CN109768136A - 一种发光二极管外延片及其生长方法 - 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生长方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、有源层、低温P型层、电子阻挡层和P型半导体层，所述N型半导体层、所述有源层、所述低温P型层、所述电子阻挡层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述发光二极管外延片还包括依次层叠的第一插入层和第二插入层，所述第一插入层和所述第二插入层设置在所述有源层和所述低温P型层之间；所述第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，所述第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。本发明通过在有源层和低温P型层之间依次设置未掺杂的氮化铝层和P型掺杂的氮化铟镓层，最终提高发光二极管的发光效率和光效。
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生长方法。
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。氮化镓(GaN)基材料具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，广泛应用于各种波段的发光二极管。
发光二极管的核心组件是芯片，芯片包括外延片和设于外延片上的电极。现有的GaN基发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层，有源层包括交替层叠的多个量子阱和多个量子垒。量子垒用于将电子和空穴限制在量子阱中，量子阱用于进行电子和空穴的复合发光，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，衬底用于为外延材料提供生长表面。
N型半导体提供的电子数量远大于P型半导体层提供的空穴数量，加上电子的体积远小于空穴的体积，导致注入有源层中的电子数量远大于空穴数量。为了避免N型半导体层提供的电子迁移到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，通常会在有源层和P型半导体层之间设置电子阻挡层，阻挡电子从有源层跃迁到P型半导体层。
电子阻挡层的材料通常选择氮化铝镓(AlGaN)，由于氮化铝镓需要在较高的生长温度下生成，因此电子阻挡层的生长温度通常较高。而量子阱的材料通常选择氮化铟镓(InGaN)，高温会造成铟原子从氮化铟镓中解析。所以如果电子阻挡层直接设置在有源层上，则电子阻挡层较高的生长温度会造成量子阱中的铟原子解析，进而影响量子阱中电子和空穴的复合效率，降低外延片的内量子效率，最终降低发光二极管的发光效率。为了减小电子阻挡层较高的生长温度对量子阱的影响，还会在有源层和电子阻挡层之间设置低温P型层，低温P型层的生长温度较低，可以对量子阱进行保护，避免电子阻挡层较高的生长温度影响到有源层。
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：
低温P型层和电子阻挡层的设置都会造成P型半导体层提供的空穴注入有源层所经过的路程变长。由于空穴的迁移能力较差，移动起来需要较高的能量，因此低温P型层和电子阻挡层的设置对P型半导体层提供的空穴注入有源层的影响较大，会减少P型半导体层注入有源层的空穴数量，降低量子阱中电子和空穴的复合效率，同时升高发光二极管的正向工作电压。
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生长方法，能够解决现有技术降低电子和和空穴的复合效率，升高发光二极管的正向工作电压的问题。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、N型半导体层、有源层、低温P型层、电子阻挡层和P型半导体层，所述N型半导体层、所述有源层、所述低温P型层、所述电子阻挡层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述发光二极管外延片还包括依次层叠的第一插入层和第二插入层，所述第一插入层和所述第二插入层设置在所述有源层和所述低温P型层之间；所述第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，所述第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
可选地，所述有源层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的量子阱和量子垒；所述量子阱的材料采用未掺杂的氮化铟镓，所述第二插入层中铟组分的含量小于所述量子阱中铟组分的含量。
优选地，所述第二插入层的材料采用掺Mg的InxGa1-xN，0.2＜x＜0.3。
进一步地，所述第二插入层的厚度为4nm～8nm。
更进一步地，所述第一插入层的厚度为所述第二插入层的厚度的1/3～2/3。
可选地，所述第二插入层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1019/cm3～8*1019/cm3。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型半导体层、有源层、第一插入层、第二插入层、低温P型层、电子阻挡层和P型半导体层；
其中，所述第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，所述第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
可选地，所述有源层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的量子阱和量子垒；所述第二插入层的生长温度高于所述量子阱的生长温度。
优选地，所述第二插入层的生长温度比所述量子阱的生长温度高10℃～20℃。
