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CN107195737B - 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蓝宝石衬底、缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层和改善层，改善层插入在N型氮化镓层中，改善层包括依次层叠的多个子层，每个子层包括依次层叠的AlxGa1‑xN层、SiN层和InyGa1‑yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。本发明通过在N型氮化镓层中插入AlxGa1‑xN层、SiN层和InyGa1‑yN层组成的超晶格结构，插入的超晶格结构能够有效抑制蓝宝石衬底与氮化镓材料之间晶格失配产生的缺陷延伸至多量子阱层，降低位错密度，释放应力，改善外延片的晶体质量，提高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
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，具有体积小、使用寿命长、能耗低的特点，广泛应用于指示灯、显示屏、照明等技术领域。芯片是LED最重要的组成部分，外延片是芯片制造的原材料。
现有的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、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层。
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：
蓝宝石衬底与氮化镓材料之间存在晶格失配，未掺杂氮化镓层等在蓝宝石衬底上形成时会产生大量的应力和缺陷，导致外延片的晶体质量较差，影响LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术影响多量子阱层发光波长的均匀性的问题，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。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、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述发光二极管外延片还包括改善层，所述改善层插入在所述N型氮化镓层中，所述改善层包括依次层叠的多个子层，每个所述子层包括依次层叠的AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。
可选地，所述SiN层中Si的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向保持不变，且所述SiN层中Si的掺杂浓度小于所述N型氮化镓层中N型掺杂剂的掺杂浓度。
可选地，所述AlxGa1-xN层中掺有Si，所述AlxGa1-xN层中Si的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐增多，且所述AlxGa1-xN层中Si的掺杂浓度的最大值等于所述SiN层中Si的掺杂浓度。
可选地，所述InyGa1-yN层中掺有Si，所述InyGa1-yN层中Si的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少，且所述InyGa1-yN层中Si的掺杂浓度的最大值等于所述SiN层中Si的掺杂浓度。
可选地，所述子层的数量为10个～30个。
可选地，所述改善层的厚度为20nm～50nm。
另一方面，本发明实施例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缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述N型氮化镓层中插入有改善层，所述改善层包括依次层叠的多个子层，每个所述子层包括依次层叠的AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。
可选地，所述改善层的生长温度为1000℃～1200℃。
可选地，所述改善层的生长压力为50torr～760torr。
可选地，所述改善层的Ⅴ/Ⅲ比为300～3000。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在N型氮化镓层中插入AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层组成的超晶格结构，0＜x≤1，0＜y≤1，插入的超晶格结构能够有效抑制蓝宝石衬底与氮化镓材料之间晶格失配产生的缺陷延伸至多量子阱层，降低位错密度，释放应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。同时AlxGa1-xN层的势垒较高，InyGa1-yN层的势垒较低，两者形成的势垒差有利于电子沿层叠方向移动，增强电流的纵向扩展能力，减少反向漏电，提高LED的抗静电能力。
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是本发明实施例一提供的改善层中Si的掺杂浓度变化情况的示意图；
图4a和图4b是本发明实施例一提供的Si的掺杂浓度变化方式的示意图；
图5是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图；
图6是本发明实施例三提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，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1上的缓冲层2、成核层3、未掺杂氮化镓层4、N型氮化镓层5、多量子阱层6和P型氮化镓层7。
在本实施例中，如图1所示，该外延片还包括改善层100，改善层100插入在N型氮化镓层5中，参见图2，改善层100包括依次层叠的多个子层110，每个子层110包括依次层叠的AlxGa1-xN层111、SiN层112和InyGa1-yN层113，0＜x≤1，0＜y≤1。
