CN103904177A - 发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

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。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，所述成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，所述多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿所述外延片的生长方向逐层减少。本发明通过在蓝宝石衬底和未掺杂GaN层之间加入成核层，成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，可以避免未掺杂GaN层和衬底之间晶格不匹配。而且多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少，改善了最终生长出来的外延层的翘曲度，外延片内光电性能比较均匀，晶体质量较好。

Description

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
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种能发光的半导体电子元件。LED外延片是LED内部的晶片生长的原材料。
现有的LED外延片通常包括蓝宝石衬底、以及依次生长在蓝宝石衬底上的未掺杂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：
未掺杂GaN层生长在蓝宝石衬底上，由于蓝宝石的主要组分为Al2O3，Al2O3与GaN之间的晶格失配度较大，因此未掺杂GaN层和衬底之间晶格不匹配，进而影响生长未掺杂GaN层后垒晶的晶体质量，最终造成生长出来的外延层的翘曲度较大，外延片内光电性能不均匀，晶体质量较差。
发明内容
为了解决现有技术外延层的翘曲度较大，晶体质量较差的问题，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，本发明实施提供了一种发光二极管外延片，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、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，所述外延片还包括成核层，所述成核层位于所述缓冲层和所述未掺杂GaN层之间，所述成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，所述多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿所述外延片的生长方向逐层减少。
优选地，所述成核层的厚度至少为200nm。
可选地，所述成核层为多周期结构，每个周期包括AlxGa1-xN层和GaN层。
进一步地，所述多周期结构的周期数至少为3。
优选地，所述缓冲层掺杂有Al。
可选地，所述未掺杂GaN层为多周期结构，每个周期包括AlGaN层和GaN层。
可选地，所述有源层为多周期结构，每个周期包括InGaN层和GaN层，或者每个周期包括InGaN层和AlGaN层。
可选地，所述P型层包括多个P型AlInGaN层，且各P型AlInGaN层中Mg的掺杂浓度不同，或者所述P型层为多周期结构，且每个周期包括P型AlInGaN层和P型GaN层。
可选地，所述外延片还包括P型接触层，所述P型接触层包括GaN层，所述P型接触层层叠在所述P型层上。
另一方面，本发明实施例提供了一种制造前述发光二极管外延片的方法，所述方法包括：在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层、以及P型接触层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在蓝宝石衬底和未掺杂GaN层之间加入成核层，成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，由于蓝宝石的主要组分为Al2O3，AlxGa1-xN与Al2O3、GaN之间的晶格匹配度均较好，因此成核层可以避免未掺杂GaN层和衬底之间晶格不匹配。而且多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少，也就是说，靠近蓝宝石衬底的成核层的Al组分含量较高，靠近未掺杂GaN层的成核层的Al组分含量较低，进一步提高了未掺杂GaN层和衬底之间的晶格匹配度，减小了对生长未掺杂GaN层后垒晶的晶体质量的影响，改善了最终生长出来的外延层的翘曲度，外延片内光电性能比较均匀，晶体质量较好。
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是本发明实施例二提供的成核层的结构示意图；
图3是本发明实施例三提供的一种制造发光二极管外延片的方法的流程图。
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上的缓冲层2、成核层3、未掺杂GaN层4、N型层5、有源层6、P型层7。