可选地，所述第一插入层采用物理气相沉积技术形成。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在有源层和低温P型层之间依次设置第一插入层和第二插入层，第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，势垒很高，同时第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓，势垒很低。将第一插入层和第二插入层搭配，利用两者之间的势垒差异，可以形成“空穴水库”，暂时存储多余的空穴，为有源层源源不断地输入送空穴，缩短空穴的传输距离，促进空穴的纵向传输，改善空穴迁移率低的问题，增加有源层中注入的空穴数量，提高电子和空穴的复合效率，降低发光二极管的正向工作电压。而且第二插入层和低温P型层中均掺杂有P型掺杂剂，可以很方便地为“空穴水库”提供空穴，有效增加空穴的数量，有利于提高发光二极管的内量子效率，最终提高发光二极管的发光效率和光效。
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有源层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的发光二极管外延片中部分层势垒高度的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。
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。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片。图1为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。参见图1，该发光二极管外延片包括衬底10、N型半导体层20、有源层30、第一插入层40、第二插入层50、低温P型层60、电子阻挡层70和P型半导体层80，N型半导体层20、有源层30、第一插入层40、第二插入层50、低温P型层60、电子阻挡层70和P型半导体层80依次层叠在衬底10上。
在本实施例中，第一插入层40的材料采用未掺杂的氮化铝，第二插入层50的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
本发明实施例通过在有源层和低温P型层之间依次设置第一插入层和第二插入层，第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，势垒很高，同时第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓，势垒很低。将第一插入层和第二插入层搭配，利用两者之间的势垒差异，可以形成“空穴水库”，暂时存储多余的空穴，为有源层源源不断地输入送空穴，缩短空穴的传输距离，促进空穴的纵向传输，改善空穴迁移率低的问题，增加有源层中注入的空穴数量，提高电子和空穴的复合效率，降低发光二极管的正向工作电压。而且第二插入层和低温P型层中均掺杂有P型掺杂剂，可以很方便地为“空穴水库”提供空穴，有效增加空穴的数量，有利于提高发光二极管的内量子效率，最终提高发光二极管的发光效率和光效。
图2为本发明实施例提供的有源层的结构示意图。参见图2，有源层30可以包括依次层叠的多个复合结构31，每个复合结构31包括依次层叠的量子阱32和量子垒33。其中，量子阱32的材料可以采用未掺杂的氮化铟镓，量子垒33的材料可以采用未掺杂的氮化镓。有源层中量子垒靠近第一插入层设置，可以与第一插入层配合，阻挡电子跃迁到第二插入层中与空穴进行复合，避免电子溢流。
可选地，第二插入层50中铟组分的含量可以小于量子阱32中铟组分的含量。将第二插入层中铟组分的含量限定在较小的范围内，促使空穴注入量子阱中与电子进行复合发光。
图3为本发明实施例提供的发光二极管外延片中部分层势垒高度的示意图。参见图3，第一插入层40的势垒高于有源层30和第二插入层50，第一插入层40和第二插入层50配合可以形成“空穴水库”，同时第二插入层50的势垒高于有源层30中的量子阱32，有利于电子和空穴在量子阱32中复合发光。
优选地，第二插入层50的材料可以采用掺Mg的InxGa1-xN，0.2＜x＜0.3，如x＝0.25。第二插入层中铟组分的含量在此范围内，既能较好地与第一插入层配合形成“空穴水库”，也能有效促使空穴注入量子阱中。
相应地，量子阱32的材料可以采用未掺杂的InyGa1-yN，0.5＜y＜0.8，如y＝0.6，以实现电子和空穴的复合发光。
进一步地，第二插入层50的厚度可以为4nm～8nm，如6nm。第二插入层的厚度在此范围内，可以配合第二插入层中铟组分的含量，有效蓄积多余的空穴，同时尽可能减小设置第二插入层造成的不良影响，如降低整体的晶体质量。
更进一步地，第一插入层40的厚度可以为第二插入层50的厚度1/3～2/3。第一插入层和第二插入层采用此比例设置厚度，形成的“空穴水库”对空穴的蓄积效果较好，也不会造成材料的浪费。
具体地，第一插入层40的厚度可以为2nm～5nm。与第二插入层的厚度匹配，实现效果好。
可选地，第二插入层50中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为5*1019/cm3～8*1019/cm3，如6.5*1019/cm3。第二插入层中P型掺杂剂的掺杂浓度在此范围内，可以很方便地为“空穴水库”提供空穴，有效增加空穴的数量，代替部分P型半导体层的作用，使得P型半导体层的厚度减少，减少P型半导体层吸收的光线，最终提高发光二极管的发光效率。
优选地，P型半导体层80的厚度可以为50nm～100nm，如80nm。P型半导体层的厚度减少了，对光线的吸收作用相应减小了，可以进一步提高发光二极管的发光效率。
具体地，衬底10的材料可以采用蓝宝石(主要材料为三氧化二铝)，如图形化蓝宝石衬底(英文：Patterned Sapphire Substrate，简称：PSS)。N型半导体层20的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓。低温P型层60的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。电子阻挡层70的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化铝镓，如AlzGa1-zN，0.1＜z＜0.5。P型半导体层80的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