本发明实施例通过在N型氮化镓层中插入AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层组成的超晶格结构，0＜x≤1，0＜y≤1，插入的超晶格结构能够有效抑制蓝宝石衬底与氮化镓材料之间晶格失配产生的缺陷延伸至多量子阱层，降低位错密度，释放应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。同时AlxGa1-xN层的势垒较高，InyGa1-yN层的势垒较低，两者形成的势垒差有利于电子沿层叠方向移动，增强电流的纵向扩展能力，减少反向漏电，提高LED的抗静电能力。
具体地，SiN层中Si组分的含量保持不变，且SiN层中Si组分的含量小于N型氮化镓层中N型掺杂剂的含量。当外加电场时，有利于电子的扩散，使更多的电子进入多量子阱层进行复合发光，最终提高LED的光效。
可选地，参见图3，AlxGa1-xN层中掺有Si，AlxGa1-xN层中Si组分的含量可以沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐增多，且AlxGa1-xN层中Si组分的含量的最大值等于SiN层中Si组分的含量。利用Si组分的含量的逐渐变化，缓解相邻量两层之间的差异；同时掺Si也有利于增强电流的纵向扩展能力，提高LED的抗静电能力。
具体地，AlxGa1-xN层中Si组分的含量可以沿发光二极管外延片的层叠方向线性增多(如图4a所示)，也可以沿发光二极管外延片的层叠方向以设定的增减量增多(如图4b所示)。
可选地，参见图3，InyGa1-yN层中掺有Si，InyGa1-yN层中Si组分的含量可以沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少，且InyGa1-yN层中Si组分的含量的最大值等于SiN层中Si组分的含量。利用Si组分的含量的逐渐变化，缓解相邻量两层之间的差异；同时掺Si也有利于增强电流的纵向扩展能力，提高LED的抗静电能力。
具体地，InyGa1-yN层中Si组分的含量可以沿发光二极管外延片的层叠方向线性减少，也可以沿发光二极管外延片的层叠方向以设定的增减量减少。
可选地，子层的数量可以为10个～30个。若子层的数量少于10个，则达不到抑制缺陷延伸的效果；若子层的数量多于30个，则会造成材料的浪费。
可选地，改善层的厚度可以为20nm～50nm。若改善层的厚度小于20nm，则达不到抑制缺陷的效果；若改善层的厚度大于50nm，则会造成材料的浪费。
具体地，缓冲层可以为二维生长的氮化镓层，厚度为15nm～30nm。成核层可以为三维生长的氮化镓层，厚度为200nm～500nm。未掺杂氮化镓层可以为二维生长的氮化镓层，厚度为50nm～500nm。N型氮化镓层为掺杂硅的氮化镓层，厚度为2μm～4μm，硅的掺杂浓度为1018cm-3～1019cm-3。多量子阱层可以包括交替层叠的多个量子阱层和多个量子垒层，量子阱层为铟镓氮层，量子垒层为氮化镓层；多量子阱层的厚度为400nm～500nm。P型氮化镓层为掺杂镁的氮化镓层，厚度为50nm～800nm。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，适用于制造实施例一提供的外延片，参见图5，该制造方法包括：
步骤101：提供一衬底。
步骤102：在衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，N型氮化镓层中插入有改善层，改善层包括依次层叠的多个子层，每个子层包括依次层叠的AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。
本发明实施例通过在N型氮化镓层中插入AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层组成的超晶格结构，0＜x≤1，0＜y≤1，插入的超晶格结构能够有效抑制蓝宝石衬底与氮化镓材料之间晶格失配产生的缺陷延伸至多量子阱层，降低位错密度，释放应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。同时AlxGa1-xN层的势垒较高，InyGa1-yN层的势垒较低，两者形成的势垒差有利于电子沿层叠方向移动，增强电流的纵向扩展能力，减少反向漏电，提高LED的抗静电能力。
可选地，改善层的生长温度可以为1000℃～1200℃。若改善层的生长温度低于1000℃，则改善层的生长质量较差，无法有效改善外延片的晶体质量；若改善层的生长温度高于1200℃，则会破坏N型氮化镓层的结构。
可选地，改善层的生长压力可以为50torr～760torr，压力生长范围很广，对工艺的要求较低，实现容易。
可选地，改善层的Ⅴ/Ⅲ比可以为300～3000。其中，Ⅴ/Ⅲ比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。具体地，AlxGa1-xN层的Ⅴ/Ⅲ比为N原子与Al原子和Ga原子的摩尔比，SiN层的Ⅴ/Ⅲ比为N原子与Si原子的摩尔比，InyGa1-yN层的Ⅴ/Ⅲ比为N原子与In原子和Ga原子的摩尔比。
具体地，缓冲层的生长温度可以为500℃～650℃，生长压力可以为300torr～760torr，Ⅴ/Ⅲ比可以为500～3000。成核层的生长温度可以为1000℃～1100℃，生长压力可以为400torr～600torr，Ⅴ/Ⅲ比可以为300～1000。未掺杂氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为30torr～500torr，Ⅴ/Ⅲ比可以为300～3000。N型氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为50torr～760torr，Ⅴ/Ⅲ比可以为300～3000。多量子阱层的生长温度可以为720℃～820℃，生长压力可以为200torr～400torr，Ⅴ/Ⅲ比可以为300～5000。P型氮化镓层的生长温度可以为850℃～1050℃，生长压力可以为100torr～760torr，Ⅴ/Ⅲ比可以为1000～20000。
需要说明的是，在外延生长结束之后，先将反应腔的温度控制在650℃～850℃之间，在纯氮气氛围下进行5分钟～15分钟的退火处理，再将反应腔的温度降至室温。随后，将外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成单颗尺寸大小为10mil*16mil的芯片。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例提供的制造方法是实施例二提供的制造方法的一种具体实现。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6，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：控制生长温度为575℃，生长压力为530torr，V/III比为1750，在蓝宝石衬底上生长厚度为22nm的缓冲层。
