CN104009140B - 一种发光二极管外延片及其制作方法 - 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作方法，属于半导体技术领域。外延片包括：衬底、以及在衬底上向上生长的成核层、缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层、第一p型GaN层、第二p型GaN层、电子阻挡层和p型层，电子阻挡层的厚度为50～150nm，第一p型GaN层的生长温度为600～800℃、生长压力为400～800Torr，第二p型GaN层的生长温度为800～1000℃、生长压力为50～500Torr。本发明通过设置高压低温生长的第一p型GaN层，提供了空穴的注入通道，从而提高空穴的注入效率，低压高温生长的第二p型GaN层提高了晶体质量，限制了电子阻挡层的厚度，增加了空穴的注入效率。
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作方法。
背景技术
GaN(氮化镓)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，其优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，使其被广泛地被用于蓝、绿、紫外发光二极管。GaN基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。
GaN基发光二极管外延片一般包括衬底、以及在衬底上依次向上生长的缓冲层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层和p型层。由于n型层的电子迁移率比较高，容易引起电子溢流，为了降低电子溢流现象，现有技术中一般是在多量子阱层和p型层之间设置一层厚度为100～800nm的高温AlGaN电子阻挡层。
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：
电子阻挡层在降低电子溢流现象的同时，也使得空穴跃迁到多量子阱层的难度增大，影响了空穴的注入效率，并且其高温的生长条件会损害多量子阱层的活性，降低外延片的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制作方法。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，所述外延片包括衬底、以及在所述衬底上向上生长的成核层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层、电子阻挡层和p型层，所述电子阻挡层的厚度为50～150nm，所述外延片还包括第一p型GaN层和生长在所述第一p型GaN层上的第二p型GaN层，所述第一p型GaN层和所述第二p型GaN层位于所述多量子阱层和所述电子阻挡层之间，所述第一p型GaN层的生长温度为600～800℃、生长压力为400～800Torr，所述第二p型GaN层的生长温度为800～1000℃、生长压力为50～500Torr。
优选地，所述第一p型GaN层和所述第二p型GaN层的厚度均为10～50nm。
进一步地，所述外延片还包括生长在所述第一p型GaN层上的厚度为1～30nm的插入层，所述插入层为周期结构，每个周期包括InGaN层和AlInGaN层，所述插入层各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层的Al的组分含量的1.1～1.5倍。
更进一步地，所述外延片包括n个第一p型GaN层和n个与所述第一p型GaN层交替生长的所述插入层，其中，1≤n≤50。
具体地，所述n个第一p型GaN层和所述n个插入层的总厚度为11～80nm
具体地，所述插入层的生长温度为600～1000℃，生长压力为50～800Torr。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管外延片的制作方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长成核层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层；
在温度为600～800℃、压力为400～800Torr的环境下，在所述多量子阱层上生长第一p型GaN层；
在温度为800～1000℃、压力为50～500Torr的环境下，在所述第一p型GaN层上生长第二p型GaN层；
在所述第二p型GaN层上生长厚度为50～150nm的电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长p型层。
进一步地，在所述第一p型GaN层上生长第二p型GaN层之前，所述方法还包括：
在所述第一p型GaN层上生长厚度为1～30nm的插入层，所述插入层为周期结构，每一周期包括InGaN层和AlInGaN层，且所述插入层各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层的Al的组分含量的1.1～1.5倍；
在所述插入层上生长所述第二p型GaN层。
更进一步地，所述在所述多量子阱层上生长第一p型GaN层，在所述第一p型GaN层上生长插入层，具体包括：
在所述多量子阱层上生长n个第一p型GaN层和n个插入层，所述n个第一p型GaN层和n个插入层相互交替生长，其中，1≤n≤50。
