CN108198920A - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。外延片包括衬底以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力调控层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，应力调控层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，多个第一子层和多个第二子层的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个第一子层中铟元素的含量相同，各个第二子层中铟元素的含量相同，第二子层中铟元素的含量与第一子层中铟元素的含量不同。本发明可释放晶格失配产生的应力，改善多量子阱层的生长质量，降低有源层的极化效应，有利于电子和空穴在多量子阱层中复合发光，提高发光二极管的发光效率。
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外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是利用半导体的PN结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。外延片是发光二极管制备过程中的初级成品。
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、电子阻挡层和P型氮化镓层。其中，多量子阱层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，量子阱为铟镓氮层，量子垒为氮化镓层。当注入电流时，N型氮化镓层提供的电子和P型氮化镓层提供的空穴注入多量子阱层复合发光。
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：
衬底的材料通常采用蓝宝石或者硅，蓝宝石(或者硅)与氮化镓之间存在较大的晶格失配，晶格失配产生的应力会从外延片的底部累积到多量子阱层，同时晶格失配引入的位错和缺陷也会延伸到多量子阱层，造成多量子阱层的生长质量较差，产生极化效应，造成多量子阱层的电子波函数交叠减弱，影响电子和空穴的复合效率，降低发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术发光二极管的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法。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衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述发光二极管外延片还包括应力调控层，所述应力调控层设置在所述N型氮化镓层和所述多量子阱层之间，所述应力调控层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠设置，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个所述第一子层中铟元素的含量相同，各个所述第二子层中铟元素的含量相同，所述第二子层中铟元素的含量与所述第一子层中铟元素的含量不同。
可选地，所述第一子层中铟元素的含量为0.05～0.1，所述第二子层中铟元素的含量为0.06～0.2。
优选地，各个所述第一子层的厚度相同，各个所述第二子层的厚度相同，所述第二子层和所述第一子层的厚度比为0.5～1.5。
可选地，所述第二子层的数量与所述第一子层的数量相同，所述第一子层的数量为5个～20个。
优选地，所述应力调控层的厚度为20nm～80nm。
可选地，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素还包括镓元素。
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备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力调控层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层；
其中，所述应力调控层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠设置，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个所述第一子层中铟元素的含量相同，各个所述第二子层中铟元素的含量相同，所述第二子层中铟元素的含量与所述第一子层中铟元素的含量不同。
可选地，当所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素均由铟元素、铝元素和氮元素组成时，所述应力调控层的生长温度为600℃～800℃，所述应力调控层的生长压力为150torr～300torr。
可选地，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素还包括镓元素。
优选地，所述应力调控层的生长温度为750℃～900℃，所述应力调控层的生长压力为150torr～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N型氮化镓层和多量子阱层之间插入应力调控层，应力调控层的组成元素包括铟元素和铝元素，是与氮化镓材料不同的异质材料，可以释放由于衬底材料与氮化镓材料之间晶格失配而从外延片的底部累积到N型氮化镓层的应力，阻挡晶格失配产生的位错和缺陷延伸到多量子阱层，改善多量子阱层的生长质量，降低有源层的极化效应，有利于电子和空穴在多量子阱层中复合发光，提高发光二极管的发光效率。而且应力调控层采用两个铟元素的含量不同的子层交替形成的超晶格结构，可以避免插入异质材料产生新的缺陷，为有源层的生长提供较好的晶体基础，提高发光二极管的内量子效率，进而提高发光二极管的发光效率。
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外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的应力调控层的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图4是本发明实施例三提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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，图1为本实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图，参见图1，该发光二极管外延片包括衬底10以及依次层叠在衬底10上的缓冲层20、未掺杂氮化镓层30、N型氮化镓层40、多量子阱层50、电子阻挡层60和P型氮化镓层70。
在本实施例中，如图1所示，该发光二极管外延片还包括应力调控层80，应力调控层80设置在N型氮化镓层40和多量子阱层50之间。图2为本实施例提供的应力调控层的结构示意图，参见图2，应力调控层80包括多个第一子层81和多个第二子层82，多个第一子层81和多个第二子层82交替层叠设置。多个第一子层81和多个第二子层82的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个第一子层81中铟元素的含量相同，各个第二子层82中铟元素的含量相同，第二子层82中铟元素的含量与第一子层81中铟元素的含量不同。
