CN109860357A - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其生长方法 - 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生长方法,属于半导体技术领域。所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、应力释放层、有源层和P型半导体层,所述N型半导体层、所述应力释放层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上,所述氮化镓基发光二极管外延片还包括电子调整层,所述电子调整层设置在所述应力释放层和所述有源层之间;所述电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。本发明通过可以提高有源层中电子和空穴的复合发光效率。

Description

一种氮化镓基发光二极管外延片及其生长方法
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生长方法。
背景技术
发光二极管(英文:Light Emitting Diode,简称:LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料被誉为第三代半导体材料,具有优良的光电性能。Ⅲ-Ⅴ族半导体材料中的氮化镓(GaN)基材料制成的LED,可以通过控制材料的组成来发出各种色光,是行业内研究的重点。
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、N型半导体层、有源层和P型半导体层,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。
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。有源层多余的电子容易跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合,导致注入有源层中的空穴数量更少,降低了有源层中电子和空穴的复合发光效率。
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生长方法,能够解决现有技术电子溢流降低复合发光效率的问题。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、N型半导体层、应力释放层、有源层和P型半导体层,所述N型半导体层、所述应力释放层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上,所述氮化镓基发光二极管外延片还包括电子调整层,所述电子调整层设置在所述应力释放层和所述有源层之间;所述电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
可选地,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度的最大值小于所述N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度的最小值为0。
优选地,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度为0~1018/cm3
可选地,所述电子调整层中铝原子的数量小于所述电子调整层中镓原子的数量。
优选地,所述电子调整层中铝组分的含量沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐增大。
优选地,所述电子调整层中铝组分的含量沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
可选地,所述电子调整层的厚度为0.5nm~10nm。
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生长方法,所述生长方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次生长N型半导体层、应力释放层、电子调整层、有源层和P型半导体层;
其中,所述电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
可选地,所述电子调整层的生长条件与所述应力释放层的生长条件相同,所述生长条件包括生长温度和生长压力。
优选地,所述电子调整层的生长温度为750℃~900℃,所述电子调整层的生长压力为100torr~300torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
通过在有源层之前***电子调整层,电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,氮化铝镓的能级较高,对电子具有一定的阻挡作用,可以有效减缓电子注入有源层的速度,有利于电子进行横向扩展,提高有源层中电子和空穴的复合机会,进而提高有源层中电子和空穴的复合发光效率。而且电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度逐渐减小,靠近有源层的部分N型掺杂剂的掺杂浓度较低,在保证电流扩展的情况下,还可以有效避免掺杂产生的缺陷向有源层延伸,从而减少由缺陷产生的非辐射复合中心,相当于提高有源层中电子和空穴的复合发光效率。
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一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图。
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、N型半导体层20、应力释放层30、电子调整层40、有源层50和P型半导体层60,N型半导体层20、应力释放层30、电子调整层40、有源层50和P型半导体层60依次层叠在衬底10上。
在本实施例中,电子调整层40的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,电子调整层40中N型掺杂剂的掺杂浓度沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
本发明实施例通过在有源层之前***电子调整层,电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,氮化铝镓的能级较高,对电子具有一定的阻挡作用,可以有效减缓电子注入有源层的速度,有利于电子进行横向扩展,提高有源层中电子和空穴的复合机会,进而提高有源层中电子和空穴的复合发光效率。而且电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度逐渐减小,靠近有源层的部分N型掺杂剂的掺杂浓度较低,在保证电流扩展的情况下,还可以有效避免掺杂产生的缺陷向有源层延伸,从而减少由缺陷产生的非辐射复合中心,相当于提高有源层中电子和空穴的复合发光效率。另外,铝原子具有反光作用,可以减小外延片内部的吸光。
