CN105428482B - 一种led外延结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED外延结构及制作方法，从下至上依次包括：衬底、第一导电类型半导体层、应力释放层、量子阱层以及第二导电类型半导体层，其中在所述应力释放层中插入一低温低Al组分的Al_xGa_1‑xN层，x取值范围为0.1%≤x≤1%，或者是所述应力释放层为InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层，从而改善述应力释放层的应力释放能力，改善电压及Droop效应，并提升亮度。

Description

一种LED外延结构及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种LED外延结构及制作方法。

背景技术

发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。目前商用的LED的典型结构，一般包括缓冲层、非掺杂氮化镓、N型氮化镓、低温氮化镓或者低温铟镓氮/氮化镓超晶格、量子阱、P型铝镓氮、P型氮化镓以及高掺的P型氮化镓；低温氮化镓或者低温铟镓氮/氮化镓超晶格（SLs）一般作为应力释放层，而且是通过开出一些“V”型缺陷来实现应力释放。应力释放层对LED整体性能的而发挥至关重要，会影响LED的电压、亮度以及Droop特性。通常做法是通过加厚低温层，具有放大“V”型缺陷(v-pits)的效果，但会带来较多其它电性问题，比如寄生电容、ESD、VF偏低等，因此有必要开发出一种在不过分加厚应力释放层的前提下，提高其应力释放能力的结构及制作方法。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种LED外延结构及制作方法，通过在应力释放层中插入一低温低Al组分的Al_xGa_1-xN层，x取值范围为0.1%≤x≤1%，或是采用InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层作为应力释放层，从而改善述应力释放层的应力释放能力，改善电压及Droop效应并提升亮度。

本发明的第一方面，提供一种LED外延结构，该外延结构从下至上依次包括：衬底、第一导电类型半导体层、应力释放层、量子阱层以及第二导电类型半导体层，其特征在于：在所述应力释放层中插入一低Al组分的Al_xGa_1-xN层，其中x取值范围为0.1%≤x≤1%。

优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。

优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。

优选地，所述应力释放层为GaN层或InGaN/GaN超晶格层。

优选地，所述InGaN/GaN超晶格层的周期数为10~30个。

优选地，所述低Al组分的Al_xGa_1-xN层的厚度为20~50nm。

本发明的第二方面，还提供一种LED外延结构，该外延结构从下至上依次包括：衬底、第一导电类型半导体层、应力释放层、量子阱层以及第二导电类型半导体层，其特征在于：所述应力释放层为InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层。

优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。

优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。

优选地，所述InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层的周期数为10~30个。

优选地，所述每个周期超晶格层中AlGaN层的厚度为1~3nm。

本发明的第三方面，再提供一种LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上生长第一导电类型半导体层；

（3）在所述第一导电类型半导体层上生长应力释放层；

（4）在所述应力释放层上生长量子阱层；

（5）在所述量子阱层上生长第二导电类型半导体层；

其特征在于：在所述应力释放层生长中插入生长一低Al组分的Al_xGa_1-xN层（0.1%≤x≤1%），生长温度为700~750℃。

优选地，所述第一导电类型半导体层包括N-GaN层，或者包括U-GaN层及N-GaN层。

优选地，所述第二导电类型半导体层包括P-GaN层，或者包括电子阻挡层以及P-GaN层，或者包括电子阻挡层、P-GaN层以及接触层。

优选地，所述应力释放层为GaN层或InGaN/GaN超晶格层。

本发明的第四方面，又提供一种LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上生长第一导电类型半导体层；

（3）在所述第一导电类型半导体层上生长应力释放层；

（4）在所述应力释放层上生长量子阱层；

（5）在所述量子阱层上生长第二导电类型半导体层；

其特征在于：所述应力释放层为InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层，生长温度为700~750℃。

相对于现有技术多数采用GaN或者InGaN来做低温应力释放层，然而这两种材料的应力释放能力比较有限，且二者材料还会吸光，本发明引入AlGaN插入层正是为了更进一步地提升该低温层的应力释放能力，利用AlGaN低温插入层具有更显著的开“V”型缺陷的能力，外延结构获得的“V”型缺陷越大，空穴注入效果越好，改善电压及Droop效应，提升亮度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图中标示：11，21，31，41：衬底；12，22，32，42：缓冲层；13，23，33，43：U-GaN层（未掺杂或非故意掺杂GaN层）；14，24，34，44：N-GaN层；15，25，35，45：应力释放层；151，251，351，451：AlGaN层（插入层）；16，26，36，46：量子阱层；17，27，37，47：电子阻挡层；18，28，38，48：P-GaN层；19，29，39，49：接触层。