在本实施例中，成核层3位于缓冲层2和未掺杂GaN层4之间，成核层3包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少。
可选地，成核层3的厚度可以至少为200nm。当成核层的厚度低于200nm时，由于成核层较薄，成核层中的组分只能稍稍减小蓝宝石衬底和未掺杂GaN层之间的晶体失配，最终生长出来的外延层的翘曲度还是较大。而成核层的厚度至少为200nm时，可以明显改善最终生长出来的外延层的翘曲度。
优选地，成核层3的厚度可以为200nm-500nm，可以在改善最终生长出来的外延层的翘曲度的同时，保证成核层不会过厚。
优选地，缓冲层2可以掺杂有Al，可以降低Al2O3与GaN之间的晶格失配度，进一步改善最终生长出来的外延层的翘曲度。
可选地，未掺杂GaN层4可以为多周期结构，每个周期AlGaN层和GaN层，可以有效过滤GaN薄膜中的缺陷，改善晶体质量，从而提高发光二极管的抗静电能力，提高发光二极管的可靠性和稳定性。
可选地，有源层6可以为多周期结构，每个周期包括InGaN层和GaN层，或者每个周期包括InGaN层和AlGaN层，可以降低电子和空穴从量子阱中逃出的概率，将电子和空穴限制在量子阱内，提高电子和空穴的复合效率，进而提高发光二极管的发光效率。
可选地，P型层7可以包括多个P型AlInGaN层，且各P型AlInGaN层中Mg的掺杂浓度不同，或者P型层7为多周期结构，且每个周期包括P型AlInGaN层和P型GaN层。当P型层包括多个P型AlInGaN层，且各P型AlInGaN层中Mg的掺杂浓度不同时，粗化了外延片表面，将满足全反射定律的光改变方向，破坏了光线在外延片内部的全反射，提升了外延片的出光效率，从而提高发光二极管的外部发光光量子效率。当P型层7为多周期结构，且每个周期包括P型AlInGaN层和P型GaN层时，可以释放外延片内各层之间的应力，同时减小了空穴注入的难度，从而改善了电子和空穴的复合效率，提高了发光二极管的发光效率。
可选地，该外延片还可以包括P型接触层，该P型接触层包括GaN层，该P型接触层层叠在P型层7上，可以改善电极与P型层之间的接触。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底和未掺杂GaN层之间加入成核层，成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，由于蓝宝石的主要组分为Al2O3，AlxGa1-xN与Al2O3、GaN之间的晶格匹配度均较好，因此成核层可以避免未掺杂GaN层和衬底之间晶格不匹配。而且多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少，也就是说，靠近蓝宝石衬底的成核层的Al组分含量较高，靠近未掺杂GaN层的成核层的Al组分含量较低，进一步提高了未掺杂GaN层和衬底之间的晶格匹配度，减小了对生长未掺杂GaN层后垒晶的晶体质量的影响，改善了最终生长出来的外延层的翘曲度，外延片内光电性能比较均匀，晶体质量较好。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，参见图2，该外延片的结构与实施例一提供的外延片的结构基本相同，不同之处在于，成核层3为多周期结构，每个周期包括AlxGa1-xN层31和GaN层32。
优选地，多周期结构的周期数可以至少为3，如6，可以明显释放外延片内各层之间的应力，提高发光二极管的内部量子效率，从而提高发光二极管的发光效率。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底和未掺杂GaN层之间加入成核层，成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，由于蓝宝石的主要组分为Al2O3，AlxGa1-xN与Al2O3、GaN之间的晶格匹配度均较好，因此成核层可以避免未掺杂GaN层和衬底之间晶格不匹配。而且多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少，也就是说，靠近蓝宝石衬底的成核层的Al组分含量较高，靠近未掺杂GaN层的成核层的Al组分含量较低，进一步提高了未掺杂GaN层和衬底之间的晶格匹配度，减小了对生长未掺杂GaN层后垒晶的晶体质量的影响，改善了最终生长出来的外延层的翘曲度，外延片内光电性能比较均匀，晶体质量较好。而且成核层为多周期结构，可以释放外延片内各层之间的应力，进一步提高晶体质量。
实施例三
本发明实施例提供了一种制造前述发光二极管外延片的方法，参见图3，该方法包括：在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层、以及P型接触层。
具体地，该方法可以包括以下步骤：
步骤301：提供一蓝宝石衬底。
具体地，将蓝宝石衬底在MOCVD（Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀）反应腔中加热至1060℃，在氢气气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理以及氮化处理10分钟，以清洁衬底表面。
步骤302：在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层。
具体地，缓冲层的生长温度为500℃-650℃，压力为300Torr-760Torr，V/Ⅲ摩尔比为500-3000，缓冲层的厚度为15nm-30nm。
