CN109427932B - 发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。所述方法包括：提供一蓝宝石衬底(1)，并在所述蓝宝石衬底(1)上依次生长GaN本征层(2)、GaN n型层(3)、发光层(4)和GaN p型层(5)，在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN n型层(3)之间生长应力调整层(6)，其中，所述应力调整层(6)的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间。这样能够减小蓝宝石与GaN之间的晶格失配，从而减小外延片在生长过程中以及生长完成后发生的翘曲，提高外延片产品的性能。
Description
技术领域
本公开涉及半导体制造领域，具体地，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(light emitting diode，LED)是一种能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。氮化镓(GaN)基发光二极管作为固态光源一经出现，便以其高效率、长寿命、节能环保、体积小等优点被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明史上的又一次革命，已成为了国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。
其中，以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铟铝镓(AlGaInN)为主的III-V族氮化物材料的直接带宽为0.7～6.2eV，覆盖了从紫外光到红外光的光谱范围，是制造蓝光、绿光和白光发光器件的理想材料。
通常，GaN基发光二极管的外延片，可以采用蓝宝石作为衬底，在蓝宝石衬底上依次生成GaN本征层、GaN n型层、发光层和GaN p型层。
发明内容
本公开的目的是提供一种高性能的发光二极管外延片及其制造方法。
由于GaN LED通常采用蓝宝石做为衬底，而蓝宝石与GaN之间存在较大的晶格失配，导致GaN外延层内部存在较大的应力，这些应力使得外延层在生长过程中以及生长完成后可能会发生翘曲。翘曲一方面大大影响了外延片的亮度、波长等性能，另一方面也会导致LED芯片制造过程中出现破裂的情况。并且外延片的尺寸越大，这种翘曲越严重。如何降低外延片的翘曲程度，改善波长和亮度良率，成为了外延层发展的关键。发明人想到，可以在蓝宝石衬底和GaN n型层之间生长一层晶格常数介于蓝宝石和GaN之间应力调整层，来减小蓝宝石与GaN之间的晶格失配。
为了实现上述目的，本公开提供一种发光二极管外延片的制造方法。所述方法包括：提供一蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上依次长GaN本征层、GaN n型层、发光层和GaNp型层，在所述蓝宝石衬底和所述GaN n型层之间生长应力调整层，其中，所述应力调整层的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间。
可选地，所述在所述蓝宝石衬底和所述GaN n型层之间生长应力调整层的步骤包括：在所述蓝宝石衬底和所述GaN本征层之间生长所述应力调整层。
可选地，所述方法还包括：在所述GaN本征层和所述GaN n型层之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层。
可选地，所述在所述蓝宝石衬底和所述GaN n型层之间生长应力调整层的步骤包括：在所述GaN本征层和所述GaN n型层之间生长所述应力调整层。
可选地，所述方法还包括：在所述GaN n型层和所述发光层之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层。
可选地，所述应力调整层为SiC或GaN/SiC超晶格。
本公开还提供一种发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底以及依次生长在所述蓝宝石衬底上的GaN本征层、GaN n型层、发光层、GaN p型层，所述外延片还包括生长在所述蓝宝石衬底和所述GaN n型层之间的应力调整层，其中，所述应力调整层的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间。