具体地，在温度为600～1000℃、压力为50～800Torr的环境下，在所述第一p型GaN层上生长插入层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置第一p型GaN层，第一p型GaN层的600～800℃的低温生长环境不会影响多量子阱层的活性，有利于多量子阱层的发光；第一p型GaN层400～800Torr高压生长环境使得第一p型GaN层的纵向生长速度较快，在生长过程中呈三维立体生长；低温高压的共同作用使得第一p型GaN层的晶体颗粒较大，并且会在大颗粒的晶体之间产生较多的界面缺陷，这些缺陷可以成为空穴的注入通道，有利于提高空穴的注入效率，增强了光效；采用800～1000℃的高温和50～500Torr的低压生长的第二p型GaN层，高温低压使得第二p型GaN层在第一p型GaN层上更容易铺展，能够有效填平第一p型GaN层的与第二p型GaN层接触面的缺陷，有利于在第二p型GaN层上生长较高质量的电子阻挡层和p型层，提高了晶体质量，进一步增加了光效；并且限制了电子阻挡层的厚度为50～150nm，在抑制电子溢流的同时，降低了对空穴跃迁到多量子阱层的难度，增加了空穴的注入效率。
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是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制作方法流程图。
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。
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：衬底11、以及在衬底11上向上生长的成核层12、未掺杂的GaN层14、n型层15、多量子阱层16、第一p型GaN层171、第二p型GaN层172、电子阻挡层18和p型层19。电子阻挡层18的厚度为50～150nm，第一p型GaN层171的生长温度为600～800℃、生长压力为400～800Torr，第二p型GaN层172的生长温度为800～1000℃、生长压力为50～500Torr。
具体地，第一p型GaN层171和第二p型GaN层172的厚度均为10～50nm。厚度小于10nm，会影响第一p型GaN层171、第二p型GaN层172的效果，厚度大于50nm，会增加晶体生长的难度和晶体的质量。
优选地，外延片还包括生长在第一p型GaN层171上的厚度为1～30nm的插入层20，插入层20为周期结构，每个周期包括InGaN层和AlInGaN层，插入层20各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层18的Al的组分含量的1.1～1.5倍。由于插入层20较薄，空穴可以轻易穿过插入层20，又由于AlInGaN层的Al的组分含量高于电子阻挡层18的Al的组分含量，则其势垒较高，第一p型GaN层171的势垒低于插入层20的势垒，则空穴可以快速地从高势垒层跃迁到低势垒层，从而空穴不会被第一p型GaN层171中的缺陷捕获，提高了空穴的注入率。
可选地，插入层20各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量可以是相同的，也可以是渐变的。
进一步地，外延片包括n个第一p型GaN层171和n个与第一p型GaN层171交替生长的插入层20，其中，1≤n≤50。n个第一p型GaN层171和n个插入层20构成的超晶格结构，能够使空穴更加容易地进入多量子阱层16，提高了空穴的注入效率。
更进一步地，n个第一p型GaN层171和n个插入层20的总厚度为11～80nm。厚度过小，会影响第一p型GaN层171和插入层20的效果，厚度过大，会增加晶体生长的难度影响晶体的质量。
具体地，插入层20的生长温度为600～1000℃，生长压力为50～800Torr。
在具体的实施中，本发明实施例提供的一种外延片A具体结构可以如下：
衬底11为蓝宝石衬底；
成核层12为在温度为400～600℃、压力为400～600torr的环境下生长的，厚度为15～35nm的GaN成核层；
未掺杂的GaN层14为在温度为1000～1100℃、压力为100～500torr的环境下生长的，厚度为1～5μm的u-GaN层；
n型层15为在温度为1000～1200℃、压力为100～500torr的环境下生长的，厚度为1～5μm的n型GaN层，且该层的Si的掺杂浓度为1×1018～1×1019cm-3；
多量子阱层16为在压力为100～500torr的环境下生长的5～11个周期的InGaN/GaN多量子阱层，其中，每个周期的InGaN层的厚度为3nm，生长温度为720～829℃；每个周期的GaN层的厚度为9～20nm，生长温度为850～959℃；
第一p型GaN层171为在温度为600～800℃、压力为400～800torr的环境下生长的，厚度为10～50nm的p型GaN层；
第二p型GaN层172为在温度为800～1000℃、压力为50～500torr的环境下生长的，厚度为10～50nm的p型GaN层；
电子阻挡层18为在温度为850～1080℃、压力为200～500torr的环境下生长的，厚度为50～150nm的p型AlyGa1-yN层，其中，0.1<y<0.5；
P型层19为温度为850～1080℃、压力为100～300torr的环境下生长的，厚度为100～800nm的p型GaN层。
在具体的实施中，本发明实施例提供的又一种外延片B的结构与外延片A的结构基本相同，不同之处仅在于外延片B包括n个第一p型GaN层171，且外延片B还包括n个与第一p型GaN层171交替生长的插入层20，其中，1≤n≤50。各第一p型GaN层171的结构与外延片A中的第一p型GaN层171的结构相同。每个插入层20为在温度为600～1000℃、压力为50～800torr的环境下生长，厚度为1～30nm的InGaN层/AlInGaN层超晶格结构，且插入层20各周期中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层18的Al的组分含量的1.1～1.5倍。并且n个第一p型GaN层171和n个插入层20的总厚度为11～80nm。
