CN103915534B - 一种led外延片及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种LED外延片及其形成方法，其中形成方法包括：提供衬底，并在衬底之上形成缓冲层；在缓冲层之上形成第一掺杂类型的半导体材料层；在第一掺杂类型的半导体材料层之上形成量子阱结构；在量子阱结构之上形成电子阻挡层，其中，包括：在量子阱结构上形成第一AlxGa1‑xN层，在形成第一AlxGa1‑xN层过程中，Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，且第二组分值大于第一组分值，在第一AlxGa1‑xN层上形成第二AlxGa1‑xN层，在形成第二AlxGa1‑xN层过程中，Al的组分x为定值；以及在电子阻挡层之上形成第二掺杂类型的半导体材料层。本发明能够提高LED芯片的内量子效率，促使外延片发光效率的提升，更适合大功率外延片的需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体一种LED外延片及其形成方法。
背景技术
随着LED的发展，GaN为基础的高亮蓝光、绿光、紫外LED越来越受到关注，由于半导体二极管具有体积小、耗电量低、使用寿命长、环保耐用等特点而应用到各个领域，例如：蓝绿光LED被广泛应用于全彩色显示和照明方面，紫外LED也被应用于光学探测方面。而制备大功率的LED外延片已成为发展的必然趋势，但随着发光功率的提升，伴随而来有效率衰减的问题出现，该效率衰减问题主要是由于载流子溢出，低效率的电子注入和空穴的传输导致的。现有的减少载流子溢出是方法是采用电流阻挡层（Electron Blocking Layer，EBL）结构。
EBL结构即利用AlxGa1-xN能带效应限制电子的过溢，提高内量子效率。目前生长EBL的方式有两种：单层AlxGa1-xN和AlxGa1-xN/GaN超晶格结构。而现有生长AlxGa1-xN的所用的载气一般为氢气。但是现有的生长EBL的方法具有以下缺点：
在AlxGa1-xN的EBL结构中产生的极化场效应使得势垒作用变小而起不到阻挡电子的作用，因此载流子溢出没有得到消除。同时极化场导致在GaN界面能带弯曲和原子能带偏移，EBL则被认为延迟了空穴的注入。为了减小EBL的极化场，匹配EBL极化的量子阱结构AlInN/AlInGaN证实可以起到限制电子的作用。但是这种结构在外延很难实现，同时导致P型的晶体质量也很差。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种LED外延片及其形成方法。
根据本发明实施例的LED外延片的形成方法，包括以下步骤：提供衬底，并在所述衬底之上形成缓冲层；在所述缓冲层之上形成第一掺杂类型的半导体材料层；在所述第一掺杂类型的半导体材料层之上形成量子阱结构；在所述量子阱结构之上形成电子阻挡层，其中，包括：在所述量子阱结构上形成第一AlxGa1-xN层，在形成第一AlxGa1-xN层过程中，Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，且所述第二组分值大于所述第一组分值，在所述第一AlxGa1-xN层上形成第二AlxGa1-xN层，在形成第二AlxGa1-xN层过程中，Al的组分x为定值；以及在所述电子阻挡层之上形成第二掺杂类型的半导体材料层。
在本发明的一个实施例中，所述Al的组分x的第一组分值为0.05，第二组分值为0.12。
在本发明的一个实施例中，第二AlxGa1-xN层Al的组分x为0.1～0.25。
在本发明的一个实施例中，形成所述量子阱结构的过程是以N2气为载气。
在本发明的一个实施例中，在形成所述缓冲层之后，还包括：在所述缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
在本发明的一个实施例中，其中，所述电子阻挡层的形成温度为800-900°C，压力为100-200mbar。
在本发明的一个实施例中，所述第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为第二组分值。
根据本发明实施例的LED外延片，包括：衬底；形成在所述衬底之上的缓冲层；形成在所述缓冲层之上的第一掺杂类型的半导体材料层；形成在所述第一掺杂类型的半导体材料层之上的量子阱结构；形成在所述量子阱结构之上的电子阻挡层；以及形成在所述电子阻挡层之上的第二掺杂类型的半导体材料层，其中，所述电子阻挡层包括第一AlxGa1-xN层和第二AlxGa1-xN层，所述第一AlxGa1-xN层中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，所述第一AlxGa1-xN层中与所述量子阱结构接触的部分x为第一组分值，所述第一AlxGa1-xN层中与第二AlxGa1-xN层接触的部分x为第二组分值，且所述第二组分值大于所述第一组分值，所述第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为定值。
在本发明的一个实施例中，所述Al的组分x的第一组分值为0.05，第二组分值为0.12。
在本发明的一个实施例中，第二AlxGa1-xN层Al的组分x为0.1～0.25。
在本发明的一个实施例中，形成所述量子阱结构是以N2气为载气形成的。