可选地，所述应力调整层生长在所述蓝宝石衬底和所述GaN本征层之间。
可选地，所述外延片还包括：AlGaN/GaN超晶格反射层，生长在所述GaN本征层和所述GaN n型层之间。
可选地，所述应力调整层生长在所述GaN本征层和所述GaN n型层之间。
可选地，所述外延片还包括：AlGaN/GaN超晶格反射层，生长在所述GaN n型层和所述发光层之间。
可选地，所述应力调整层为SiC或GaN/SiC超晶格。
通过上述技术方案，在蓝宝石衬底和GaN n型层之间生长了一层晶格常数介于蓝宝石和GaN之间的应力调整层。这样能够减小蓝宝石与GaN之间的晶格失配，从而减小外延片在生长过程中以及生长完成后发生的翘曲，提高外延片产品的性能。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是一示例性实施例提供的LED外延片的制造方法的流程图；
图2是一示例性实施例提供的LED外延片的示意图；
图3是另一示例性实施例提供的LED外延片的示意图；
图4是又一示例性实施例提供的LED外延片的示意图；
图5是又一示例性实施例提供的LED外延片的示意图；
图6是又一示例性实施例提供的LED外延片的示意图。
附图标记说明
1 蓝宝石衬底 2 GaN本征层 3 GaN n型层
4 发光层 5 GaN p型层 6 应力调整层
7 AlGaN/GaN超晶格反射层
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
图1是一示例性实施例提供的LED外延片的制造方法的流程图。如图1所示，所述方法可以包括下步骤。
在步骤S11中，提供一蓝宝石衬底。
在步骤S12中，在蓝宝石衬底上依次生长GaN本征层、GaN n型层、发光层和GaN p型层，其中，在蓝宝石衬底和GaN n型层之间生长应力调整层。应力调整层的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间。
应力调整层例如可以为SiC或GaN/SiC超晶格。
本公开还提供一种由上述方法制造的LED外延片，该外延片包括蓝宝石衬底以及依次生长在蓝宝石衬底上的GaN本征层、GaN n型层、发光层、GaN p型层。所述外延片还包括生长在蓝宝石衬底和GaN n型层之间的应力调整层。其中，应力调整层的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间。
通过上述技术方案，在蓝宝石衬底和GaN n型层之间生长了一层晶格常数介于蓝宝石和GaN之间的应力调整层。这样能够减小蓝宝石与GaN之间的晶格失配，从而减小外延片在生长过程中以及生长完成后发生的翘曲，提高外延片产品的性能。
在一实施例中，应力调整层可以生长在蓝宝石衬底和GaN本征层之间。图2是一示例性实施例提供的LED外延片的示意图。如图2所示，应力调整层6生长在蓝宝石衬底1和GaN本征层2之间。
在如图2所示的LED外延片的制造过程中，上述在蓝宝石衬底1和GaN n型层3之间生长应力调整层6的步骤可以包括：在蓝宝石衬底1和GaN本征层2之间生长应力调整层6。
具体地，在一实施例中，图2所示的LED外延片的制造过程如下：
1)采用湿法蚀刻或者干法蚀刻的方法对蓝宝石衬底1进行图形化，图形化衬底结构可以为周期性排列的尖锥状图形化衬底，尖锥状衬底的地面直径可以为2.0～2.7um，高度可以为1.5～1.7um，间距可以为0.3～1.0um。
其中，图形化衬底结构可以为周期性排列的尖锥状结构，或者为表面突起的台阶状结构、柱状结构等。
可选地，在蓝宝石衬底1上可以利用金属有机化合物气相沉积的方法外延生长GaN成核层(未示出)。GaN成核层可以采用低温生长的方式，生长温度为500～700℃，厚度为10～100nm。成核层通常为多晶结构，在升温过程中裂变为一个个独立的岛状形态，为后续外延层的生长提供成核中心，降低蓝宝石衬底1与外延层之间的晶格失配。
2)在蓝宝石衬底1(或GaN成核层)上高温生长SiC应力调整层6，SiC应力调整层6的生长过程中通过对温度、压强、生长速率的控制，来实现对后续外延层翘曲程度的控制。在生长过程中，温度范围为900～1400℃，优选1200～1300℃，压强为100～800mbar，优选200～600mbar。由于GaN与SiC之间也存在晶格失配，这导致晶体内部存在应力，应力的大小与各自的厚度和生长状态有关，且后续发光层生长时外延片的凹凸状态受应力大小的影响，可以通过控制SiC的厚度和生长过程来调整后续发光层生长时外延层的平整状态，使外延层均匀地生长。