本发明实施例通过在N型氮化镓层和多量子阱层之间插入应力调控层，应力调控层的组成元素包括铟元素和铝元素，是与氮化镓材料不同的异质材料，可以释放由于衬底材料与氮化镓材料之间晶格失配而从外延片的底部累积到N型氮化镓层的应力，阻挡晶格失配产生的位错和缺陷延伸到多量子阱层，改善多量子阱层的生长质量，降低有源层的极化效应，有利于电子和空穴在多量子阱层中复合发光，提高发光二极管的发光效率。而且应力调控层采用两个铟元素的含量不同的子层交替形成的超晶格结构，可以避免插入异质材料产生新的缺陷，为有源层的生长提供较好的晶体基础，提高发光二极管的内量子效率，进而提高发光二极管的发光效率。
可选地，第一子层81中铟元素的含量可以为0.05～0.1，第二子层82中铟元素的含量可以为0.06～0.2。若应力调控层中铟元素的含量小于0.05，则可能起不到释放应力的效果；若应力调控层中铟元素的含量大于0.2，则可能导致新的缺陷产生，影响多量子层的生长质量。
优选地，各个第一子层81的厚度相同，各个第二子层82的厚度相同，第二子层82和第一子层81的厚度比可以为0.5～1.5。若第一子层和第二子层的厚度相差太大，则可能由于不匹配而产生新的缺陷。
可选地，第二子层82的数量与第一子层81的数量相同，第一子层81的数量可以为5个～20个。若应力调控层中超晶格结构的周期数小于5个，则无法形成超晶格结构，应力释放的效果较差；若应力调控层中超晶格结构的周期数大于20个，则可能应力释放的效果提升很少，反而增加工艺步骤，造成材料的浪费，实现成本高。
优选地，应力调控层的厚度可以为20nm～80nm。若应力调控层的厚度小于20nm，则可能起不到释放应力的效果；若应力调控层的厚度大于80nm，则可能应力释放的效果提升很少，反而增加工艺步骤，造成材料的浪费，实现成本高。
在本实施例的一种实现方式中，多个第一子层81和多个第二子层82的组成元素均由铟元素、铝元素和氮元素组成，即各个第一子层和各个第二子层均为铟铝氮(InAlN)层，可有效改善晶格失配和极化产生的晶格缺陷。
在上述实现方式中，可选地，第一子层81中铟组分的含量可以为0.05～0.1，厚度可以为2nm～10nm；第二子层82中铟组分的含量可以为0.1～0.2，厚度可以为2nm～10nm。
在本实施例的另一种实现方式中，多个第一子层81和多个第二子层82的组成元素还可以包括镓元素，此时多个第一子层81和多个第二子层82的组成元素均由铟元素、铝元素、镓元素和氮元素组成，即各个第一子层和各个第二子层均为铟铝镓氮(InAlGaN)层。通过加入镓元素，便于第一子层和第二子层的生长。
在上述实现方式中，可选地，第一子层81中铟组分的含量可以为0.02～0.08，厚度可以为5nm～20nm；第二子层82中铟组分的含量可以为0.05～0.15，厚度可以为5nm～20nm。
具体地，衬底10可以为蓝宝石衬底或者硅衬底，缓冲层20可以为氮化铝层或者氮化镓层；多量子阱层50可以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，量子阱可以为铟镓氮层，量子垒可以为氮化镓层或者铝镓氮层；电子阻挡层60可以为P型掺杂的铝镓氮层，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。
更具体地，缓冲层20的厚度可以为15nm～35nm。未掺杂氮化镓层30的厚度可以为0.1μm～2μm。N型氮化镓层40的厚度可以为1μm～5μm，N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3。量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，量子垒的厚度可以为9nm～20nm；量子垒的数量与量子阱的数量相同，量子阱的数量可以为5个～15个。电子阻挡层60的厚度可以为50nm～150nm。P型氮化镓层70的厚度可以为100nm～200nm。
可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还包括P型接触层90，P型接触层90设置在P型氮化镓层70上。
具体地，P型接触层的厚度可以为5nm～300nm。
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备方法，适用于制备实施例一提供的发光二极管外延片。图3为本实施例提供的制备方法的流程图，参见图3，该制备方法包括：
步骤101：提供一衬底。
步骤102：在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力调控层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。
在本实施例中，应力调控层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，多个第一子层和多个第二子层的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个第一子层中铟元素的含量相同，各个第二子层中铟元素的含量相同，第二子层中铟元素的含量与第一子层中铟元素的含量不同。
在本实施例的一种实现方式中，当多个第一子层和多个第二子层的组成元素均由铟元素、铝元素和氮元素组成时，应力调控层的生长温度可以为600℃～800℃，应力调控层的生长压力可以为150torr～300torr。
在本实施例的另一种实现方式中，多个第一子层和多个第二子层的组成元素还可以包括镓元素，此时多个第一子层和多个第二子层的组成元素均由铟元素、铝元素、镓元素和氮元素组成。
在上述实现方式中，应力调控层的生长温度可以为750℃～900℃，应力调控层的生长压力可以为150torr～300torr。
具体地，缓冲层的生长温度可以为400℃～600℃，生长压力可以为400torr～600torr。未掺杂氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1100℃，生长压力可以为100torr～500torr。N型氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为100torr～500torr。量子阱的生长温度可以为720℃～829℃，生长压力可以为100torr～500torr；量子垒的生长温度可以为850℃～959℃，生长压力可以为100torr～500torr。电子阻挡层的生长温度可以为850℃～1080℃，生长压力可以为200torr～500torr。P型氮化镓层的生长温度可以为750℃～1080℃，生长压力可以为200torr～500torr。
可选地，在生长缓冲层之前，该制备方法还可以包括：控制温度为1000℃～1200℃，将衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理，以清洁衬底的表面。进一步地，衬底采用[0001]晶向蓝宝石。
可选地，在生长缓冲层之后，该制备方法还可以包括：控制温度为1000℃～1200℃，压力为400Torr～600Torr，持续时间为5分钟～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