在本发明的一个实施例中，在形成所述缓冲层之后，还包括：在所述缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
在本发明的一个实施例中，其中，所述电子阻挡层的形成温度为800-900°C，压力为100-200mbar。
在本发明的一个实施例中，所述第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为第二组分值。
本发明与现有技术相比至少具有如下优点：现有的EBL技术通过能带效应限制电子过溢，但是其能带结构没有渐变，由于极化效应的影响，在量子阱最后一个势垒GaN与AlxGa1-xN的界面会形成能带的尖峰阻碍了空穴的隧穿，同时导带上势垒高度不足以限制电子。而本发明利用渐变组分加定值组分的双层AlxGa1-xN结构的EBL可以利用极化效应导致的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽效果综合考虑，提高电子限制能力和增强空穴注入，使得导带能带尖峰更高，价带能带更加平缓，同时具有较宽的能带，能够到达提高内量子效率目的，促使外延片发光效率的提升，更适合大功率外延片的需求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的LED外延片的形成方法的流程图；
图2是本发明的LED外延片的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，根据本发明实施例的LED外延片的形成方法，包括步骤：
S1.提供衬底100，并在衬底之上形成缓冲层200。
在本发明的一个优选实施例中，还包括：在形成缓冲层200之后，在缓冲层200之上形成非掺杂的半导体材料层201。需要说明的是，形成非掺杂的半导体材料层201是可选而非必须的。
S2.在缓冲层200之上形成第一掺杂类型的半导体材料层300。
其中，第一掺杂类型可为N型也可为P型。
S3.在第一掺杂类型的半导体材料层300之上形成量子阱结构400。
S4.在量子阱结构400之上形成电子阻挡层500。
其中，该电子阻挡层500包括第一AlxGa1-xN层501和第二AlxGa1-xN层502。其中，第一AlxGa1-xN层501中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，其中，第一AlxGa1-xN层501中与量子阱结构400接触的部分x为第一组分值，第一AlxGa1-xN层501中与第二AlxGa1-xN层205接触的部分x为第二组分值，且第二组分值大于所述第一组分值。在本发明的一个实施例中，Al的组分x的第一组分值为0.05，第二组分值为0.12。第二AlxGa1-xN层502中Al的组分x为固定值，其取值范围可以是0.1-0.25。工艺中可以通过调节铟源、镓源和氨源的混合反应气体的比例，来控制形成的AlxGa1-xN材料层的原子比。在不同的生长阶段，通入不同比例的混合反应气体，可以形成渐变组分值的第一AlxGa1-xN层501和固定组分值的第二AlxGa1-xN层。在本发明的一个实施例中，第二AlxGa1-xN层502中Al的组分x等于第二组分值，如此不仅具有良好的电子限制能力，而且在生长过程中可不必改变通过气体的混合比例，实现不间断连续生长。一般地，第一AlxGa1-xN层501的厚度为整个电子阻挡层500厚度的三分之一，第二AlxGa1-xN层502的厚度为整个电子阻挡层500厚度的三分之二。
其中，第一AlxGa1-xN层501利用了极化效应导致的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽，以达到提高电子限制能力和增强空穴注入的目的。具体地，因为极化使能带同时由n层向p层向上倾斜，而Al渐变使得能带由n层向p层同时展宽，这样就使得导带能带尖峰更高，价带能带尖峰消失，促使价带更加平缓，有利于空穴的隧穿，到达提高内量子效率目的。
其中，第二AlxGa1-xN层502主要目的在于形成较宽的能带，限制电子隧穿作用，防止电子与空穴在P-GaN中发生非辐射复合而导致内量子效率的降低。而由于能带的展宽和极化效应造成的能带倾斜恒定Al浓度的AlxGa1xN对于空穴下限制作用很小，因此恒定Al浓度的AlxGa1-xN结构能够提高电子阻挡层500的内量子效率。
在本发明的一个实施例中，电子阻挡层500是以N2气为载气形成的。现有EBL技术为了获得晶体质量较好的AlxGa1-xN材料，而采用氢气作为载气生长，而氢气对于量子阱阱区（InGaN）具有严重的腐蚀作用，同时获得好的晶体质量的AlxGa1-xN导致AlxGa1-xN与GaN之间的应力增加，因而对于电子和空穴的复合产生阻碍。而本发明通过采用氮气作为载气生长AlxGa1-xN，一方面氮气对于量子阱而言能够起到很好的保护作用，防止量子阱阱区被腐蚀。同时AlxGa1-xN在氮气氛围下生长晶体质量相对于氢气较差，正是利用这一点能够将AlxGa1-xN与GaN由于晶格不匹配而产生的应力释放。