进一步地，N型半导体层20的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；N型半导体层20中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3，优选为5*1018cm-3。量子阱32的厚度可以为2nm～5nm，优选为3nm；量子垒33的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm；复合结构31的数量可以为5个～11个，优选为8个。低温P型层60的厚度可以为50nm～200nm，优选为100nm；低温P型层60中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。电子阻挡层70的厚度可以为50nm～100nm，优选为80nm；电子阻挡层70中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。P型半导体层80中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
优选地，电子阻挡层70中铝组分的含量可以沿该发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小，以利于P型半导体层的空穴蓄积在第一插入层和第二插入层形成的“空穴水库”，同时还可以有效避免电子溢流。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括缓冲层91，缓冲层91设置在衬底10和N型半导体层20之间，以缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，并为氮化镓材料外延生长提供成核中心。
具体地，缓冲层91的材料可以采用未掺杂的氮化镓。
进一步地，缓冲层91的厚度可以为15nm～35nm，优选为25nm。
优选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括高温缓冲层92，高温缓冲层92设置在缓冲层91和N型半导体层20之间，以进一步缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，为外延片主体结构提供晶体质量较好的生长表面。
在具体实现时，缓冲层为首先在图形化衬底上低温生长的一层较薄的氮化镓，因此也称为低温缓冲层。再在低温缓冲层进行氮化镓的纵向生长，会形成多个相互独立的三维岛状结构，称为三维成核层；然后在所有三维岛状结构上和各个三维岛状结构之间进行氮化镓的横向生长，形成二维平面结构，称为二维恢复层；最后在二维生长层上高温生长一层较厚的氮化镓，称为本征氮化镓层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和本征氮化镓层统称为高温缓冲层。
进一步地，高温缓冲层92的厚度可以为1μm～3μm，优选为2μm。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括应力释放层93，应力释放层93设置在N型半导体层20和有源层30之间，以对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力进行释放，提高有源层的晶体质量，有利于电子和空穴在有源层进行辐射复合发光，提高LED的内量子效率，进而提高LED的发光效率。
具体地，应力释放层93的材料可以采用镓铟铝氮(AlInGaN)，可以有效释放蓝宝石和氮化镓晶格失配产生的应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。
优选地，应力释放层93中铝组分的摩尔含量可以小于或等于0.2，应力释放层93中铟组分的摩尔含量可以小于或等于0.05，以避免造成不良影响。
进一步地，应力释放层93的厚度可以为50nm～500nm，优选为300nm。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括接触层94，接触层94设置在P型半导体层80上，以与芯片制作工艺中形成的电极或者透明导电薄膜之间形成欧姆接触。
具体地，接触层94的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓或者氮化镓。
进一步地，接触层94的厚度可以为50nm～100nm，优选为80nm；接触层94中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1021/cm3～1022/cm3，优选为5*1021/cm3。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，适用于生长图1所示的发光二极管外延片。图4为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。参见图4，该生长方法包括：
步骤201：提供一衬底。
可选地，该步骤201可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，在氢气气氛中对衬底进行1分钟～10分钟(优选为5分钟)退火处理；
对衬底进行氮化处理。
通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。
步骤202：在衬底上依次生长N型半导体层、有源层、第一插入层、第二插入层、低温P型层、电子阻挡层和P型半导体层。
在本实施例中，第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
可选地，有源层可以包括依次层叠的多个复合结构，每个复合结构包括依次层叠的量子阱和量子垒；第二插入层的生长温度高于量子阱的生长温度。在保证铟掺杂的情况下，尽可能提高第二插入层的晶体质量。
优选地，第二插入层的生长温度可以比量子阱的生长温度高10℃～20℃，可以避免铟在高温下解析。
具体地，第二插入层的生长温度可以为730℃～850℃，如780℃。
进一步地，第二插入层的生长压力可以为100torr～300torr，如200torr；第二插入层生长时外延片的转速可以为400转/分钟～600转/分钟，如500转。将第二插入层的生长压力、生长时外延片的转速与第二插入层的生长温度配合，提高第二插入层的晶体质量。
相应地，量子阱的生长温度可以为720℃～829℃，如760℃；量子阱的生长压力可以为100torr～500torr，如300torr。量子垒的生长温度可以为850℃～959℃，如900℃；量子垒的生长压力可以为100torr～500torr，如300torr。
