CN109087974A - 一种发光二极管外延片的制备方法及其发光二极管外延片 - Google Patents
一种发光二极管外延片的制备方法及其发光二极管外延片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制备方法及其发光二极管外延片，属于半导体技术领域。制备方法包括：采用化学气相沉积技术在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和电子阻挡层；对所述电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低所述电子阻挡层的电阻率；采用化学气相沉积技术在所述电子阻挡层上生长P型半导体层。本发明通过对电子阻挡层的表面进行质子辐射，改变电子阻挡层晶体的微观结构，影响电子阻挡层内缺陷的形态和数量，降低电子阻挡层的电阻率，可以提高电子阻挡层的载流子迁移率，有利于P型半导体层的空穴迁移到有源层中，提高有源层中的空穴数量，进而增加有源层中电子的空穴的辐射复合发光，最终改善LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制备方法及其发光二极管外延片。
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。LED因具有节能环保、可靠性高、使用寿命长等优点而受到广泛的关注，近年来在背光源和显示屏领域大放异彩，并且开始向民用照明市场进军。对于民用照明来说，光效和使用寿命是主要的衡量标准，因此增加LED的发光效率和提高LED的抗静电能力对于LED的广泛应用显得尤为关键。
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、有源层和P型半导体层，缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层依次层叠在衬底上。P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，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辐射复合发光，衬底用于为外延材料提供生长表面；衬底的材料通常选择蓝宝石，N型半导体层等的材料通常选择氮化镓，蓝宝石和氮化镓为异质材料，两者之间存在较大的晶格失配，缓冲层用于缓解衬底和N型半导体层之间的晶格失配。
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：
N型半导体提供的电子数量远大于P型半导体层的空穴数量，加上电子的体积远小于空穴的体积，导致注入有源层中的电子数量远大于空穴数量。为了避免N型半导体层提供的电子迁移到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，通常会在有源层和P型半导体层之间设置电子阻挡层，阻挡电子从有源层跃迁到P型半导体层。但是有源层中空穴数量依然远小于电子数量，限制了有源层中电子和空穴的复合发光，同时蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷会随着外延生长而延伸，电子阻挡层内的缺陷会束缚载流子的迁移，进一步减少有源层中电子和空穴的复合发光，造成LED的发光效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法及其发光二极管外延片，能够解决现有技术有源层中空穴数量减少造成LED的发光效率较低的问题。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的制备方法，所述制备方法包括：
采用化学气相沉积技术在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和电子阻挡层；
对所述电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低所述电子阻挡层的电阻率；
采用化学气相沉积技术在所述电子阻挡层上生长P型半导体层。
可选地，质子辐射的辐射剂量为1015ions/cm2～1018ions/cm2。
可选地，质子辐射的辐射能量为4.5MeV～6MeV。
可选地，质子辐射时所述电子阻挡层所处环境的压力为10-4Torr～10-2Torr。
可选地，质子辐射时所述电子阻挡层所处环境的温度为20℃～80℃。
可选地，所述对所述电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低所述电子阻挡层的电阻率，包括：
利用质子加速器提供的质子流轰击所述电子阻挡层的表面。
优选地，所述质子束的电流强度为150nA～250nA。
优选地，所述质子束的直径为2.5cm～5.5cm。
优选地，轰击的时长为40min～80min。
另一方面，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、电子阻挡层和P型半导体层，所述缓冲层、所述N型半导体层、所述有源层、所述电子阻挡层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述电子阻挡层层叠有所述P型半导体层的表面为经过质子辐射处理的表面。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过对电子阻挡层的表面进行质子辐射，改变电子阻挡层晶体的微观结构，影响电子阻挡层内缺陷的形态和数量，降低电子阻挡层的电阻率，可以提高电子阻挡层的载流子迁移率，有利于P型半导体层的空穴迁移到有源层中，提高有源层中的空穴数量，进而增加有源层中电子的空穴的辐射复合发光，最终改善LED的发光效率。同时由于电子阻挡层所采用的材料使得电子阻挡层的能级很高，可以有效阻挡电子跃迁到P型半导体层中，电子阻挡层的载流子迁移率的提高对此基本没有影响。而且电子阻挡层的电阻率降低，还可以降低外延片的串联电阻，最终降低LED的正向电压。
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制备方法的流程图；
图2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。
