮化铝。
具体地，该步骤202可以包括：
控制温度为400℃～600℃(优选为500℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，在衬底上生长缓冲层；
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为400Torr～600Torr(优选为500torr)，持续时间为5分钟～10分钟(优选为8分钟)，对缓冲层进行原位退火处理；
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长N型半导体层；
控制压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上生长有源层，有源层包括交替生长的多个量子阱和多个量子垒，生长量子阱时温度控制为720℃～829℃(优选为770℃)，生长量子垒时温度控制为850℃～959℃(优选为900℃)；
控制温度为850℃～1080℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在有源层上生长P型半导体层；
控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长接触层。
可选地，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
相应地，N型半导体层在未掺杂氮化镓层上生长。
可选地，该制备方法还可以包括：
控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上生长电子阻挡层。
相应地，P型半导体层在电子阻挡层上生长。
可选地，在该步骤202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，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。
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、缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述缓冲层、所述N型半导体层、所述有源层、所述P型半导体层和所述接触层依次层叠在所述衬底上，其特征在于，所述接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，所述第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中P型掺杂剂的掺杂浓度小于所述P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中铝组分的摩尔含量为0.2～0.4。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为2nm～8nm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述接触层还包括第四子层，所述第四子层设置在所述第一子层和所述第二子层之间，所述第四子层的材料采用P型掺杂的氮化铝。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第四子层和所述第一子层的厚度之和为2nm～8nm。
7.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第三子层中P型掺杂剂的掺杂浓度大于所述P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
8.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述接触层的厚度为5nm～20nm。
9.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；
其中，所述接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用P型掺杂的氮化铝镓，所述第二子层的材料采用没有掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述接触层还包括第四子层，所述第四子层设置在所述第一子层和所述第二子层之间，所述第四子层的材料采用P型掺杂的氮化铝。
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