CN109524521B - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述发光二极管外延片还包括设置在所述P型GaN层上的AlN层。AlN材料的禁带宽度比GaN材料大，在P型GaN层上表面生长一层AlN之后，为对齐两种材料的费米能级，P型GaN层上表面的能带会受到调控，P型GaN层上表面的弯曲方向由向上变为向下，则此处原本的空穴“势能谷”消失，空穴将不再被限制于表面，从而促进了空穴往多量子阱的方向运动，提高了空穴的注入效率，从而提高了LED的发光效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制造方法
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造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的低温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层。其中N型层为掺Si的GaN层，可以提供电子，P型层为掺 Mg的GaN层，可以提供空穴。当电流注入GaN基LED外延片中时，N型层提供的电子和P型层提供的空穴在电流的驱动下，向多量子阱层迁移，并在多量子阱层中辐射复合发光。
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：
由于GaN材料内部存在自发极化，因此在GaN上表面会出现感应负电荷，这些感应负电荷将导致GaN表面能带向上弯曲，在LED外延片中，P型GaN 层上表面向上弯曲的价带对空穴而言即为一个“势能谷”，部分空穴将被限制在这个“势能谷”中，难以注入多量子阱发光区，使得空穴注入效率降低，从而到导致LED的发光效率降低。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法，可以提高空穴的注入效率，从而提高LED的发光效率。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、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、未掺杂的GaN层、 N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括设置在所述P型GaN层上的AlN层。
进一步地，所述AlN层的厚度为0.6～1.8nm。
进一步地，所述AlN层的厚度为1.2nm。
另一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
在所述P型GaN层上生长AlN层。
进一步地，所述AlN层的厚度为0.6～1.8nm。
进一步地，所述AlN层的厚度为1.2nm。
进一步地，所述AlN层的生长温度为800～900℃。
进一步地，所述AlN层的生长压力为50～100torr。
进一步地，所述AlN层的生长压力为75torr。
进一步地，在生长完所述P型GaN层之后，所述制造方法还包括：
将所述衬底温度降低至850℃，在纯氮气氛围中对所述P型GaN层进行原位退火处理，退火时间为10min。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在P型GaN层上生长AlN层，AlN材料的禁带宽度比GaN材料大，在P型GaN层上表面生长一层AlN之后，为对齐两种材料的费米能级，P型 GaN层上表面的能带会受到调控，P型GaN层上表面的弯曲方向由向上变为向下，则原本的“势能谷”消失，空穴将不再被限制于表面，从而促进了空穴往多量子阱的方向运动，提高了空穴的注入效率，从而提高了LED的发光效率。且该AlN层能够降低P型GaN层上表面的悬挂键密度，减少空穴的表面的复合损失，同时还可以降低P型GaN层的表面缺陷密度，减少表面缺陷带来的漏电通道及非辐射复合中心，从而进一步提高LED的辐射发光效率。
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发光二极管外延片的制造方法的方法流程图。
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，如图1所示，发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。
该发光二极管外延片还包括设置在P型GaN层7上的AlN层8。
本发明实施例通过在P型GaN层上生长AlN层，AlN材料的禁带宽度比 GaN材料大，在P型GaN层上表面生长一层AlN之后，为对齐两种材料的费米能级，P型GaN层上表面的能带会受到调控，P型GaN层上表面的弯曲方向由向上变为向下，则原本的“势能谷”消失，空穴将不再被限制于表面，从而促进了空穴往多量子阱的方向运动，提高了空穴的注入效率，从而提高了LED的发光效率。且该AlN层能够降低P型GaN层上表面的悬挂键密度，减少空穴的表面的复合损失，同时还可以降低P型GaN层的表面缺陷密度，减少表面缺陷带来的漏电通道及非辐射复合中心，从而进一步提高LED的辐射发光效率。
进一步地，该AlN层8的厚度为0.6～1.8nm。由于AlN材料的晶格常数约为0.3nm，若AlN层8的厚度小于0.6nm，可能导致生长出的AlN层的结构不够致密，能带调控及降低缺陷密度的效果差。若AlN层8的厚度大于1.8nm，则会导致AlN层8的厚度太厚，外加电流难以流入P型GaN层7，电光转换效率下降。
优选地，AlN层8的厚度为1.2nm。此时，AlN层8既能够形成致密的结构，起到降低P型GaN层7上表面的悬挂键密度和表面缺陷密度作用，又不会影响外加电流的流入。P型GaN层7上表面原本向上弯曲的能带被调控为向下弯曲，空穴将不再被限制于表面，从而促进了空穴往多量子阱的方向运动，提高了空穴的注入效率，从而提高了LED的发光效率。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以为GaN层，厚度为15nm～35nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为2um～3um。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为2um～3um。
可选地，多量子阱层5为多个周期交替生长的InGaN量子阱层51和GaN 量子垒层52。多量子阱层5的总厚度可以为130nm～170nm。
可选地，电子阻挡层6可以为掺Mg的AlGaN层，厚度为80nm。
可选地，P型GaN层7的厚度为0.2um。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，用于制造实施例一提供的发光二极管外延片，图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一衬底。
在本实施例中，衬底为蓝宝石，可以将衬底放在石墨托盘上送入反应腔中进行外延材料的生长。
步骤201还包括：
控制反应室温度为1050℃，压力为200～500Torr，在纯氢气氛围对蓝宝石衬底进行退火处理5～6min，然后将蓝宝石衬底进行氮化处理。