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的制备方法，图1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1，该制备方法包括：
步骤101：采用化学气相沉积技术在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和电子阻挡层。
具体地，该步骤101可以包括：
控制温度为400℃～600℃(优选为500℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，在衬底上生长厚度为15nm～35nm(优选为25nm)的缓冲层；
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)，在缓冲层上生长厚度为1μm～5μm(优选为3μm)的N型半导体层，N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3(优选为5*1018cm-3)；
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；量子阱的数量和量子垒的数量相同，量子垒的数量为5个～15个(优选为10个)；量子阱的厚度为2.5nm～3.5nm(优选为3nm)，量子阱的生长温度为720℃～829℃(优选为770℃)；量子垒的厚度为9nm～20nm(优选为15nm)，量子垒的生长温度为850℃～959℃(优选为900℃)；
控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上生长厚度为50nm～150nm(优选为100nm)的电子阻挡层。
具体地，衬底的材料可以采用[0001]晶向的蓝宝石，缓冲层的材料可以采用氮化镓(GaN)。N型半导体层的材料可以采用N型掺杂的氮化镓。量子阱的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，量子垒的材料可以采用氮化镓。电子阻挡层的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。
可选地，在步骤101之前，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，在氢气气氛中对衬底进行1分钟～10分钟(优选为8分钟)的退火处理；
对衬底进行氮化处理。
采用上述步骤对衬底的表面进行清洗，避免杂质掺入外延片中，影响整体的晶体质量，降低LED的发光效率。
可选地，在缓冲层上生长N型半导体层之前，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)，在缓冲层上生长厚度为1μm～5μm(优选为3μm)的未掺杂氮化镓层。
相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
利用未掺杂氮化镓层缓解衬底和N型半导体层之间的晶格失配。
在具体实现时，缓冲层为首先在衬底上低温生长的一层较薄的氮化镓，因此也称为低温缓冲层。再在低温缓冲层进行氮化镓的纵向生长，会形成多个相互独立的三维岛状结构，称为三维成核层；然后在所有三维岛状结构上和各个三维岛状结构之间进行氮化镓的横向生长，形成二维平面结构，称为二维恢复层；最后在二维生长层上高温生长一层较厚的氮化镓，称为高温缓冲层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和高温缓冲层统称为未掺杂氮化镓层。
可选地，在N型半导体层上生长有源层之前，该制备方法还可以包括：
控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上生长厚度为50nm～500nm(优选为100nm)的应力释放层。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
具体地，应力释放层的材料可以采用镓铟铝氮(AlInGaN)，可以有效释放蓝宝石和氮化镓晶格失配产生的应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。
优选地，铝组分的摩尔含量可以小于0.2，铟组分的摩尔含量可以小于0.05，避免造成不良影响。
步骤102：对电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低电子阻挡层的电阻率。
在本实施例中，质子辐射是粒子辐射的一种，由一定能量的质子(即氢核)组成，通过离位损伤(将原子撞离其正常位置)产生空位、间隙原子等晶体缺陷，影响材料性能。对电子阻挡层的表面进行质子辐射，电子阻挡层的表面会形成一个具有特殊性质的表面层。
具体来说，质子辐射可以产生位移效应。位移效应是由于入射粒子与物质原子核发生碰撞，将一部分能量交给晶格原子，当这部分能量超过位移域能时，将导致晶格原子离开正常的晶格位置成为间隙原子，而在原来的晶格位置留下一个空位，形成所谓的弗伦克尔(英文：Frenkel)缺陷。对电子阻挡层的表面进行质子辐射，形成的Frenkel缺陷对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生并延伸到电子阻挡层的缺陷造成影响，电子阻挡层内的间隙原子和空位会聚合或重组，引起电子阻挡层内微观结构的变化，在不影响晶体性质的同时提高载流子的迁移率。
本发明实施例通过对电子阻挡层的表面进行质子辐射，改变电子阻挡层晶体的微观结构，影响电子阻挡层内缺陷的形态和数量，降低电子阻挡层的电阻率，可以提高电子阻挡层的载流子迁移率，有利于P型半导体层的空穴迁移到有源层中，提高有源层中的空穴数量，进而增加有源层中电子的空穴的辐射复合发光，最终改善LED的发光效率。同时由于电子阻挡层所采用的材料使得电子阻挡层的能级很高，可以有效阻挡电子跃迁到P型半导体层中，电子阻挡层的载流子迁移率的提高对此基本没有影响。而且电子阻挡层的电阻率降低，还可以降低外延片的串联电阻，最终降低LED的正向电压。
可选地，质子辐射的辐射剂量可以为1015ions/cm2～1018ions/cm2，如5*1016ions/cm2。
