CN106601882B - 一种发光二极管的外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，外延片还包括改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，改善层设置在未掺杂GaN层和N型层之间、或者设置在N型层和有源层之间。本发明通过在未掺杂GaN层和N型层之间、或者在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，交替层叠的SiN层和GaN层为超晶格结构，可以有效地释放应力，从而减少有源层的缺陷，提高晶体质量，进而改善外延片的性能和可靠性，提高外延片所制造芯片的反向电压。
Description
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的外延片及其制造方法。
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，广泛应用于指示灯、显示屏、照明等技术领域。
外延片是LED内部的晶片生长的原材料，通常包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层。
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：
GaN和蓝宝石之间存在晶格失配，产生的应力过大导致缺陷，缺陷沿外延片的层叠方向延伸到有源层，甚至是P型GaN层，影响器件的功能和可靠性。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，所述外延片还包括改善层，所述改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述改善层设置在所述未掺杂GaN层和所述N型层之间、或者设置在所述N型层和所述有源层之间。
可选地，所述改善层包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，所述第一改善子层、所述第二改善子层、所述第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于所述第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
优选地，所述第一改善子层中、所述第二改善子层中、所述第三改善子层中的SiN层的层数均为三层以上，所述第一改善子层中、所述第二改善子层中、所述第三改善子层中的GaN层的层数均为三层以上。
可选地，所述改善层的厚度为200埃以上。
第二方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、改善层、N型层、有源层、P型层；
其中，所述改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层。
可选地，所述改善层包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，所述第一改善子层、所述第二改善子层、所述第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于所述第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
可选地，所述改善层的生长温度为1000℃以上。
第三方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、改善层、有源层、P型层；
其中，所述改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层。
可选地，所述改善层包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，所述第一改善子层、所述第二改善子层、所述第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于所述第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
可选地，所述改善层的生长温度为1000℃以上。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在未掺杂GaN层和N型层之间、或者在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，交替层叠的SiN层和GaN层为超晶格结构，可以有效地释放应力，从而减少有源层的缺陷，提高晶体质量，进而改善外延片的性能和可靠性，提高外延片所制造芯片的反向电压。同时形成超晶格结构的其中一层为没有掺杂的纯净GaN，与外延片本身结构的晶格匹配度好，改善层的设置不会造成额外的晶格失配。而且形成超晶格结构的另外一层为SiN层，位于改善层中间的SiN层中Si组分含量低于位于顶部和底部的SiN层中Si组分含量，有利于电流扩展，提高注入有源层的电子数量，提升LED的发光效率。
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是本发明实施例一提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的改善层的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管的外延片的制造方法的流程示意图；
图4是本发明实施例三提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图5是本发明实施例四提供的另一种发光二极管的外延片的制造方法的流程示意图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，参见图1，该外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层2、成核层3、未掺杂GaN层4、改善层10、N型层5、有源层6、P型层7。
在本实施例中，参见图2，改善层10可以包括交替层叠的SiN层10a和GaN层10b。
可选地，改善层可以包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