现有技术提供的外延片C的结构与本发明实施例提供的外延片A的结构基本相同，不同至于仅在于，外延片C不包括第一p型GaN层171和第二p型GaN层172，并且外延片C中，电子阻挡层18的厚度为100～800nm。
外延片A、外延片B和外延片C采用相同的条件进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成单颗尺寸大小为9*7mil的LED芯片。对上述外延片制成的芯片进行测试(测试电流为20mA)，得到表1：
| 波长(nm) | 发光强度(mcd) | |
| 外延片A | 519.7 | 647.1 |
| 外延片B | 519.5 | 783.3 |
| 外延片C | 519.2 | 610.8 |
表1
通过上表可知，外延片A的发光强度相对于外延片C提高了6％，外延片B的的发光强度相对于外延片C提高了21％，即本发明实施例提供的外延片相对于现有技术中的外延片的光效好。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置第一p型GaN层，第一p型GaN层的600～800℃的低温生长环境不会影响多量子阱层的活性，有利于多量子阱层的发光；第一p型GaN层400～800Torr高压生长环境使得第一p型GaN层的纵向生长速度较快，在生长过程中呈三维立体生长；低温高压的共同作用使得第一p型GaN层的晶体颗粒较大，并且会在大颗粒的晶体之间产生较多的界面缺陷，这些缺陷可以成为空穴的注入通道，有利于提高空穴的注入效率，增强了光效；
通过采用800～1000℃的高温和50～500Torr的低压生长的第二p型GaN层，高温低压使得第二p型GaN层在第一p型GaN层上容易铺展，能够有效填平第一p型GaN层的与第二p型GaN层接触面的缺陷，有利于在第二p型GaN层上生长较高质量的电子阻挡层和p型层，提高了晶体质量，进一步增加了光效；
通过限制电子阻挡层的厚度为50～150nm，在抑制电子溢流的同时，降低了对空穴跃迁到多量子阱层的难度，增加了空穴的注入效率；
通过设置插入层，由于插入层较薄，则空穴可以轻易穿过插入层，又由于AlInGaN层的Al的组分含量高于电子阻挡层的Al的组分含量，则其势垒较高，第一p型GaN层的势垒低于插入层的势垒，则空穴可以快速地从高势垒层跃迁到低势垒层，从而空穴不会被第一p型GaN层中的缺陷捕获，提高了空穴的注入率。
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作方法，参见图2，该方法包括：
步骤201：提供一衬底。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤202：在衬底上依次生长成核层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层。
步骤203：在温度为600～800℃、压力为400～800Torr的环境下，在多量子阱层上生长第一p型GaN层。
步骤204：在第一p型GaN层上生长厚度为1～30nm的插入层。
具体地，第一p型GaN层的厚度为10～50nm。
插入层为周期结构，每个周期包括InGaN层和AlInGaN层，插入层各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层的Al的组分含量的1.1～1.5倍。由于插入层较薄，空穴可以轻易穿过插入层，又由于AlInGaN层的Al的组分含量高于电子阻挡层的Al的组分含量，则其势垒较高，第一p型GaN层的势垒低于插入层的势垒，则空穴可以快速地从高势垒层跃迁到低势垒层，从而空穴不会被第一p型GaN层中的缺陷捕获，提高了空穴的注入率。
插入层20各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量可以是相同的，也可以是渐变的。
步骤205：在温度为600～800℃、压力为400～800Torr的环境下，在插入层上生长第二p型GaN层。
具体地，第二p型GaN层的厚度为10～50nm。
步骤206：在第二p型GaN层上生长厚度为50～150nm的电子阻挡层。
具体地，电子阻挡层由p型AlyGa1-yN层制成，其中，0.1<y<0.5
步骤207：在电子阻挡层上生长p型层。
具体地，该方法还包括：在p型层上生长p型接触层。
优选地，在多量子阱层上生长第一p型GaN层，在第一p型GaN层上生长插入层，具体包括：
在多量子阱层上生长n个第一p型GaN层和n个插入层，n个第一p型GaN层和n个插入层相互交替生长，其中，1≤n≤50。
进一步地，n个第一p型GaN层和n个插入层的总厚度为11～80nm。
具体地，步骤201～207可以通过以下步骤实现：
(1)在温度为1000～1200℃的氢气氛围下将晶向蓝宝石衬底退火8分钟，以清洁晶向蓝宝石衬底表面，然后对晶向蓝宝石衬底进行氮化处理；
(2)温度下降至400～600℃，在压力为400～600torr的环境下，生长15～35nm厚的低温氮化镓成核层，然后进行原位退火处理，退火温度为1000～1200℃，退火时间为5～10分钟；
(3)温度调节至1000～1100℃，在压力为100～500Torr的环境下，在缓冲层上生长1～5μm的u-GaN层；