如果质子辐射的辐射剂量小于1015ions/cm2，则可能由于质子辐射的辐射剂量太少而无法有效降低电子阻挡层的电阻率，LED的发光效率和正向电压几乎没有变化；如果质子辐射的辐射剂量大于1018ions/cm2，则可能由于质子辐射的辐射剂量太多而引入新的缺陷到电子阻挡层中，影响外延片整体的晶体质量，降低LED的发光效率。
可选地，质子辐射的辐射能量可以为4.5MeV～6MeV，如5MeV。
如果质子辐射的辐射能量小于4.5MeV，则可能由于质子辐射的辐射能量太低而无法有效改变电子阻挡层内的缺陷，造成电子阻挡层的电阻率没有变化，最终造成LED的发光效率和正向电压没有变化；如果质子辐射的辐射能量大于6MeV，则可能由于质子辐射的辐射能量太高而对电子阻挡层的主体结构造成破坏，影响LED的发光效率。
其中，辐射剂量为质子辐射表面单位面积辐射的质子总数。辐射能量用于衡量由质子辐射导致的能量吸收剂量，描述单位质量物体吸收质子辐射的大小。
可选地，质子辐射时电子阻挡层所处环境的压力可以为10-4Torr～10-2Torr，如10-3Torr。
如果质子辐射时电子阻挡层所处环境的压力小于10-4Torr，则可能由于环境压力太低而造成质子运动太快，对电子阻挡层造成意外损伤，导致不良影响；如果质子辐射时电子阻挡层所处环境的压力大于10-2Torr，则可能由于环境压力太高而影响质子作用在电子阻挡层上。
可选地，质子辐射时电子阻挡层所处环境的温度可以为20℃～80℃，如50℃。
如果质子辐射时电子阻挡层所处环境的温度小于20℃，则可能由于环境温度太低而造成质子不活跃，影响质子辐射P型半导体层；如果质子辐射时电子阻挡层所处环境的温度高于80℃，则可能由于环境温度太高而造成质子过于活跃，导致不良影响。
可选地，该步骤102可以包括：
利用质子加速器提供的质子流轰击电子阻挡层的表面。
利用现有的设备执行步骤102，实现更为简单方便。
具体地，质子加速器可以采用KIRAMS公司生产的MC-50cyclotron。
优选地，质子束的电流强度可以为150nA～250nA，如200nA。
如果质子束的电流强度小于150nA，则可能由于质子束的电流强度太低而无法有效降低电子阻挡层的电阻率，LED的发光效率和正向电压几乎没有变化；如果质子束的电流强度大于250nA，则可能由于质子束的电流强度太高而引入新的缺陷到电子阻挡层中，影响外延片整体的晶体质量，降低LED的发光效率。
优选地，质子束的直径可以为2.5cm～5.5cm，如4cm。
如果质子束的直径小于2.5cm，则可能由于质子束的直径太小而导致质子束过于集中，进而对电子阻挡层的主体结构造成破坏，影响LED的发光效率；如果质子束的直径大于5.5cm，则可能由于质子束的直径太大而导致质子束过于分散，无法有效改变电子阻挡层内的缺陷，造成电子阻挡层的电阻率没有变化，最终造成LED的发光效率和正向电压没有变化。
优选地，轰击的时长可以为40min～80min，如60min。
如果轰击的时长小于40min，则可能由于辐射时间太短而无法有效改变电子阻挡层内的缺陷，造成电子阻挡层的电阻率没有变化，最终造成LED的发光效率和正向电压没有变化；如果轰击的时长大于80min，则可能由于辐射时间太长而对电子阻挡层的主体结构造成破坏，影响LED的发光效率。
步骤103：对电子阻挡层进行退火处理。该步骤103为可选步骤。
通过退火处理消除部分缺陷和杂质态。
可选地，退火处理的温度可以为700℃～800℃，实现效果较好。
可选地，退火处理的时间可以为15min～30min，实现效果较好。
步骤104：采用化学气相沉积技术在电子阻挡层上生长P型半导体层。
具体地，该步骤104可以包括：
控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在电子阻挡层上生长厚度为100nm～800nm(优选为450nm)的P型半导体层，P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3(优选为5*1018cm-3)。
具体地，P型半导体层的材料可以采用P型掺杂的氮化镓。
可选地，在步骤104之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长厚度为5nm～300nm(优选为150nm)的P型接触层。
具体地，P型接触层的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓，以实现与芯片工艺中的电极或者透明导电薄膜之间形成良好的欧姆接触。
可选地，在外延生长结束之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为650℃～850℃(优选为750℃)，持续时间为5分钟～15分钟(优选为10分钟)，在氮气气氛中进行退火处理。
需要说明的是，上述控制的温度和压力分别为反应腔中的温度和压力。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。
图1所示的制备方法的一种具体实现可以包括：
步骤201：控制温度为500℃，压力为500torr，在衬底上生长厚度为25nm的缓冲层。
步骤202：控制温度为1100℃，压力为500torr，持续时间为8分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤203：控制温度为1100℃，压力为300torr，在缓冲层上生长厚度为3μm的N型半导体层，N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤204：控制压力为300torr，在N型半导体层上生长有源层，有源层包括交替生长的10个量子阱和10个量子垒；量子阱的厚度为3nm，量子阱的生长温度为770℃；量子垒的厚度为15nm，量子垒的生长温度为900℃。
步骤205：控制温度为960℃，压力为350torr，在有源层上生长厚度为100nm的电子阻挡层。
步骤206：利用质子加速器提供的质子流轰击电子阻挡层的表面，对电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低电子阻挡层的电阻率，质子辐射的辐射剂量为5*1016ions/cm2，质子辐射的辐射能量为5MeV，质子辐射时电子阻挡层所处环境的压力为10-3Torr，温度为50℃，质子束的电流强度为200nA，质子束的直径为4cm，轰击的时长为60min。