可选地,电子调整层40中N型掺杂剂的掺杂浓度的最大值可以小于N型半导体层20中N型掺杂剂的掺杂浓度,电子调整层40中N型掺杂剂的掺杂浓度的最小值可以为0。从N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度逐渐减小至有源层中N型掺杂剂的掺杂浓度,与N型半导体层和有源层匹配,尽可能减小掺杂造成的负影响,最终提高LED的发光效率。
具体地,电子调整层40中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为0~1018/cm3,如电子调整层40中N型掺杂剂的掺杂浓度从1018/cm3逐渐减小至0,实现效果好。
可选地,电子调整层40中铝原子的数量可以小于电子调整层40中镓原子的数量,以维持氮化镓的主体结构。
具体地,电子调整层40的材料可以采用N型掺杂的AlxGa1-xN,0<x<0.5,实现效果好。
优选地,电子调整层40中铝组分的含量可以沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐增大,可以提高电子调整层与相邻半导体层的晶格匹配度,从而提高电子调整层的晶体质量,减少杂质吸光,提高LED的发光效率。
优选地,电子调整层40中铝组分的含量可以沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小,可以提高对位错和缺陷的阻挡作用,减小缺陷产生的非辐射复合中心,提高LED的发光效率。
可选地,电子调整层40的厚度可以为0.5nm~10nm。如果电子调整层的厚度小于0.5nm,则可能由于电子调整层较薄而无法有效减缓电子注入有源层的速度;如果电子调整层的厚度大于10nm,则可能由于电子调整层较厚而额外造成晶格失配,降低外延片整体的晶体质量,降低LED的发光效率。
具体地,衬底10的材料可以采用蓝宝石(主要材料为三氧化二铝),如晶向为[0001]的蓝宝石。N型半导体层20的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓。应力释放层30可以包括多个第一子层和多个第二子层,多个第一子层和多个第二子层交替层叠设置。第一子层的材料采用未掺杂的氮化铟镓,第二子层的材料采用未掺杂的氮化镓。有源层50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未掺杂的氮化铟镓,量子垒的材料可以采用未掺杂的氮化镓。P型半导体层60的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
进一步地,N型半导体层20的厚度可以为1.5μm~5.5μm,优选为3.5μm;N型半导体层20中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3~1019cm-3,优选为5*1018cm-3。第一子层的厚度可以为1nm~3nm,优选为2nm;第二子层的厚度可以为45nm~50nm,优选为48nm。第二子层的数量与第一子层的数量相同,第一子层的数量可以为2个~20个,优选为11个。量子阱的厚度可以为1nm~4nm,优选为2.5nm;量子垒的厚度可以为8nm~18nm,优选为13nm;量子垒的数量与量子阱的数量相同,量子阱的数量可以为6个~12个,优选为9个。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缓冲层71,缓冲层71设置在衬底10和N型半导体层20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,并为氮化镓材料外延生长提供成核中心。
具体地,缓冲层71的材料可以采用氮化镓或氮化铝。
进一步地,缓冲层71的厚度可以为15nm~35nm,优选为25nm。
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未掺杂氮化镓层72,未掺杂氮化镓层72设置在缓冲层71和N型半导体层20之间,以进一步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。
在具体实现时,缓冲层为首先在图形化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,称为本征氮化镓层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和本征氮化镓层统称为未掺杂氮化镓层。
进一步地,未掺杂氮化镓层72的厚度可以为0.5μm~4.5μm,优选为2.5μm。
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50和P型半导体层60之间,以阻挡电子跃迁到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,如AlyGa1-yN,0.1<y<0.5;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
进一步地,电子阻挡层81的厚度可以为200nm~1000nm,优选为600nm。
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30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的材料可以为与P型半导体层60的材料相同。在本实施例中,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20nm~1000nm,优选为60nm;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60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~300nm,优选为100nm;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生长方法,适用于生长图1所示的氮化镓基发光二极管外延片。图2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生长方法的流程图。参见图2,该生长方法包括:
步骤201:提供一衬底。
可选地,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6分钟~10分钟(优选为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:在衬底上依次生长N型半导体层、应力释放层、电子调整层、有源层和P型半导体层。