步骤203：控制生长温度为1050℃，生长压力为500torr，V/III比为650，在缓冲层上生长厚度为350nm的成核层。
步骤204：控制生长温度为1100℃，生长压力为265torr，V/III比为1650，在成核层上生长厚度为275nm的未掺杂氮化镓层。
步骤205：控制生长温度为1100℃，生长压力为530torr，Ⅴ/Ⅲ比为1650，在未掺杂氮化镓层上生长厚度为3.5μm的N型氮化镓层，并在N型氮化镓层的生长过程中，控制生长温度为1100℃，生长压力为405torr，Ⅴ/Ⅲ比为1650，插入生长厚度为25nm的改善层，改善层包括20个子层，每个子层包括依次层叠的AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。
在本实施例中，SiN层中Si的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向保持不变，且SiN层中Si的掺杂浓度小于N型氮化镓层中N型掺杂剂的掺杂浓度；AlxGa1-xN层中掺有Si，AlxGa1-xN层中Si的掺杂浓度可以沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐增多；InyGa1-yN层中掺有Si，InyGa1-yN层中Si的掺杂浓度可以沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少。
步骤206：控制生长温度为770℃，生长压力为300torr，Ⅴ/Ⅲ比为2650，在N型氮化镓层上生长厚度为450nm的多量子阱层。
步骤207：控制生长温度为950℃，生长压力为430torr，V/III比为10500，在多量子阱层上生长厚度为425nm的P型氮化镓层。
实验发现，本实施例制造的外延片与没有改善层的外延片相比，外延片的发光效率提高了12％。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例提供的制造方法与实施例三提供的制造方法基本相同，不同之处在于步骤205中改善层的厚度变为20nm。
实验发现，本实施例制造的外延片与没有改善层的外延片相比，外延片的发光效率提高了7％。
实施例五
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例提供的制造方法与实施例三提供的制造方法基本相同，不同之处在于步骤205中改善层的厚度变为40nm。
实验发现，本实施例制造的外延片与没有改善层的外延片相比，外延片的发光效率提高了10％。
实施例六
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，本实施例提供的制造方法与实施例三提供的制造方法基本相同，不同之处在于步骤205中改善层的厚度变为50nm。
实验发现，本实施例制造的外延片与没有改善层的外延片相比，外延片的发光效率提高了5％。
对比实施例三至实施例六可以发现，改善层的厚度为25nm～40nm时外延片的发光效率提高效果较好。
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 (10)

1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管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、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括改善层，所述改善层插入在所述N型氮化镓层中，所述改善层包括依次层叠的多个子层，每个所述子层包括依次层叠的AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。
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SiN层中Si组分的含量保持不变，且所述SiN层中Si组分的含量小于所述N型氮化镓层中N型掺杂剂的含量。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlxGa1-xN层中掺有Si，所述AlxGa1-xN层中Si组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐增多，且所述AlxGa1-xN层中Si组分的含量的最大值等于所述SiN层中Si组分的含量。
4.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InyGa1-yN层中掺有Si，所述InyGa1-yN层中Si组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少，且所述InyGa1-yN层中Si组分的含量的最大值等于所述SiN层中Si组分的含量。
5.根据权利要求1～4任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述子层的数量为10个～30个。
6.根据权利要求1～4任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述改善层的厚度为20nm～50nm。
7.一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缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述N型氮化镓层中插入有改善层，所述改善层包括依次层叠的多个子层，每个所述子层包括依次层叠的AlxGa1-xN层、SiN层和InyGa1-yN层，0＜x≤1，0＜y≤1。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述改善层的生长温度为1000℃～1200℃。
9.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述改善层的生长压力为50torr～760torr。
10.根据权利要求7或8所述的制造方法，其特征在于，所述改善层的Ⅴ/Ⅲ比为300～3000，Ⅴ/Ⅲ比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。
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