3)在SiC应力调整层6上生长高温GaN本征层2。GaN本征层2的生长过程中通过对温度、压强、III-V族化合物比例等工艺参数的控制实现GaN的三维和二维生长，使外延表面平整，缺陷较少。在生长过程中温度为1000～1300℃，优选1000～1100℃，压强为100～400mbar，优选200～300mbar，III-V族化合物比例为600～1500，优选900～1200。GaN本征层2的作用在于为后续GaN n型层和发光层提供一个稳定、平整、晶体质量好的生长基础。
4)在GaN本征层2上生长Si掺杂GaN n型层3。Si掺杂浓度为5×1018～2×1019/cm3，厚度为1000～4000nm。
5)在GaN n型层3上生长多量子阱发光层4。多量子阱的结构为InxGa1-xN/GaN(0＜x＜1)，势阱层厚度为2～4nm，势垒层厚度为8～15nm，量子阱的周期为1～15，多量子结构的生长温度为700～850℃。
可选地，在发光层4上可以生长AlGaN电子阻挡层(未示出)。
6)在发光层4(或AlGaN电子阻挡层)上生长Mg掺杂GaN p型层5。
制成外延片后，还可以按照以下步骤由该外延片制造LED芯片：
在GaN p型层5上生长p型InGaN接触层；
对p型InGaN接触层进行活化，活化的方式为在温度为600～800℃的真空或N2氛围下进行快速热退火，或者采用离子束进行轰击；
在外延层表面采用蒸镀的方式制备透明导电层。透明导电层的厚度为1～1000nm，优选80～300nm，透明导电层可以为ITO，也可以为CTO、ZnO/Al、Ni/Au、Ni/Pd/Au、Pt/Au等合金中的任意一种；
采用感应耦合等离子机体(inductively coupled plasma，ICP)蚀刻的方法将部分区域蚀刻到GaN n型层3，并在GaN n型层3蚀刻出台阶状结构，台阶面高度为500～2000nm；
在透明导电层上采用蒸镀的方法生长制备金属p电极，金属p电极可以为Ti/Au合金，也可以为Ni、Au、Al、Ti、Pd、Pt、Sn、Cr中的任意两种或多种的合金，金属p电极的厚度为0.2～1μm；
采用蒸镀的方法在蚀刻出的GaN n型层3的台阶表面和侧壁上制备金属n电极，金属n电极可以为Ti/Al合金，也可以为Ti、Al、Au、Pt、Sn中的两种或多种的合金，金属n电极的厚度为0.2～1μm。
至此就可以制造出LED芯片。
在相关技术中，由于蓝宝石与GaN之间存在较大的晶格失配，所以导致外延层中存在大量的缺陷，这些缺陷一直延伸到发光层，往往成为非辐射复合中心，从而影响发光效率。在图2的实施例中，应力调整层6生长在蓝宝石衬底1和GaN本征层2之间，不仅能够减小GaN外延层的翘曲，而且能够降低GaN外延层的缺陷密度。
可选的，本公开提供的外延片还可以包括AlGaN/GaN超晶格反射层。图3是另一示例性实施例提供的LED外延片的示意图。如图3所示，在图2的基础上，AlGaN/GaN超晶格反射层7生长在GaN本征层2和GaN n型层3之间。
在如图3所示的LED外延片的制造过程中，在图1的基础上，LED外延片的制造方法还包括：在GaN本征层2和GaN n型层3之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层7。
具体地，图3的实施例可以为在图2的实施例基础上作一些改动。在上述步骤3)之后，可以增加步骤3′)：在GaN本征层2上生长AlGaN/GaN超晶格反射层7，周期数为30～50，周期厚度为2～5nm，AlGaN的Al含量为10～30％。
然后，步骤4)更改为：在AlGaN/GaN超晶格反射层7上生长Si掺杂GaN n型层3。
在图3的实施例中，增加了AlGaN/GaN超晶格反射层7，使得发光层4向下发射的光经由AlGaN/GaN超晶格反射层7向上反射，减少了光损失。
图4是又一示例性实施例提供的LED外延片的示意图。如图4所示，在图2的基础上，AlGaN/GaN超晶格反射层7生长在GaN n型层3和发光层4之间。
在如图4所示的LED外延片的制造过程中，在图1的基础上，LED外延片的制造方法还包括：在GaN n型层3和发光层4之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层7。