优选地，第一改善子层中、第二改善子层中、第三改善子层中的SiN层的层数可以均为三层以上，第一改善子层中、第二改善子层中、第三改善子层中的GaN层的层数可以均为三层以上。
可选地，改善层的厚度可以为200埃以上，过薄会达不到释放应力的效果。
优选地，改善层的厚度可以为20～50nm。
具体地，缓冲层可以为二维生长的GaN层，厚度为15～30nm；成核层可以为三维生长的GaN层，厚度为200～500nm；未掺杂GaN层为二维生长的GaN层，厚度为50～500nm；N型层为N型掺杂的GaN层，厚度为3～4μm；有源层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，厚度为400～500nm；P型层为P型掺杂的GaN层，厚度为50～800nm。
本发明实施例通过在未掺杂GaN层和N型层之间设置改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，交替层叠的SiN层和GaN层为超晶格结构，可以有效地释放应力，从而减少有源层的缺陷，提高晶体质量，进而改善外延片的性能和可靠性，提高外延片所制造芯片的反向电压。同时形成超晶格结构的其中一层为没有掺杂的纯净GaN，与外延片本身结构的晶格匹配度好，改善层的设置不会造成额外的晶格失配。而且形成超晶格结构的另外一层为SiN层，位于改善层中间的SiN层中Si组分含量低于位于顶部和底部的SiN层中Si组分含量，有利于电流扩展，提高注入有源层的电子数量，提升LED的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，适用于制造实施例一提供的外延片。实现时以三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯NH3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。
具体地，参见图3，该制造方法包括：
步骤201：提供一蓝宝石衬底。
在具体实现中，会先将蓝宝石衬底在金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Meta1Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)反应腔中加热至1060℃，再在氢气气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理，最后进行氮化处理10分钟，以清洁衬底表面。
步骤202：在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
具体地，缓冲层可以为二维生长的GaN层，厚度为15～30nm，生长温度为500～650℃，生长压力为300～760torr，V/III比为500～3000。
其中，V/III比为V价原子与III价原子的摩尔比。
步骤203：在缓冲层上生长成核层。
具体地，成核层可以为三维生长的GaN层，厚度为200～500nm，生长温度为1000～1100℃，生长压力为400～600torr，V/III比为300～1000。
步骤204：在成核层上生长未掺杂GaN层。
具体地，未掺杂GaN层为二维生长的GaN层，厚度为50～500nm，生长温度为1000～1200℃，生长压力为30～500torr，V/III比为300～3000。
步骤205：在未掺杂GaN层上生长改善层。
在本实施例中，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层。
可选地，改善层可以包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
优选地，第一改善子层中、第二改善子层中、第三改善子层中的SiN层的层数可以均为三层以上，第一改善子层中、第二改善子层中、第三改善子层中的GaN层的层数可以均为三层以上。
可选地，改善层的厚度可以为200埃以上，过薄会达不到释放应力的效果。
优选地，改善层的厚度可以为20～50nm。
可选地，改善层的生长温度可以为1000℃以上。采用高温生长，改善层的晶体质量较高。
优选地，生长温度可以为1000～1200℃。
可选地，生长压力可以为50～760torr。
可选地，V/III比可以为300～3000。
步骤206：在改善层上生长N型层。
具体地，N型层为N型掺杂的GaN层，厚度为3～4μm，生长温度为1000～1200℃，生长压力为50～760torr，V/III比为300～3000。
步骤207：在N型层上生长有源层。
具体地，有源层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，厚度为400～500nm，生长温度为720～820℃，生长压力为200～400torr，V/III比为300～5000。
步骤208：在有源层上生长P型层。
具体地，P型层为P型掺杂的GaN层，厚度为50～800nm，生长温度为850～1050℃，生长压力为100～760torr，V/III比为1000～20000。
在实际应用中，在P型层生长完成以后，先将反应腔的温度降至650～850℃，在纯氮气氛围中退火处理5～15分钟；再将反应腔的温度降至室温，结束外延片的生长；最后对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺，制成单颗尺寸大小为10*16mi1的LED芯片。
本发明实施例通过在未掺杂GaN层和N型层之间设置改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，交替层叠的SiN层和GaN层为超晶格结构，可以有效地释放应力，从而减少有源层的缺陷，提高晶体质量，进而改善外延片的性能和可靠性，提高外延片所制造芯片的反向电压。同时形成超晶格结构的其中一层为没有掺杂的纯净GaN，与外延片本身结构的晶格匹配度好，改善层的设置不会造成额外的晶格失配。而且形成超晶格结构的另外一层为SiN层，位于改善层中间的SiN层中Si组分含量低于位于顶部和底部的SiN层中Si组分含量，有利于电流扩展，提高注入有源层的电子数量，提升LED的发光效率。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，参见图4，该外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层2、成核层3、未掺杂GaN层4、N型层5、改善层10、有源层6、P型层7。
在本实施例中，改善层可以与实施例一提供的改善层相同，在此不再详述。
