CN109473522B - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、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所述衬底上；有源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；量子垒中***有至少一个氢化硼层。本发明通过在量子垒中***至少一个氢化硼层，由于氢化硼层的导热性能较好，因此可以将有源层中电子和空穴复合发光产生的热量及时传导出去，避免有源层的结温升高，从而有利于提高电子和空穴的复合发光效率，进而提高LED的发光效率，特别适用于大电流密度下的LED。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基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。氮化镓(GaN)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，使氮化镓(GaN)基LED受到越来越多的关注和研究。
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。衬底用于为外延材料提供生长表面，缓冲层用于为外延材料的生长提供成核中心，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光。
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：
电子和空穴复合发光的过程中会产生热量，导致有源层的结温升高。而结温的升高会降低电子和空穴的复合发光效率，影响LED的发光效率。
发明内容
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法，能够解决现有技术结温升高降低电子和空穴的复合发光效率，进而影响LED发光效率的问题。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述缓冲层、所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述有源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；所述量子垒中***有至少一个氢化硼层。
可选地，所述氢化硼层的厚度为0.5nm～2nm。
优选地，所述量子垒的厚度为所述氢化硼层的厚度的10倍～20倍。
可选地，所述氢化硼层的数量为1个～5个。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基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；
在所述衬底上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成N型半导体层；
在所述N型半导体层上形成有源层，所述有源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，所述量子垒中***有至少一个氢化硼层；
在所述有源层上形成P型半导体层。
可选地，所述氢化硼层采用如下方式形成：
提供一溶解有氢化硼的有机溶液；
利用甩胶机将溶解有氢化硼的有机溶液均匀铺设在所述量子垒上；
对溶解有氢化硼的有机溶液进行加热，溶解有氢化硼的有机溶液变成氢化硼层。
优选地，所述提供一溶解有氢化硼的有机溶液，包括：
提供一放置有离子交换树脂的有机溶液；
将MgB2粉末加入所述有机溶液，所述MgB2粉末与所述离子交换树脂反应，生成溶解在所述有机溶液中的氢化硼和沉淀在所述有机溶液中的含镁化合物；
滤除所述有机溶液中的含镁化合物，得到溶解有氢化硼的有机溶液。
更优选地，所述制备方法还包括：
在所述将MgB2粉末加入所述有机溶液之后，持续搅拌所述有机溶液。
优选地，所述制备方法还包括：
在所述利用甩胶机将溶解有氢化硼的有机溶液均匀铺设在所述量子垒上之前，对溶解有氢化硼的有机溶液进行超声处理。
优选地，所述制备方法还包括：
在所述溶解有氢化硼的有机溶液变成氢化硼层之后，对所述氢化硼层进行退火处理。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在量子垒中***至少一个氢化硼层，由于氢化硼层的导热性能较好，因此可以将有源层中电子和空穴复合发光产生的热量及时传导出去，避免有源层的结温升高，从而有利于提高电子和空穴的复合发光效率，进而提高LED的发光效率，特别适用于大电流密度下的LED。
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氮化镓基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有源层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种氮化镓基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氮化镓基发光二极管外延片。图1为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图。参见图1，该氮化镓基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和P型半导体层50，缓冲层20、N型半导体层30、有源层40和P型半导体层50依次层叠在衬底10上。
图2为本发明实施例提供的有源层的结构示意图。参见图2，有源层40包括多个量子阱41和多个量子垒42，多个量子阱41和多个量子垒42交替层叠设置。量子垒42中***有至少一个氢化硼层43。
需要说明的是，氢化硼是指硼单质氢化后形成的物质，如B4H4或者B1H1。由于硼单质不稳定，但硼单质氢化后形成的物质比较稳定，而且性质与硼单质类似，因此本实施例采用氢化硼实现。
本发明实施例通过在量子垒中***至少一个氢化硼层，由于氢化硼层的导热性能较好，因此可以将有源层中电子和空穴复合发光产生的热量及时传导出去，避免有源层的结温升高，从而有利于提高电子和空穴的复合发光效率，进而提高LED的发光效率，特别适用于大电流密度下的LED。而且氢化硼层的导电性能也较好，不会影响有源层中电子和空穴的迁移。
可选地，氢化硼层43的厚度可以为0.5nm～2nm，以将有源层中电子和空穴复合发光产生的热量及时传导出去，避免有源层的结温升高。
优选地，量子垒42的厚度可以为氢化硼层43的厚度的10倍～20倍，此时有源层中电子和空穴复合发光产生的热量可以及时传导出去。
更优选地，量子垒42的厚度可以为9nm～20nm，实现效果好。
可选地，氢化硼层43的数量可以为1个～5个，可以及时传导电子和空穴复合发光产生的热量，同时不会影响到氮化镓的晶格延伸，整体的晶体质量较好。