具体地，图4的实施例可以为在图2的实施例基础上作一些改动。在上述步骤4)之后，可以增加步骤4′)：在GaN n型层3上生长AlGaN/GaN超晶格反射层7，周期数为30～50，周期厚度为2～5nm，AlGaN的Al含量为10～30％。
然后，步骤5)更改为：在AlGaN/GaN超晶格反射层7上生长多量子阱发光层4。
与图3的实施例相比，AlGaN/GaN超晶格反射层7调整了位置，但同样能够起到减少外延片光损失的作用。
在又一实施例中，应力调整层6可以生长在GaN本征层2和GaN n型层3之间。图5是又一示例性实施例提供的LED外延片的示意图。如图5所示，应力调整层6生长在GaN本征层2和GaN n型层3之间。
在如图5所示的LED外延片的制造过程中，上述在蓝宝石衬底1和GaN n型层3之间生长应力调整层6的步骤可以包括：在GaN本征层2和GaN n型层3之间生长应力调整层6。
具体地，在一实施例中，图5所示的LED外延片的制造过程如下：
a)采用湿法蚀刻或者干法蚀刻的方法对蓝宝石衬底1进行图形化，图形化衬底结构可以为周期性排列的尖锥状图形化衬底，尖锥状衬底的地面直径可以为2.0～2.7um，高度可以为1.5～1.7um，间距可以为0.3～1.0um。
其中，图形化衬底结构可以为周期性排列的尖锥状结构，或者为表面突起的台阶状结构、柱状结构等。
可选地，在蓝宝石衬底1上可以利用金属有机化合物气相沉积的方法外延生长GaN成核层(未示出)。
b)在蓝宝石衬底1(或GaN成核层)上生长高温GaN本征层2。GaN本征层2的生长过程中通过对温度、压强、III-V族化合物比例等工艺参数的控制实现GaN的三维和二维生长，使外延表面平整，缺陷较少。在生长过程中温度为1000～1300℃，优选1000～1100℃，压强为100～400mbar，优选200～300mbar，III-V族化合物比例为600～1500，优选900～1200。
c)在GaN本征层2上生长SiC应力调整层6，SiC应力调整层6的生长过程中通过对温度、压强、生长速率的控制，来实现对后续外延层翘曲程度的控制。在生长过程中，温度范围为900～1400℃，优选1200～1300℃，压强为100～800mbar，优选200～600mbar。
d)在SiC应力调整层6上生长Si掺杂GaN n型层3。Si掺杂浓度为5×1018～2×1019/cm3，厚度为1000～4000nm。
e)在GaN n型层3上生长多量子阱发光层4。多量子阱的结构为InxGa1-xN/GaN(0＜x＜1)，势阱层厚度为2～4nm，势垒层厚度为8～15nm，量子阱的周期为1～15，多量子结构的生长温度为700～850℃。
可选地，在发光层4上可以生长AlGaN电子阻挡层(未示出)。
f)在发光层4(或AlGaN电子阻挡层)上生长Mg掺杂GaN p型层5。
在图5的实施例中，与上述图2-图4的实施例相比，应力调整层6调整了位置，但同样能够起到减少外延片翘曲的作用。GaN本征层2中的uGaN可以为SiC的生长提供一个比较好的基础。在uGaN上生长的SiC层为单晶结构。由于GaN与SiC之间也存在晶格失配，这导致晶体内部存在应力，应力的大小与各自的厚度和生长状态有关，且后续发光层生长时外延片的凹凸状态受应力大小的影响。可以通过控制SiC的厚度和生长过程来调整后续发光层生长时外延层的平整状态，使外延层均匀地生长。
相似地，在图5的基础上，外延片也可以增加AlGaN/GaN超晶格反射层7。图6是又一示例性实施例提供的LED外延片的示意图。如图6所示，在图5的基础上，AlGaN/GaN超晶格反射层7生长在GaN n型层3和发光层4之间。
在如图6所示的LED外延片的制造过程中，在图5的基础上，LED外延片的制造方法还包括：在GaN n型层3和发光层4之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层7。
具体地，图6的实施例可以为在图5的实施例基础上作一些改动。在上述步骤d)之后，可以增加步骤d′)：在GaN n型层3上生长AlGaN/GaN超晶格反射层7，周期数为30～50，周期厚度为2～5nm，AlGaN的Al含量为10～30％。
然后，步骤e)更改为：在AlGaN/GaN超晶格反射层7上生长多量子阱发光层4。
与图5的实施例相比，在图6的实施例中，外延层增加了AlGaN/GaN超晶格反射层7，使得发光层4向下发射的光经由AlGaN/GaN超晶格反射层7向上反射，减少了光损失。
以上实施例中的应力调整层6是以SiC为例进行描述的。应力调整层6还可以采用GaN/SiC超晶格，同样能够起到调节后续发光层生长应力的作用，较好地缓解GaN与SiC之间的应力，避免因生长SiC厚膜而导致的裂片等现象。