在本发明的一个实施例中，电子阻挡层500的形成温度为800-900°C，压力为100-200mbar。现有技术为了获得晶体质量较好的AlxGa1-xN材料，采用高温低压生长。而高温对于量子阱同样有破坏作用，造成量子阱阱区的In扩散，量子阱阱区和垒区界限不清晰，导致内量子效率的降低。而本发明采用低温低压生长AlxGa1-xN，同样生长的AlxGa1-xN材料晶体质量相对于高温较差，但是对于量子阱的保护作用很明显。同时由于晶体质量较差而对于应力释放又有一定的益处。通过测试发现本发明的方式生长的晶体质量差并没有造成静电释放ESD性能的变坏，因此表明这种生长方式造成的晶体质量恶化对于器件的性能没有负面的影响。
S5.在电子阻挡层500之上形成第二掺杂类型的半导体材料层600。
其中，当步骤S2中的第一掺杂类型为P型掺杂时，本步骤S5中的第二掺杂类型为N型掺杂；当步骤S2中的第一掺杂类型为N型掺杂时，本步骤S5中的第二掺杂类型为P型掺杂。
本发明的LED外延片的形成方法与现有技术相比至少具有如下优点：现有的EBL技术通过能带效应限制电子过溢，但是其能带结构没有渐变，由于极化效应的影响，在量子阱最后一个势垒GaN与AlxGa1-xN的界面会形成能带的尖峰阻碍了空穴的隧穿，同时导带上势垒高度不足以限制电子。而本发明利用渐变组分加定值组分的双层AlxGa1-xN结构的EBL可以利用极化效应导致的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽效果综合考虑，提高电子限制能力和增强空穴注入，使得导带能带尖峰更高，价带能带更加平缓，同时具有较宽的能带，能够到达提高内量子效率目的，促使外延片发光效率的提升，更适合大功率外延片的需求。
图2为本发明实施例的LED外延片，包括：衬底100；形成在衬底100之上的缓冲层200；形成在缓冲层之上的第一掺杂类型的半导体材料层300；形成在第一掺杂类型的半导体材料层300之上的量子阱结构400；形成在量子阱结构400之上的电子阻挡层500，其中，电子阻挡层500的形成过程中以N2气为载气；以及形成在电子阻挡层500之上的第二掺杂类型的半导体材料层600。其中，电子阻挡层500包括第一AlxGa1-xN层501和第二AlxGa1-xN层502，第一AlxGa1-xN层501中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，第一AlxGa1-xN层中501与量子阱结构接触的部分x为第一组分值，第一AlxGa1-xN层501与第二AlxGa1-xN层502接触的部分x为第二组分值，且第二组分值大于第一组分值，第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为定值。其中，第一掺杂类型为N型或P型中的一种，所述第二掺杂类型为N型或P型中的另一种，即：当第一掺杂类型的半导体材料层300为P型掺杂时，第二掺杂类型的半导体材料层600为N型掺杂；当第一掺杂类型的半导体材料层300为N型掺杂时，第二掺杂类型的半导体材料层600为P型掺杂。
在本发明的一个实施例中，Al的组分x的第一组分值为0.05，第二组分值为0.12。
在本发明的一个实施例中，第二AlxGa1-xN层Al的组分x为0.1～0.25。
在本发明的一个实施例中，形成量子阱结构是以N2气为载气形成的。
在本发明的一个实施例中，在形成缓冲层之后，还包括：在缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
在本发明的一个实施例中，其中，电子阻挡层的形成温度为800-900°C，压力为100-200mbar。
在本发明的一个实施例中，第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为第二组分值。
本发明的LED外延片的形成方法与现有技术相比至少具有如下优点：现有的EBL技术通过能带效应限制电子过溢，但是其能带结构没有渐变，由于极化效应的影响，在量子阱最后一个势垒GaN与AlxGa1-xN的界面会形成能带的尖峰阻碍了空穴的隧穿，同时导带上势垒高度不足以限制电子。而本发明利用渐变组分加定值组分的双层AlxGa1-xN结构的EBL可以利用极化效应导致的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽效果综合考虑，提高电子限制能力和增强空穴注入，使得导带能带尖峰更高，价带能带更加平缓，同时具有较宽的能带，能够到达提高内量子效率目的，促使外延片发光效率的提升，更适合大功率外延片的需求。
为使本领域技术人员刚好地理解本发明，申请人结合一个具体实施例阐述如下：
本发明采用三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、二茂镁（Cp2Mg）、氨气（NH3）、硅烷（SiH4）作为沉积材料，并分别以氢气（H2）、氮气（N2）作为载气。
（1）采用蓝宝石作为衬底100，通过MOCVD利用NH3先对蓝宝石衬底在530°C进行氮化处理150s，然后通入TMGa在蓝宝石衬底上沉积20nm至40nm（例如30nm）厚度的GaN作为缓冲层200，再经过1070°C的高温处理270s。
（2）在1050°C温度下以TMGa和NH3为源，以H2作为载气生长2μｍ厚度的非掺杂的GaN作为非掺杂的半导体材料层201。