可选地，该发光二极管外延片还包括P型接触层，P型接触层设置在P型氮化镓层上。相应地，P型接触层的生长温度可以为850℃～1050℃，生长压力可以为100torr～300torr。
进一步地，在生长P型接触层之后，该制备方法还可以包括：控制温度为650℃～850℃，持续时间为5分钟～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
需要说明的是，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。实现时以三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，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。
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备方法，本实施例提供的制备方法是实施例二提供的制备方法的一种具体实现。图4为本实施例提供的制备方法的流程图，参见图4，该制备方法包括：
步骤200：控制温度为1100℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。
步骤201：控制温度为500℃，压力为500Torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的氮化镓层，形成缓冲层。
步骤202：控制温度为1100℃，压力为500Torr，持续时间为7.5分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤203：控制温度为1050℃，压力为300Torr，在缓冲层上生长厚度为1μm的未掺杂氮化镓层。
步骤204：控制温度为1100℃，压力为300Torr，在未掺杂氮化镓层上生长厚度为3μm、掺杂浓度为5*1018cm-3的N型氮化镓层。
步骤205：在N型氮化镓层上生长应力调控层。
在本实施例中，应力调控层包括12个第一子层和12个第二子层，12个第一子层和12个第二子层交替层叠设置，12个第一子层和12个第二子层均为铟铝氮层；第一子层中铟元素的含量为0.08，厚度为5nm，生长温度为700℃，生长压力为225℃；第二子层中铟元素的含量为0.15，厚度为5nm，生长温度为700℃，生长压力为225℃。
步骤206：控制压力为300Torr，在应力调控层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括10个量子阱和10个量子垒，10个量子阱和10个量子垒交替层叠设置；量子阱为铟镓氮层，厚度为3nm，生长温度为775℃；量子垒层为氮化镓层，厚度为15nm，生长温度为905℃。
步骤207：控制温度为965℃，压力为350Torr，在多量子阱层上生长厚度为100nm的P型铝镓氮层，形成电子阻挡层。
步骤208：控制温度为915℃，压力为350Torr，在电子阻挡层上生长厚度为150nm的P型氮化镓层。
步骤209：控制温度为950℃，压力为200Torr，继续生长厚度为150nm的P型接触层。
步骤210：控制温度为750℃，持续时间为7.5分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
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备方法，本实施例提供的制备方法是实施例二提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例三提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，应力调控层包括12个第一子层和12个第二子层，12个第一子层和12个第二子层交替层叠设置，12个第一子层和12个第二子层均为铟铝镓氮层；第一子层中铟元素的含量为0.05，厚度为12nm，生长温度为825℃，生长压力为225℃；第二子层中铟元素的含量为0.1，厚度为12nm，生长温度为825℃，生长压力为225℃。
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衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括应力调控层，所述应力调控层设置在所述N型氮化镓层和所述多量子阱层之间，所述应力调控层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠设置，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个所述第一子层中铟元素的含量相同，各个所述第二子层中铟元素的含量相同，所述第二子层中铟元素的含量与所述第一子层中铟元素的含量不同。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中铟元素的含量为0.05～0.1，所述第二子层中铟元素的含量为0.06～0.2。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述第一子层的厚度相同，各个所述第二子层的厚度相同，所述第二子层和所述第一子层的厚度比为0.5～1.5。
4.根据权利1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层的数量与所述第一子层的数量相同，所述第一子层的数量为5个～20个。
5.根据权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述应力调控层的厚度为20nm～80nm。
6.根据权利1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素还包括镓元素。
7.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、应力调控层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层；
其中，所述应力调控层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠设置，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素均包括铟元素、铝元素和氮元素，各个所述第一子层中铟元素的含量相同，各个所述第二子层中铟元素的含量相同，所述第二子层中铟元素的含量与所述第一子层中铟元素的含量不同。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素均由铟元素、铝元素和氮元素组成时，所述应力调控层的生长温度为600℃～800℃，所述应力调控层的生长压力为150torr～300torr。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述多个第一子层和所述多个第二子层的组成元素还包括镓元素。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述应力调控层的生长温度为750℃～900℃，所述应力调控层的生长压力为150torr～300torr。
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