CN109545926A - 一种发光二极管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衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、3D成核层、缓冲恢复层、N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层；发光二极管外延片还包括设置在缓冲恢复层和N型层之间的插入层，插入层为AlN层。一方面，在GaN缓冲恢复层后插入一层AlN层，可以释放GaN缓冲恢复层内累积的压应力，提高GaN外延层的晶体质量。另一方面，AlN层可以使位错发生合并、转向或者使位错终止，阻挡底层缺陷向后延伸，提升多量子阱层的晶体质量，从而提升LED的内量子发光效率。
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造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、3D成核层、缓冲恢复层、N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。其中，3D成核层通常在低温环境下生长而成，以实现其三维生长。
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：
由于GaN基LED外延片多采用蓝宝石衬底，蓝宝石衬底与GaN外延层之间存在较大的晶格适配和热失配，使得蓝宝石衬底与GaN外延层之间产生压应力，且随着GaN外延层的厚度增加，该压应力也会不断累积，导致生长出的GaN外延层的晶体质量差。同时3D成核层的生长温度较低，因此在3D成核层表面会产生大量的线缺陷以及螺旋位错，造成缓冲恢复层中存在大量缺陷，使电向缺陷处聚集，影响LED的发光效率。
发明内容
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，可以减小GaN外延层中的压应力，阻挡底层缺陷向上延伸，提高LED的发光效率。所述技术方案如下：
一方面，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、3D成核层、缓冲恢复层、N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，
所述发光二极管外延片还包括插入层，所述插入层设置在所述缓冲恢复层和所述N型层之间，所述插入层为AlN层，所述缓冲恢复层为GaN层。
进一步地，所述插入层的厚度为10～30nm。
进一步地，所述插入层的厚度为20nm。
另一方面，本发明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、3D成核层、缓冲恢复层；
在所述缓冲恢复层上生长插入层，所述插入层为AlN层；
在所述插入层上依次生长N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。
进一步地，所述插入层的厚度为10～30nm。
进一步地，所述插入层的厚度为20nm。
进一步地，所述插入层的生长温度为1000～1100℃。
进一步地，所述插入层的生长温度为1080℃。
进一步地，所述插入层的生长压力为50～200torr。
进一步地，所述插入层的生长压力为100torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在缓冲恢复层后插入一层AlN层，一方面，由于AlN的晶格常数小于GaN材料，因此，在GaN缓冲恢复层后插入一层AlN层，可以释放GaN缓冲恢复层内累积的压应力，提高GaN外延层的晶体质量。另一方面，AlN层可以使位错发生合并、转向或者使位错终止，阻挡底层缺陷向后延伸，从而可以提升多量子阱层的晶体质量。多量子阱层的晶体质量更好，则有利于多量子阱层中富In发光中心的形成，更多的电子被俘获在多量子阱层中与空穴辐射复合发光，提高了LED的内量子发光效率。且AlN插入层还可以阻挡电子向3D成核层和缓冲恢复层扩散，减少电子溢流，进一步提高了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是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、3D成核层3、缓冲恢复层4、N型层6、多量子阱层7、低温P型层8、电子阻挡层9、高温P型层10和P型接触层11。
发光二极管外延片还包括插入层5，插入层5设置在缓冲恢复层4和N型层6之间，插入层5为AlN层，缓冲恢复层4为GaN层。
本发明实施例通过在缓冲恢复层后插入一层AlN层，一方面，由于AlN的晶格常数小于GaN材料，因此，在GaN缓冲恢复层后插入一层AlN层，可以释放GaN缓冲恢复层内累积的压应力，提高GaN外延层的晶体质量。另一方面，AlN层可以使位错发生合并、转向或者使位错终止，阻挡底层缺陷向后延伸，从而可以提升多量子阱层的晶体质量。多量子阱层的晶体质量更好，则有利于多量子阱层中富In发光中心的形成，更多的电子被俘获在多量子阱层中与空穴辐射复合发光，提高了LED的内量子发光效率。且AlN插入层还可以阻挡电子向3D成核层和缓冲恢复层扩散，减少电子溢流，进一步提高了LED的发光效率。
进一步地，插入层5的厚度为10～30nm。若插入层5的厚度小于10nm，则起不到提高LED的发光效率的作用。若插入层5的厚度大于30nm，则会造成材料的浪费。
优选地，插入层5的厚度为20nm。此时即可起到提高LED的发光效率的作用，又不会造成材料的浪费。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以为AlN缓冲层，厚度为15～50nm。
可选地，3D成核层3的厚度为0.5～2um。
可选地，缓冲恢复层4的厚度为0.5～1um。
可选地，N型层6可以为掺Si的GaN层，厚度为1～5um。
可选地，多量子阱层7为n个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括InGaN量子阱层和生长在InGaN量子阱层上的GaN量子垒层，5≤n≤11。其中，InGaN量子阱层的厚度可以为2～3nm，GaN量子垒层的厚度可以为10～20nm。
可选地，低温P型层8是重掺杂Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度大于或等于1×1020cm-3。
可选地，电子阻挡层9可以掺Mg的AlGaN层，Mg的掺杂浓度小于
1×1018cm-3，厚度为20～30nm。
可选地，高温P型层10可以为掺杂Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度1×1017～1×1018cm-3，厚度为10～30nm。
可选地，P型接触层11可以为重掺Mg的GaN层，厚度为20～30nm。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一衬底。
在本实施例中，衬底可以采用(0001)晶向的Al2O3蓝宝石衬底。
步骤202、在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，缓冲层为AlN缓冲层。
具体地，可以采用PVD(Physical Vapor Deposition，物理气象沉积)设备在衬底上沉积厚度约为15～50nm的AlN缓冲层。控制PVD设备反应室中的压力为1～10mtorr，温度为400～700℃，溅射功率为3000～5000W。
进一步地，步骤202还可以包括：