步骤207：控制温度为960℃，压力为200torr，在电子阻挡层上生长厚度为450nm的P型半导体层，P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
将得到的外延片制成芯片，与没有进行质子辐射相比，芯片的正向电压降低了5％～10％，发光能效提高了5.2％～11％。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，图2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2，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、电子阻挡层50和P型半导体层60，缓冲层20、N型半导体层30、有源层40、电子阻挡层50和P型半导体层60依次层叠在衬底10上。
在本实施例中，电子阻挡层50层叠有P型半导体层60的表面为经过质子辐射处理的表面。
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(GaN)。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(InGaN)，量子垒的材料可以采用氮化镓。电子阻挡层50的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。P型半导体层60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为1018cm-3～1019cm-3(优选为5*1018cm-3)。量子阱的数量和量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～15个(优选为10个)；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)。电子阻挡层50的厚度可以为50nm～150nm(优选为100nm)。P型半导体层60的厚度可以为100nm～800nm(优选为450nm)，P型半导体层60中P型掺杂剂的掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3(优选为5*1018cm-3)。
可选地，如图2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，以缓解衬底和N型半导体层之间的晶格失配。
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2所示，该发光二极管外延片还可以包括应力释放层80，应力释放层80设置在N型半导体层30和有源层40之间，以释放蓝宝石和氮化镓晶格失配产生的应力。
具体地，应力释放层80的材料可以采用镓铟铝氮(AlInGaN)；其中，铝组分的摩尔含量可以小于0.2，铟组分的摩尔含量可以小于0.05；应力释放层80的厚度可以为50nm～500nm(优选为100nm)。
可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括P型接触层90，P型接触层90设置在P型半导体层60上，以实现与芯片工艺中的电极或者透明导电薄膜之间形成良好的欧姆接触。
具体地，P型接触层90的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓；P型接触层90的厚度可以为5nm～300nm(优选为150nm)。
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的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
采用化学气相沉积技术在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和电子阻挡层；
对所述电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低所述电子阻挡层的电阻率；
采用化学气相沉积技术在所述电子阻挡层上生长P型半导体层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，质子辐射的辐射剂量为1015ions/cm2～1018ions/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，质子辐射的辐射能量为4.5MeV～6MeV。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，质子辐射时所述电子阻挡层所处环境的压力为10-4Torr～10-2Torr。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，质子辐射时所述电子阻挡层所处环境的温度为20℃～80℃。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述对所述电子阻挡层的表面进行质子辐射，降低所述电子阻挡层的电阻率，包括：
利用质子加速器提供的质子流轰击所述电子阻挡层的表面。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述质子束的电流强度为150nA～250nA。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述质子束的直径为2.5cm～5.5cm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，轰击的时长为40min～80min。
10.一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、电子阻挡层和P型半导体层，所述缓冲层、所述N型半导体层、所述有源层、所述电子阻挡层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，其特征在于，所述电子阻挡层层叠有所述P型半导体层的表面为经过质子辐射处理的表面。
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