图1为本发明实施例1、2制作的LED外延结构的剖视示意图。

图2为本发明实施例3制作的LED外延结构的剖视示意图。

图3为本发明实施例4制作的LED外延结构的剖视示意图。

图4为本发明实施例5制作的LED外延结构的剖视示意图。

具体实施方式

下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。

实施例1

请参照图1，本实施例提供一种LED外延结构，从下至上依次包括：衬底11、缓冲层12、包括U-GaN层13和N-GaN层14的第一导电类型半导体层、具有插入一低Al组分的Al_xGa_{1- x}N层151（0.1%≤x≤1%）的应力释放层15、量子阱层16以及包括电子阻挡层17、P-GaN层18和接触层19的第二导电类型半导体层，其中应力释放层可以选择GaN层或InGaN/GaN超晶格层，本实施例优选GaN层。

具体来说，本实施例的衬底11选用蓝宝石（Al₂O₃）、SiC、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP以及Ge中的至少一种，优选平片蓝宝石衬底，尽管图中未示出，但是蓝宝石衬底也可以是图形化蓝宝石衬底（PSS），因此，实施例不限于此。

缓冲层12材质选用InAlGaN半导体材料，形成在衬底11上，以减少由于衬底11和第一导电类型半导体层之间的晶格常数差而导致的晶格错配，改善外延生长质量。

U-GaN层13和N-GaN层14构成第一导电类型半导体层，依次形成于缓冲层12上，U-GaN层13能够减少由于衬底11和N-GaN层14之间的晶格常数差导致的晶格错配。而且，U-GaN层13能够增强形成在该层上的半导体层结晶性能。

具有插入一厚度为20~50nm的低Al组分的AlGaN层151的GaN应力释放层15形成于第一导电类型半导体层上，其中AlGaN层151（Al_xGa_1-xN层）中的x取值范围为0.1%≤x≤1%，如果Al组分太高会影响器件电压，而Al组分太低，又会影响开“V”型缺陷的效果。

量子阱层16，形成于应力释放层15上，量子阱层可以包括具有In_yAl_zGa_1-y-zN（0<y≤1，0≤z≤1，0<y+z≤1）组成式的半导体材料，通过交替地堆叠多个阱层和多个势垒层形成。

电子阻挡层17、P-GaN层18以及接触层19构成第二导电类型半导体层，依次形成于量子阱层16上，电子阻挡层17为P型AlGaN半导体材料，接触层19为重掺杂P型GaN层。

实施例2

请参照图1，本实施例提供一种LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤：

（1）提供一衬底11，优选图形化蓝宝石衬底（PSS），放入金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中升温至1000~1200℃，在氢气氛围下处理3~10分钟。

（2）降温至500~600℃，通入氨气和三甲基镓，在衬底11上外延生长20~50nm的低温缓冲层12，优选InAlGaN半导体材料，起到应力释放的作用，然后关闭三家钾镓；其中外延生长方法还可以选用CVD（化学气相沉积）方法、PECVD（等离子体增强化学气相沉积）方法、MBE（分子束外延）方法、HVPE（氢化物气相外延）方法，优选MOCVD，但实施例不限于此。

（3）在缓冲层12上依次外延生长U-GaN层13和N-GaN层14，构成第一导电类型半导体层，其中升温至1000~1150℃，在此温度下进行退火处理1~5分钟，然后通入三甲基镓，生长1~2μm厚度的非掺杂氮化镓（U-GaN）；温度控制至1030~1120℃，生长1.5~4μm厚的氮化镓，通入硅烷进行掺杂（N-GaN）；也可以生长U-GaN/N-GaN超晶格代替完全掺杂的N-GaN，提供电子注入。

（4）降温至700~750℃，在第一导电类型半导体层上，继续生长50~400nm厚的外延生长GaN应力释放层15，并在GaN中间插入一厚度为20~50nm的低铝组分的AlGaN层151，AlGaN层中的Al组分0.1%~1%，起到进一步改善应力释放的作用。

（5）温度控制在750~900℃，在GaN应力释放层15上外延生长量子阱层16，量子阱层16可以选择包括In_xAl_yGa_1-x-yN（0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1）组成式的半导体材料，通过交替地堆叠多个阱层和多个势垒层形成。