本发明运用Veeco EPIK700MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn) 作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁 (CP2Mg)作为P型掺杂剂，衬底为(0001)面蓝宝石，反应室压力在50torr到600torr之间。
步骤202、在衬底上生长低温缓冲层。
具体地，将反应室温度控制在540℃，压力控制在400torr～600torr，生长厚度为25nm的低温GaN缓冲层。
可选地，在执行完步骤202后，该制造方法还可以包括：
停止通入TMGa，将反应室温度升高至1040℃，对低温缓冲层在原位进行退火处理，退火时间为8min。
步骤203、在低温缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在1040℃，压力控制在300～500torr，生长厚度为2～3μm的未掺杂的GaN层。
步骤204、在未掺杂的GaN层上生长N型层。
具体地，保持生长温度不变，压力控制在100～300torr，生长厚度为2um～3um 的N型GaN层。
步骤205、在N型层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层为多周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括InGaN量子阱层和生长在InGaN量子阱层上的GaN量子垒层，多量子阱层的总厚度为130～170nm。
具体地，步骤205可以包括：
将反应室温度控制在780-800℃，压力控制在100～300Torr，生长厚度为 2.5～3.5nm的InGaN量子阱层。
将反应室温度控制在860-880℃，压力控制在100～300Torr，生长厚度为12～14nm的GaN量子垒层。
步骤206、在多量子阱层上生长电子阻挡层。
具体地，将反应室温度控制在950℃，压力控制在100～200Torr，生长厚度为80nm的掺Mg的AlGaN电子阻挡层。电子阻挡层中Mg的掺杂浓度为5×1019 cm-3。
步骤207、在电子阻挡层上生长P型GaN层。
具体地，将反应室温度控制在950℃，压力控制在400～600Torr，生长厚度为0.2um的掺Mg的P型GaN层。P型GaN层中Mg的掺杂浓度为5×1020cm-3。
具体地，在执行完生步骤207后，该制造方法还包括：
将衬底温度降低至850℃，在纯氮气氛围中对P型GaN层进行原位退火处理，退火时间为10min。
步骤208、在P型GaN层上生长AlN层。
具体地，将反应室温度控制在800～900℃，压力控制在50～100torr，生长厚度为0.6～1.8nm的AlN层。
在本实施例中，生长厚度为1.2nm的AlN层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至800℃，在氮气气氛进行退火处理5min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
将本发明实施例提供的LED外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗10*30mil的LED芯片。
经过测试后发现，现有技术制成的10*30mil的LED芯片，在120mA驱动电流下的光强为190mW，采用本发明实施例提供LED芯片，在120mA驱动电流下的光强为192mW，发光效率约提升了1％。
本发明实施例通过在P型GaN层上生长AlN层，AlN材料的禁带宽度比 GaN材料大，在P型GaN层上表面生长一层AlN之后，为对齐两种材料的费米能级，P型GaN层上表面的能带会受到调控，P型GaN层上表面的弯曲方向由向上变为向下，则原本的“势能谷”消失，空穴将不再被限制于表面，从而促进了空穴往多量子阱的方向运动，提高了空穴的注入效率，从而提高了LED的发光效率。且该AlN层能够降低P型GaN层上表面的悬挂键密度，减少空穴的表面的复合损失，同时还可以降低P型GaN层的表面缺陷密度，减少表面缺陷带来的漏电通道及非辐射复合中心，从而进一步提高LED的辐射发光效率。
以上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 (8)

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、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括设置在所述P型GaN层上的AlN层，所述AlN层覆盖所述P型GaN层的上表面，所述AlN层的厚度为0.6～1.8nm。
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AlN层的厚度为1.2nm。
3.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
在所述P型GaN层上生长AlN层，所述AlN层覆盖所述P型GaN层的上表面，所述AlN层的厚度为0.6～1.8nm。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为1.2nm。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述AlN层的生长温度为800～900℃。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述AlN层的生长压力为50～100torr。
7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述AlN层的生长压力为75torr。
8.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，在生长完所述P型GaN层之后，所述制造方法还包括：
将所述衬底温度降低至850℃，在纯氮气氛围中对所述P型GaN层进行原位退火处理，退火时间为10min。
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Commission number: 4W112464

Conclusion of examination: Declare partial invalidity of invention patent right No. 201811133968.6, and maintain the validity of this patent right on the basis of claims 1-8 submitted by the patentee on August 20, 2021

Decision date of declaring invalidation: 20220211

Decision number of declaring invalidation: 54093

Denomination of invention: A light-emitting diode epitaxial wafer and its manufacturing method

Granted publication date: 20200414

Patentee: HC SEMITEK (ZHEJIANG) Co.,Ltd.

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