在本实施例中,电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
可选地,电子调整层的生长条件可以与应力释放层的生长条件相同,生长条件包括生长温度和生长压力。采用相同的生长条件,方便实现。
优选地,电子调整层的生长温度可以为750℃~900℃,电子调整层的生长压力可以为100torr~300torr,得到的电子调整层晶体质量较好。
具体地,该步骤202可以包括:
第一步,控制温度为950℃~1150℃(优选为1050℃),压力为50torr~450torr(优选为250torr),在衬底上生长N型半导体层;
第二步,控制温度为750℃~900℃(优选为820℃),压力为100torr~300torr(优选为200torr),在N型半导体层上生长应力释放层;
第三步,控制温度为750℃~900℃(优选为820℃),压力为100torr~300torr(优选为200torr),在应力释放层上生长电子调整层;
第四步,在电子调整层上生长有源层;量子阱的生长温度为750℃~840℃(优选为800℃),生长压力为50torr~550torr(优选为300torr);量子垒的生长温度为820℃~950℃(优选为880℃),生长压力为50torr~550torr(优选为300torr);
第五步,控制温度为800℃~1100℃(优选为950℃),压力为20torr~400torr(优选为210torr),在有源层上生长P型半导体层。
可选地,在第一步之前,该生长方法还可以包括:
在衬底上形成缓冲层。
相应地,N型半导体层生长在缓冲层上。
具体地,在衬底上生长缓冲层,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;
或者,在衬底上生长缓冲层,可以包括:
采用物理沉积技术在衬底上沉积缓冲层;
在氢气气氛中进行10分钟~15分钟的高温热处理。
优选地,在衬底上形成缓冲层之后,该生长方法还可以包括:
在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
相应地,N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
具体地,在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层,可以包括:
控制温度为900℃~1120℃(优选为1010℃),压力为150torr~550torr(优选为300torr),在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
可选地,在第五步之前,该生长方法还可以包括:
在有源层上生长电子阻挡层。
相应地,P型半导体层生长在电子阻挡层上。
具体地,在有源层上生长电子阻挡层,可以包括:
控制温度为600℃~1000℃(优选为800℃),压力为50torr~550torr(优选为300torr),在有源层上生长电子阻挡层;
优选地,在有源层上生长电子阻挡层之前,该生长方法还可以包括:
在有源层上生长低温P型层。
相应地,电子阻挡层生长在低温P型层上。
具体地,在有源层上生长低温P型层,可以包括:
控制温度为500℃~1200℃(优选为750℃),压力为100torr~550torr(优选为300torr),在有源层上生长低温P型层。
可选地,在第五步之后,该生长方法还可以包括:
在P型半导体层上生长接触层。
具体地,在P型半导体层上生长接触层,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型半导体层上生长接触层。
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、N型半导体层、应力释放层、有源层和P型半导体层,所述N型半导体层、所述应力释放层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上,其特征在于,所述氮化镓基发光二极管外延片还包括电子调整层,所述电子调整层设置在所述应力释放层和所述有源层之间;所述电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
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,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度的最大值小于所述N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度的最小值为0。
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,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度为0~1018/cm3
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,所述电子调整层中铝原子的数量小于所述电子调整层中镓原子的数量。
5.根据权利要求4所述的氮化镓基发光二极管外延片,其特征在于,所述电子调整层中铝组分的含量沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐增大。
6.根据权利要求4所述的氮化镓基发光二极管外延片,其特征在于,所述电子调整层中铝组分的含量沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
7.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,所述电子调整层的厚度为0.5nm~10nm。
8.一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法,其特征在于,所述生长方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上依次生长N型半导体层、应力释放层、电子调整层、有源层和P型半导体层;
其中,所述电子调整层的材料采用N型掺杂的氮化铝镓,所述电子调整层中N型掺杂剂的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的生长方法,其特征在于,所述电子调整层的生长条件与所述应力释放层的生长条件相同,所述生长条件包括生长温度和生长压力。
10.根据权利要求9所述的生长方法,其特征在于,所述电子调整层的生长温度为750℃~900℃,所述电子调整层的生长压力为100torr~300torr。
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