（6）在生长量子阱层16上，依次外延形成电子阻挡层17、P-GaN层18以及接触层19构成第二导电类型半导体层；其中温度控制在800~950℃，生长P型AlGaN电子阻挡层17，阻挡电子扩充；温度控制在900~1050℃生长P-GaN层18，提供空穴注入；温度控制在900~1050℃，生长重掺杂P型GaN接触层19。

实施例3

请参照图2，与实施例1的区别在于：本实施例的应力释放层25为10~30个周期的InGaN/GaN超晶格层，每个周期内InGaN的厚度范围为1~3nm，GaN厚度范围为2~8nm，整体厚度控制在50~400nm之间；其中低铝组分的AlGaN插入层可以插入于InGaN/GaN超晶格层的任意周期之间，也可以插入各周期的InGaN/GaN超晶格层的内部；AlGaN插入层数目可以是单个，也可以是N个（N为2≤N≤30的自然数）。本实施例优选单个的AlGaN层251插入于InGaN/GaN超晶格层的任意周期之间。

实施例4

请参照图3，与实施例3的区别在于：本实施例的AlGaN层351插入于应力释放层35的底部，即位于N-GaN层34与InGaN/GaN超晶格层35之间，AlGaN插入层的厚度控制在20~50nm之间，如果厚度太厚会影响后续外延层表面的粗糙度。

实施例5

请参照图4，与实施例2的区别在于：本实施例的步骤（6）为：降温至700~750℃，生长InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层应力释放层45，该超晶格层（SLs）可以选择InGaN/GaN/AlGaN或者InGaN/AlGaN/GaN或者GaN/AlGaN/InGaN或者GaN/InGaN/AlGaN或者AlGaN/InGaN/GaN或者AlGaN/GaN/InGaN，本实施例的应力释放层45优选InGaN/GaN/AlGaN超晶格层，即采用重复地交替循环堆叠InGaN层、GaN层和AlGaN层10次至30次，形成10个至30个周期的InGaN/GaN/AlGaN超晶格层，其中每个周期超晶格层中GaN的厚度范围为2~8nm，AlGaN层451的厚度范围为1~3nm，InGaN的厚度范围为1~3nm，整体厚度控制在50~400nm之间。该AlGaN低温层起到进一步改善应力释放的作用，可以改善电压和Droop特性，减少光吸收并提升亮度。低温AlGaN层中的Al组分范围可以为0.1%≤x≤1%，如果Al组分太高会影响电压（VF），而Al组分太低，又会影响开“V”型缺陷的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种LED外延结构，从下至上依次包括：衬底、第一导电类型半导体层、应力释放层、量子阱层以及第二导电类型半导体层，其特征在于：所述应力释放层为GaN层或InGaN/GaN超晶格层，在所述应力释放层中插入一低Al组分的Al_xGa_1-xN层，其中x取值范围为0.1%≤x<1%。

2.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述InGaN/GaN超晶格层的周期数为10~30个。

3.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述低Al组分的Al_xGa_1-xN层的厚度为20~50nm。

4.一种LED外延结构，从下至上依次包括：衬底、第一导电类型半导体层、应力释放层、量子阱层以及第二导电类型半导体层，其特征在于：所述应力释放层为InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层。

5.根据权利要求4所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述超晶格层的周期数为10~30个。

6.根据权利要求4所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述每个周期超晶格层中的AlGaN层的厚度为1~3nm。

7.一种LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上生长第一导电类型半导体层；

（3）在所述第一导电类型半导体层上生长应力释放层；

（4）在所述应力释放层上生长量子阱层；

（5）在所述量子阱层上生长第二导电类型半导体层；

其特征在于：所述应力释放层为GaN层或InGaN/GaN超晶格层，在所述应力释放层生长中插入生长一低Al组分的Al_xGa_1-xN层，其中x取值范围为0.1%≤x<1%，生长温度为700~750℃。

8.一种LED外延结构的制作方法，包括以下工艺步骤：

（1）提供一衬底；

（2）在所述衬底上生长第一导电类型半导体层；

（3）在所述第一导电类型半导体层上生长应力释放层；

（4）在所述应力释放层上生长量子阱层；

（5）在所述量子阱层上生长第二导电类型半导体层；

其特征在于：所述应力释放层为InGaN、GaN、AlGaN组成的超晶格层，生长温度为700~750℃。