具体地，衬底10的材料可以采用蓝宝石，优选为图形化蓝宝石衬底(英文：Patterned Sapphire Substrate，简称：PSS)。缓冲层20的材料可以采用未掺杂的氮化镓(GaN)或者氮化铝(AlN)。N型半导体层30的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓。P型半导体层50的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
进一步地，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1018/cm3～1019/cm3，优选为5*1018/cm3。量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，优选为3nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～15个，优选为10个。P型半导体层50的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm；P型半导体层50中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层60，未掺杂氮化镓层60设置在缓冲层20和N型半导体层30之间，以缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，为外延片主体结构提供晶体质量较好的生长表面。
进一步地，未掺杂氮化镓层60的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。
可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括应力释放层70，应力释放层70设置在N型半导体层30和有源层40之间，以对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力进行释放，提高有源层的晶体质量，有利于电子和空穴在有源层进行辐射复合发光，提高LED的内量子效率，进而提高LED的发光效率。
具体地，应力释放层70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，应力释放层70中铝组分的摩尔含量可以小于或等于0.2，应力释放层70中铟组分的摩尔含量可以小于或等于0.05，以避免造成不良影响。
进一步地，应力释放层70的厚度可以为50nm～500nm，优选为300nm。
可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层81，电子阻挡层81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型半导体层中与空穴进行非辐射复合，降低LED的发光效率。
具体地，电子阻挡层81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。
进一步地，电子阻挡层81的厚度可以为50nm～150nm，优选为100nm；电子阻挡层81中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
优选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括低温P型层82，低温P型层82设置在有源层40和电子阻挡层81之间，以避免电子阻挡层较高的生长温度造成有源层中的铟原子析出，影响发光二极管的发光效率。
具体地，低温P型层82的材料可以为P型掺杂的氮化镓。
进一步地，低温P型层82的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温P型层82中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括接触层90，接触层90设置在P型半导体层50上，以与芯片制作工艺中形成的电极或者透明导电薄膜之间形成欧姆接触。
具体地，接触层90的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓或者氮化镓。
进一步地，接触层90的厚度可以为5nm～100nm，优选为50nm；接触层90中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1021/cm3～1022/cm3，优选为5*1021/cm3。
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，适用于制备图1所示的氮化镓基发光二极管外延片。图3为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图。参见图3，该制备方法包括：
步骤201：提供一衬底。
具体地，该步骤201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8分钟退火处理；
对衬底进行氮化处理。
通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。
步骤202：在衬底上形成缓冲层。
在本实施例的一种实现方式中，当缓冲层的材料采用氮化铝时，该步骤201可以包括：
采用物理气相沉积(英文：Physical Vapor Deposition，简称：PVD)技术在衬底上形成缓冲层。
具体地，形成缓冲层时，PVD设备内的温度可以为500℃～700℃，PVD设备内的压力可以为2torr～10torr，PVD设备内通入的氩气的流量可以为20sccm～50sccm，PVD设备内通入的氮气的流量可以为150sccm～250sccm，PVD设备的功率可以为3000W～4000W。
在本实施例的另一种实现方式中，当缓冲层的材料采用氮化镓时，该步骤201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)，对缓冲层进行5分钟～10分钟(优选为8分钟)的原位退火处理。
步骤203：在缓冲层上形成N型半导体层。
具体地，该步骤203可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上形成N型半导体层。
可选地，在步骤203之前，该制备方法还可以包括：
在缓冲层上形成未掺杂氮化镓层。
相应地，N型半导体层形成在未掺杂氮化镓层上。
具体地，在缓冲层上形成未掺杂氮化镓层，可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上形成未掺杂氮化镓层。
步骤204：在N型半导体层上形成有源层。
在本实施例中，有源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，量子垒中***有至少一个氢化硼层。
可选地，氢化硼层可以采用如下方式形成：
提供一溶解有氢化硼的有机溶液；
利用甩胶机将溶解有氢化硼的有机溶液均匀铺设在量子垒上；
对溶解有氢化硼的有机溶液进行加热，溶解有氢化硼的有机溶液变成氢化硼层。
通过甩胶的方式将氢化硼层均匀铺设在量子垒上。
优选地，有机溶液可以为甲醇溶液或者乙腈溶液，实现效果好。
优选地，加热的温度可以为50℃～100℃，实现效果好。
进一步地，加热可以在纯氩气气氛下进行，以避免杂质掺入。
优选地，提供一溶解有氢化硼的有机溶液，可以包括：