步骤303：在缓冲层上生长成核层。
具体地，成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少。成核层的生长温度为1000℃-1100℃，压力为400Torr-600Torr，V/Ⅲ摩尔比为300-1000，成核层的厚度为200nm-500nm。
步骤304：在成核层上依次生长未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层、以及P型接触层。
具体地，未掺杂GaN层的生长温度为1000℃-1200℃，压力为30Torr-500Torr，V/Ⅲ摩尔比为300-3000，未掺杂GaN层的厚度为2nm-20nm。N型层的生长温度为1000℃-1200℃，压力为50Torr-760Torr，V/Ⅲ摩尔比为300-3000，N型层的厚度为3um-4um。有源层的生长温度为720℃-820℃，压力为200Torr-400Torr，V/Ⅲ摩尔比为300-5000，有源层的厚度为430um-480um。P型层的生长温度为850℃-1050℃，压力为100Torr-760Torr，V/Ⅲ摩尔比为1000-20000，P型层的厚度为5nm-50nm。P型接触层的生长温度为1000℃-1200℃，压力为50Torr-500Torr，V/Ⅲ摩尔比为300-3000，P型接触层的厚度为0.8um-2um。
需要说明的是，在P型接触层生长完成以后，先将反应腔的温度降至650℃-850℃，在纯氮气氛围中退火处理5分钟-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*16mil的LED芯片。
本实施例以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯NH3作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂选用硅烷，P型掺杂选用二茂镁。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底和未掺杂GaN层之间加入成核层，成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，由于蓝宝石的主要组分为Al2O3，AlxGa1-xN与Al2O3、GaN之间的晶格匹配度均较好，因此成核层可以避免未掺杂GaN层和衬底之间晶格不匹配。而且多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿外延片的生长方向逐层减少，也就是说，靠近蓝宝石衬底的成核层的Al组分含量较高，靠近未掺杂GaN层的成核层的Al组分含量较低，进一步提高了未掺杂GaN层和衬底之间的晶格匹配度，减小了对生长未掺杂GaN层后垒晶的晶体质量的影响，改善了最终生长出来的外延层的翘曲度，外延片内光电性能比较均匀，晶体质量较好。
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、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，其特征在于，所述外延片还包括成核层，所述成核层位于所述缓冲层和所述未掺杂GaN层之间，所述成核层包括多个AlxGa1-xN层，0＜x＜1，所述多个AlxGa1-xN层的Al组分含量沿所述外延片的生长方向逐层减少。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述成核层的厚度至少为200nm。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述成核层为多周期结构，每个周期包括AlxGa1-xN层和GaN层。
4.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述多周期结构的周期数至少为3。
5.根据权利要求1-4任一项所述的外延片，其特征在于，所述缓冲层掺杂有Al。
6.根据权利要求1-4任一项所述的外延片，其特征在于，所述未掺杂GaN层为多周期结构，每个周期包括AlGaN层和GaN层。
7.根据权利要求1-4任一项所述的外延片，其特征在于，所述有源层为多周期结构，每个周期包括InGaN层和GaN层，或者每个周期包括InGaN层和AlGaN层。
8.根据权利要求1-4任一项所述的外延片，其特征在于，所述P型层包括多个P型AlInGaN层，且各P型AlInGaN层中Mg的掺杂浓度不同，或者所述P型层为多周期结构，且每个周期包括P型AlInGaN层和P型GaN层。
9.根据权利要求1-4任一项所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括P型接触层，所述P型接触层包括GaN层，所述P型接触层层叠在所述P型层上。
10.一种制造如权利要求1-9任一项所述的发光二极管外延片的方法，其特征在于，所述方法包括：在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、成核层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层、以及P型接触层。
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