（3）在1050°C温度下以TMGa和NH3为源，以SiH4为掺杂源，以H2作为载气，同时1.2μｍ厚度n-GaN作为第一掺杂类型的半导体材料层300。需要说明的是，该n-GaN层中掺杂浓度可以是非恒定的，优选地，可以首先生长掺杂浓度为4E+18原子/cm3、厚度为200nm的n-GaN；然后生长掺杂浓度为8E+18原子/cm3、厚度为600nm的n-GaN；再生长掺杂浓度为4E+18原子/cm3、厚度为200nm的n-GaN；最后生长掺杂浓度为3E+17原子/cm3、厚度200nm的n-GaN。
（4）以TMIn、TEGa、NH3为源，以N2作为载气生长5周期至15周期（例如10周期）InGaN/GaN结构量子阱作为量子阱结构400。其中每层InGaN厚度为5nm，每层GaN厚度为12nm。
（5）以TMGa、TMAl、Cp2Mg和NH3为源，以N2作为载气，在800°C至900°C（例如860°C）温度下，100mbar至200mbar（例如150mbar）压力下，生长AlxGa1-xN材料层作为电子阻挡层500。该电子阻挡层500分为第一AlxGa1-xN层501和第二AlxGa1-xN层两个部分：第一部分中的x为渐变，x从0.05增加到0.12，厚度为5nm至20nm（例如15nm）。第二部分中x为恒定，保持为0.12，厚度为20nm至40nm（例如35nm）。最终形成的电子阻挡层的AlxGa1-xN的总厚度为20至60nm（例如50nm）。
（6）以TMGa、Cp2Mg和NH3为源在960°C时，生长P-GaN作为第二掺杂类型的半导体材料层600，厚度为200~300nm。
需要说明的是，本发明流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种LED外延片的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，并在所述衬底之上形成缓冲层；
在所述缓冲层之上形成第一掺杂类型的半导体材料层；
在所述第一掺杂类型的半导体材料层之上形成量子阱结构；
在所述量子阱结构之上形成电子阻挡层，其中，包括：
在所述量子阱结构上形成第一AlxGa1-xN层，在形成第一AlxGa1-xN层过程中，Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，且所述第二组分值大于所述第一组分值，
在所述第一AlxGa1-xN层上形成第二AlxGa1-xN层，在形成第二AlxGa1-xN层过程中，Al的组分x为定值，并且所述Al的组分x等于所述第二组分值，其中，第二AlxGa1-xN层Al的组分x为0.1-0.25；以及
在所述电子阻挡层之上形成第二掺杂类型的半导体材料层。
2.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法，其特征在于，所述Al的组分x的第一组分值为0.05，第二组分值为0.12。
3.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法，其特征在于，形成所述量子阱结构的过程是以N2气为载气。
4.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法，其特征在于，在形成所述缓冲层之后，还包括：
在所述缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
5.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法，其特征在于，其中，所述电子阻挡层的形成温度为800-900℃，压力为100-200mbar。
6.一种LED外延片，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底之上的缓冲层；
形成在所述缓冲层之上的第一掺杂类型的半导体材料层；
形成在所述第一掺杂类型的半导体材料层之上的量子阱结构；
形成在所述量子阱结构之上的电子阻挡层；以及
形成在所述电子阻挡层之上的第二掺杂类型的半导体材料层，
其中，所述电子阻挡层包括第一AlxGa1-xN层和第二AlxGa1-xN层，所述第一AlxGa1-xN层中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值，所述第一AlxGa1-xN层中与所述量子阱结构接触的部分x为第一组分值，所述第一AlxGa1-xN层中与第二AlxGa1-xN层接触的部分x为第二组分值，且所述第二组分值大于所述第一组分值，所述第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为定值，并且所述Al的组分x等于所述第二组分值，其中，第二AlxGa1-xN层Al的组分x为0.1-0.25。
7.如权利要求6所述的LED外延片，其特征在于，所述Al的组分x的第一组分值为0.05，第二组分值为0.12。
8.如权利要求6所述的LED外延片，其特征在于，形成所述量子阱结构是以N2气为载气形成的。
9.如权利要求6所述的LED外延片，其特征在于，在形成所述缓冲层之后，还包括：
在所述缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
10.如权利要求6所述的LED外延片，其特征在于，其中，所述电子阻挡层的形成温度为800-900℃，压力为100-200mbar。
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