提供一放置有离子交换树脂的有机溶液；
将MgB2粉末加入有机溶液，MgB2粉末与离子交换树脂反应，生成溶解在有机溶液中的氢化硼和沉淀在有机溶液中的含镁化合物；
滤除有机溶液中的含镁化合物，得到溶解有氢化硼的有机溶液。
利用离子交换的方式形成氢化硼溶液，实现方式简单方便。
更优选地，该制备方法还可以包括：
在将MgB2粉末加入有机溶液之后，持续搅拌有机溶液，以使MgB2粉末与离子交换树脂充分反应。
进一步地，搅拌的时长可以为2天～5天，以确保MgB2粉末与离子交换树脂充分反应。
进一步地，搅拌可以在室温(如25℃)下进行，降低实现成本。
更进一步地，搅拌可以在纯氩气气氛下进行，以避免杂质掺入。
优选地，该制备方法还可以包括：
在利用甩胶机将溶解有氢化硼的有机溶液均匀铺设在石墨烯粉末和石墨烯粉末之间的缓冲层上之前，对溶解有氢化硼的有机溶液进行超声处理，以使氢化硼均匀分布在有机溶液中。
进一步地，超声处理的时长可以为5min～20min，实现效果好。
可选地，该制备方法还可以包括：
在溶解有氢化硼的有机溶液变成氢化硼层之后，对氢化硼层进行退火处理，以提高氢化硼层的质量。
进一步地，退火处理的温度可以为200℃～500℃，实现效果好。
更进一步地，退火处理可以在惰性气体(如氩气)中进行，以避免杂质掺入。
进一步地，退火处理的时长可以为20min～40min，实现效果好。
具体地，量子阱的生长温度可以为720℃～829℃(优选为760℃)，压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度可以为850℃～959℃(优选为900℃)，压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)。
可选地，在步骤204之前，该制备方法还可以包括：
在N型半导体层上形成应力释放层。
相应地，有源层形成在应力释放层上。
具体地，在N型半导体层上形成应力释放层，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型半导体层上形成应力释放层。
步骤205：在有源层上形成P型半导体层。
具体地，该步骤205可以包括：
控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在有源层上形成P型半导体层。
可选地，在步骤205之前，该制备方法还可以包括：
在有源层上形成电子阻挡层。
相应地，P型半导体层形成在电子阻挡层上。
具体地，在有源层上形成电子阻挡层，可以包括：
控制温度为850℃～1000℃(优选为900℃)，压力为100torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上形成电子阻挡层。
优选地，在有源层上形成电子阻挡层之前，该制备方法还可以包括：
在有源层上形成低温P型层。
相应地，电子阻挡层形成在低温P型层上。
具体地，在有源层上形成低温P型层，可以包括：
控制温度为600℃～850℃(优选为750℃)，压力为100torr～600torr(优选为300torr)，在有源层上形成低温P型层。
可选地，在步骤205之后，该制备方法还可以包括：
在P型半导体层上形成接触层。
具体地，在P型半导体层上形成接触层，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型半导体层上形成接触层。
需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。
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，具体为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备的反应腔。实现时以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氨气作为氮源，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)
1.一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述缓冲层、所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述有源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，所述量子垒中***有至少一个氢化硼层，所述氢化硼层为B4H4或者B1H1层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述氢化硼层的厚度为0.5nm～2nm。
3.根据权利要求2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述量子垒的厚度为所述氢化硼层的厚度的10倍～20倍。
4.根据权利要求1～3任一项所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述氢化硼层的数量为1个～5个。
5.一种氮化镓基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；
在所述衬底上形成缓冲层；
在所述缓冲层上形成N型半导体层；
在所述N型半导体层上形成有源层，所述有源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，所述量子垒中***有至少一个氢化硼层，所述氢化硼层为B4H4或者B1H1层；
在所述有源层上形成P型半导体层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述氢化硼层采用如下方式形成：
提供一溶解有氢化硼的有机溶液；
利用甩胶机将溶解有氢化硼的有机溶液均匀铺设在所述量子垒上；
对溶解有氢化硼的有机溶液进行加热，溶解有氢化硼的有机溶液变成氢化硼层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述提供一溶解有氢化硼的有机溶液，包括：
提供一放置有离子交换树脂的有机溶液；
将MgB2粉末加入所述有机溶液，所述MgB2粉末与所述离子交换树脂反应，生成溶解在所述有机溶液中的氢化硼和沉淀在所述有机溶液中的含镁化合物；
滤除所述有机溶液中的含镁化合物，得到溶解有氢化硼的有机溶液。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述将MgB2粉末加入所述有机溶液之后，持续搅拌所述有机溶液。
9.根据权利要求6～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述利用甩胶机将溶解有氢化硼的有机溶液均匀铺设在所述量子垒上之前，对溶解有氢化硼的有机溶液进行超声处理。
10.根据权利要求6～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述溶解有氢化硼的有机溶液变成氢化硼层之后，对所述氢化硼层进行退火处理。
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