将沉积有AlN缓冲层的衬底进行退火处理，退火温度为1000～1200℃，压力为200～500torr，退火时间为5～10min。
具体地，可以在MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备中进行退火处理。本发明采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。
步骤203、在缓冲层上生长3D成核层。
在本实施例中，3D成核层为GaN层。
具体地，将反应室温度控制在1010～1060℃，压力控制在300～500torr，生长厚度为0.5～2um的3D成核层。
步骤204、在3D成核层上生长缓冲恢复层。
在本实施例中，缓冲恢复层为GaN层。
具体地，控制反应室温度为1000～1100℃，压力为100～300torr，生长厚度为0.5～1um的缓冲恢复层。
步骤205、在缓冲恢复层上生长插入层。
在本实施例中，插入层为AlN层。
进一步地，插入层的厚度为10～30nm。若插入层的厚度小于10nm，则起不到提高LED的发光效率的作用。若插入层的厚度大于30nm，则会造成材料的浪费。
优选地，插入层的厚度为20nm。此时即可起到提高LED的发光效率的作用，又不会造成材料的浪费。
进一步地，插入层的生长温度为1000～1100℃。将插入层的温度设置为与缓冲恢复层温度相同，则在生长完缓冲恢复层后无需调节反应室温度，即可继续生长插入层温度，提高了生长速度。
优选地，插入层的生长温度为1080℃。此时，生长出的插入层的晶体质量最好，可以有效的阻挡底层缺陷向上延伸。
进一步地，插入层的生长压力为50～200torr。若插入层的生长压力小于50torr，则MOCVD系统中的压力较难控制。若插入层的生长压力大于200torr，则AlN层在MOCVD系统中生长时，Al原子与N原子预反应强烈，AlN层很难沉积到外延片上，使得AlN层以杂质的形式存在，从而严重影响生长在AlN层上的外延层晶体质量。
优选地，插入层的生长压力为100torr。此时即可保证MOCVD系统中的压力控制方便，且不会影响生长在AlN层上的外延层晶体质量。
步骤206、在插入层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层，N型层中掺杂Si的浓度为1×1018～1×1019cm-3。
具体地，将反应室温度控制在1000～1200℃，压力控制在100～500torr，生长厚度为1～5um的N型层。
步骤207、在N型层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层为n个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括InGaN量子阱层和生长在InGaN量子阱层上的GaN量子垒层，5≤n≤11。
具体地，步骤207可以包括：
将反应室温度控制在720～820℃，压力控制在100～300torr，生长厚度为2～3nm的InGaN量子阱层。
将反应室温度控制在850～950℃，压力控制在100～300torr，生长厚度为10～20nm的GaN量子垒层。
步骤208、在多量子阱层上生长低温P型层。
在本实施例中，低温P型层是重掺杂Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度大于或等于1×1020cm-3。
具体地，将反应室温度控制在700～800℃，压力控制在100～600torr，生长厚度为10～30nm的低温P型层。
步骤209、在低温P型层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺Mg的AlGaN层，Mg的掺杂浓度小于1×1018cm-3。
具体地，将反应室温度控制在900～1000℃，压力控制在100～300torr，生长厚度为20～30nm的电子阻挡层。
步骤210、在电子阻挡层上生长高温P型层。
在本实施例中，高温P型层为掺杂Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度1×1017～1×1018cm-3。
具体地，将反应室温度控制在900～980℃，压力控制在300～600torr，生长厚度为10～30nm的高温P型层。
步骤211、在高温P型层上生长P型接触层。
在本实施例中，P型接触层可以为重掺Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在850～950℃，压力控制在100～600torr，生长厚度为20～30nm的P型接触层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至650～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
本发明实施例通过在缓冲恢复层后插入一层AlN层，一方面，由于AlN的晶格常数小于GaN材料，因此，在GaN缓冲恢复层后插入一层AlN层，可以释放GaN缓冲恢复层内累积的压应力，提高GaN外延层的晶体质量。另一方面，AlN层可以使位错发生合并、转向或者使位错终止，阻挡底层缺陷向后延伸，从而可以提升多量子阱层的晶体质量。多量子阱层的晶体质量更好，则有利于多量子阱层中富In发光中心的形成，更多的电子被俘获在多量子阱层中与空穴辐射复合发光，提高了LED的内量子发光效率。且AlN插入层还可以阻挡电子向3D成核层和缓冲恢复层扩散，减少电子溢流，进一步提高了LED的发光效率。
以上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、3D成核层、缓冲恢复层、N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，其特征在于，
所述发光二极管外延片还包括插入层，所述插入层设置在所述缓冲恢复层和所述N型层之间，所述插入层为AlN层，所述缓冲恢复层为GaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述插入层的厚度为10～30nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述插入层的厚度为20nm。
4.一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、3D成核层、缓冲恢复层；
在所述缓冲恢复层上生长插入层，所述插入层为AlN层；
在所述插入层上依次生长N型层、多量子阱层、低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述插入层的厚度为10～30nm。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述插入层的厚度为20nm。
7.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述插入层的生长温度为1000～1100℃。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述插入层的生长温度为1080℃。
9.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述插入层的生长压力为50～200torr。
10.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述插入层的生长压力为100torr。
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