可选地，第一插入层可以采用物理气相沉积(英文：Physical Vapor Deposition，简称：PVD)技术形成，如磁控溅射技术，降低第一插入层的形成温度，避免高温造成铟解析。
优选地，第一插入层的形成温度可以为550℃～650℃，如600℃。
在实际应用中，第一插入层也可以采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal organic chemical vapor deposition，简称：MOCVD)技术形成，以方便实现，避免在形成第一插入层的过程时对外延片进行转移。
具体地，第一插入层的生长温度可以为800℃～850℃，如825℃；第一插入层的生长压力可以为100torr～200torr，如150torr。
具体地，该步骤102可以包括：
第一步，控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在衬底上生长N型半导体层；
第二步，在N型半导体层上生长有源层；
第三步，在有源层上依次形成第一插入层和第二插入层；
第四步，控制温度为600℃～750℃(优选为675℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在第二插入层上生长低温P型层；
第五步，控制温度为200℃～1000℃(优选为600℃)，压力为50torr～500torr(优选为250torr)，在低温P型层上生长电子阻挡层；
第六步，控制温度为600℃～1000℃(优选为800℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在电子阻挡层上生长P型半导体层。
可选地，在第一步之前，该生长方法还可以包括：
在衬底上生长缓冲层。
相应地，N型半导体层生长在缓冲层上。
具体地，在衬底上生长缓冲层，可以包括：
采用PVD技术在衬底上生长缓冲层。
具体地，缓冲层的形成条件可以与第一插入层相同，在此不再详述。
优选地，在衬底上生长缓冲层之后，该制备方法还可以包括：
在缓冲层上生长高温缓冲层。
相应地，N型半导体层生长在高温缓冲层上。
具体地，在缓冲层上生长高温缓冲层，可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长高温缓冲层。
可选地，在第二步之前，该生长方法还可以包括：
在N型半导体层上生长应力释放层。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
具体地，在N型半导体层上生长应力释放层，可以包括：
控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上生长应力释放层。
可选地，在第六步之后，该生长方法还可以包括：
在P型半导体层上生长接触层。
具体地，在P型半导体层上生长接触层，可以包括：
控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长接触层。
需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。
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，具体为MOCVD设备的反应腔。实现时以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氨气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，硅源选用硅烷，镁源选用二茂镁。
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、N型半导体层、有源层、低温P型层、电子阻挡层和P型半导体层，所述N型半导体层、所述有源层、所述低温P型层、所述电子阻挡层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；其特征在于，所述发光二极管外延片还包括依次层叠的第一插入层和第二插入层，所述第一插入层和所述第二插入层设置在所述有源层和所述低温P型层之间；所述第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，所述第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述有源层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的量子阱和量子垒；所述量子阱的材料采用未掺杂的氮化铟镓，所述第二插入层中铟组分的含量小于所述量子阱中铟组分的含量。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二插入层的材料采用掺Mg的InxGa1-xN，0.2＜x＜0.3。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二插入层的厚度为4nm～8nm。
5.根据权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一插入层的厚度为所述第二插入层的厚度的1/3～2/3。
6.根据权利要求1～5任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二插入层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1019/cm3～8*1019/cm3。
7.一种发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型半导体层、有源层、第一插入层、第二插入层、低温P型层、电子阻挡层和P型半导体层；
其中，所述第一插入层的材料采用未掺杂的氮化铝，所述第二插入层的材料采用P型掺杂的氮化铟镓。
8.根据权利要求7所述的生长方法，其特征在于，所述有源层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的量子阱和量子垒；所述第二插入层的生长温度高于所述量子阱的生长温度。
9.根据权利要求8所述的生长方法，其特征在于，所述第二插入层的生长温度比所述量子阱的生长温度高10℃～20℃。
10.根据权利要求7～9任一项所述的生长方法，其特征在于，所述第一插入层采用物理气相沉积技术形成。
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