具体地，蓝宝石衬底可以与实施例一提供的蓝宝石衬底相同，缓冲层可以与实施例一提供的缓冲层相同，成核层可以与实施例一提供的成核层相同，未掺杂GaN层可以与实施例一提供的未掺杂GaN层相同，N型层可以与实施例一提供的N型层相同，有源层可以与实施例一提供的有源层相同，P型层可以与实施例一提供的P型层相同，在此不再详述。
本发明实施例通过在在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，交替层叠的SiN层和GaN层为超晶格结构，可以有效地释放应力，从而减少有源层的缺陷，提高晶体质量，进而改善外延片的性能和可靠性，提高外延片所制造芯片的反向电压。同时形成超晶格结构的其中一层为没有掺杂的纯净GaN，与外延片本身结构的晶格匹配度好，改善层的设置不会造成额外的晶格失配。而且形成超晶格结构的另外一层为SiN层，位于改善层中间的SiN层中Si组分含量低于位于顶部和底部的SiN层中Si组分含量，有利于电流扩展，提高注入有源层的电子数量，提升LED的发光效率。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，适用于制造实施例三提供的外延片。实现时以三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯NH3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。
具体地，参见图5，该制造方法包括：
步骤401：提供一蓝宝石衬底。
可选地，该步骤401可以与实施例二提供的步骤201相同，在此不再详述。
步骤402：在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
可选地，该步骤402可以与实施例二提供的步骤202相同，在此不再详述。
步骤403：在缓冲层上生长成核层。
可选地，该步骤403可以与实施例二提供的步骤203相同，在此不再详述。
步骤404：在成核层上生长未掺杂GaN层。
可选地，该步骤404可以与实施例二提供的步骤204相同，在此不再详述。
步骤405：在未掺杂GaN层上生长N型层。
可选地，该步骤405可以与实施例二提供的步骤206相同，在此不再详述。
步骤406：在N型层上生长改善层。
可选地，该步骤406可以与实施例二提供的步骤205相同，在此不再详述。
步骤407：在改善层上生长有源层。
可选地，该步骤407可以与实施例二提供的步骤207相同，在此不再详述。
步骤408：在有源层上生长P型层。
可选地，该步骤408可以与实施例二提供的步骤208相同，在此不再详述。
本发明实施例通过在在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，交替层叠的SiN层和GaN层为超晶格结构，可以有效地释放应力，从而减少有源层的缺陷，提高晶体质量，进而改善外延片的性能和可靠性，提高外延片所制造芯片的反向电压。同时形成超晶格结构的其中一层为没有掺杂的纯净GaN，与外延片本身结构的晶格匹配度好，改善层的设置不会造成额外的晶格失配。而且形成超晶格结构的另外一层为SiN层，位于改善层中间的SiN层中Si组分含量低于位于顶部和底部的SiN层中Si组分含量，有利于电流扩展，提高注入有源层的电子数量，提升LED的发光效率。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (7)
1.一种发光二极管的外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，其特征在于，所述外延片还包括改善层，所述改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述改善层设置在所述未掺杂GaN层和所述N型层之间、或者设置在所述N型层和所述有源层之间；
所述改善层包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，所述第一改善子层、所述第二改善子层、所述第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于所述第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一改善子层中、所述第二改善子层中、所述第三改善子层中的SiN层的层数均为三层以上，所述第一改善子层中、所述第二改善子层中、所述第三改善子层中的GaN层的层数均为三层以上。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述改善层的厚度为200埃以上。
4.一种发光二极管的外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、改善层、N型层、有源层、P型层；
其中，所述改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层；
所述改善层包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，所述第一改善子层、所述第二改善子层、所述第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于所述第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述改善层的生长温度为1000℃以上。
6.一种发光二极管的外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、改善层、有源层、P型层；
其中，所述改善层包括交替层叠的SiN层和GaN层；
所述改善层包括依次层叠的第一改善子层、第二改善子层、第三改善子层，所述第一改善子层、所述第二改善子层、所述第三改善子层均包括交替层叠的SiN层和GaN层，所述第一改善子层中的SiN层中Si组分含量高于所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量，所述第二改善子层中的SiN层中Si组分含量低于所述第三改善子层中的SiN层中Si组分含量。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述改善层的生长温度为1000℃以上。
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