其中，GaN/SiC超晶格的周期数可以为30～50，周期厚度为2～5nm。在GaN/SiC超晶格的应力调整层6的生长过程中，可以通过对温度、压强、生长速率的控制，来实现对后续外延层翘曲程度的控制，在生长过程中，温度为900～1400℃，优选1200～1300℃，压强为100～800mbar，优选200～600mbar。
可以理解的是，以上实施例虽然是以图形化衬底为例进行描述的，但是本公开不限于在图形化衬底上制备的GaN基LED，还包括采用横向外延过生长(Epitaxial LateralOvergrow，ELOG)技术以及悬臂外延生长(Pendeo Epiatxy，PE)技术制备的GaN基LED。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (6)
1.一种发光二极管外延片的制造方法，所述方法包括：提供一蓝宝石衬底(1)，并在所述蓝宝石衬底(1)上依次生长GaN本征层(2)、GaN n型层(3)、发光层(4)和GaNp型层(5)，其特征在于：
在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN n型层(3)之间生长应力调整层(6)，其中，所述应力调整层(6)的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间，所述应力调整层(6)为GaN/SiC超晶格，所述应力调整层(6)的周期数为30～50，周期厚度为2～5nm，在所述应力调整层(6)的生长过程中，温度范围为1200～1300℃，压强为200～600mbar，
在所述GaN n型层(3)和所述发光层(4)之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层(7)，或者，在所述GaN本征层(2)和所述GaN n型层(3)之间生长AlGaN/GaN超晶格反射层(7)，所述AlGaN/GaN超晶格反射层(7)的周期厚度为2～5nm，AlGaN的Al含量为10～30％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN n型层(3)之间生长应力调整层(6)的步骤包括：
在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN本征层(2)之间生长所述应力调整层(6)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN n型层(3)之间生长应力调整层(6)的步骤包括：
在所述GaN本征层(2)和所述GaN n型层(3)之间生长所述应力调整层(6)。
4.一种发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底(1)以及依次生长在所述蓝宝石衬底(1)上的GaN本征层(2)、GaN n型层(3)、发光层(4)、GaNp型层(5)，其特征在于，所述外延片还包括生长在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN n型层(3)之间的应力调整层(6)，其中，所述应力调整层(6)的晶格常数介于蓝宝石和GaN之间，所述应力调整层(6)为GaN/SiC超晶格，所述应力调整层(6)的周期数为30～50，周期厚度为2～5nm，在所述应力调整层(6)的生长过程中，温度范围为1200～1300℃，压强为200～600mbar，
所述外延片还包括：
AlGaN/GaN超晶格反射层(7)，生长在所述GaN n型层(3)和所述发光层(4)之间，或者，生长在所述GaN本征层(2)和所述GaN n型层(3)之间，所述AlGaN/GaN超晶格反射层(7)的周期厚度为2～5nm，AlGaN的Al含量为10～30％。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述应力调整层(6)生长在所述蓝宝石衬底(1)和所述GaN本征层(2)之间。
6.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述应力调整层(6)生长在所述GaN本征层(2)和所述GaN n型层(3)之间。
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