(4)温度调节至1000～1200℃，在压力为100～500Torr的环境下，在u-GaN层上生长厚度为1～5μm的n型GaN层，其中，n型GaN层掺杂Si的浓度为1×1018～1×1019cm-3；
(5)在n型GaN层上生长多量子阱层，多量子阱层为5～11个周期的InGaN/GaN多量子阱层，其中，每个周期的InGaN层的厚度为3nm，生长温度为720～829℃，压力为100～500Torr；每个周期的GaN层的厚度为9～20nm，生长温度为850～959℃，压力为100～500Torr；
(6)调节温度至600～800℃，在压力为400～800torr的环境下，在多量子阱层上生长厚度为10～50nm的第一p型GaN层；
(7)调节温度至600～100℃，在压力为50～800Torr的环境下，在第一p型GaN层上生长厚度为1～30nm的插入层，插入层为超晶格结构，每一周期包括InGaN层和AlInGaN层，每一周期的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层18的Al的组分含量的1.1～1.5倍；
(8)调节温度至800～1000℃，在压力为50～500Torr的环境下，在插入层上生长厚度为10～50nm的第二p型GaN层；
(9)调节温度至850～1080℃，在压力200～500Torr的环境下，在第二p型GaN层上生长厚度为50～150nm的p型AlyGa1-yN层，其中，0.1<y<0.5。
(10)保持温度，在100～300Torr的环境下，在p型AlyGa1-yN层上生长厚度为100～800nm的p型GaN层；
(11)调节温度至850～1050℃，在压力为100～30torr的环境下，在p型GaN层上生长厚度为5～300nm的p型接触层。
上述外延结构生长结束后，将反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650～850℃，退火处理5～15分钟，将至室温，结束外延生长。
显然地，在步骤(6)之后，还可以在多量子阱层上生长n个第一p型GaN层和n个插入层，n个第一p型GaN层和n个插入层交替层叠生长，其中，1≤n≤50，然后在第n个插入层上生长第二p型GaN层。即步骤(6)结束后，反复重复步骤(7)和步骤(8)，重复生长1～50次。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过生长第一p型GaN层，第一p型GaN层的600～800℃的低温生长环境不会影响多量子阱层的活性，有利于多量子阱层的发光；第一p型GaN层400～800Torr高压生长环境使得第一p型GaN层的纵向生长速度较快，在生长过程中呈三维立体生长；低温高压的共同作用使得第一p型GaN层的晶体颗粒较大，并且会在大颗粒的晶体之间产生较多的界面缺陷，这些缺陷可以成为空穴的注入通道，有利于提高空穴的注入效率，增强了光效；
通过采用800～1000℃的高温和50～500Torr的低压生长第二p型GaN层，高温低压使得第二p型GaN层在第一p型GaN层上容易铺展，能够有效填平第一p型GaN层的与第二p型GaN层接触面的缺陷，有利于在第二p型GaN层上生长较高质量的电子阻挡层和p型层，提高了晶体质量，进一步增加了光效；
通过限制电子阻挡层的厚度为50～150nm，在抑制电子溢流的同时，降低了对空穴跃迁到多量子阱层的难度，增加了空穴的注入效率；
通过设置插入层，由于插入层较薄，则空穴可以轻易穿过插入层，又由于AlInGaN层的Al的组分含量高于电子阻挡层的Al的组分含量，则其势垒较高，第一p型GaN层的势垒低于插入层的势垒，则空穴可以快速地从高势垒层跃迁到低势垒层，从而空穴不会被第一p型GaN层中的缺陷捕获，提高了空穴的注入率。
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，所述外延片包括衬底、以及在所述衬底上向上生长的成核层、未掺杂的GaN层、n型层、多量子阱层、电子阻挡层和p型层，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为50～150nm，所述外延片还包括第一p型GaN层和生长在所述第一p型GaN层上的第二p型GaN层，所述第一p型GaN层和所述第二p型GaN层位于所述多量子阱层和所述电子阻挡层之间，所述第一p型GaN层的生长温度为600～800℃、生长压力为400～800Torr，所述第二p型GaN层的生长温度为800～1000℃、生长压力为50～500Torr。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一p型GaN层和所述第二p型GaN层的厚度均为10～50nm。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括生长在所述第一p型GaN层上的厚度为1～30nm的插入层，所述插入层为周期结构，每个周期包括InGaN层和AlInGaN层，所述插入层各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层的Al的组分含量的1.1～1.5倍。
4.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述外延片包括n个第一p型GaN层和n个与所述第一p型GaN层交替生长的所述插入层，其中，1≤n≤50。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述n个第一p型GaN层和所述n个插入层的总厚度为11～80nm。
6.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述插入层的生长温度为600～1000℃，生长压力为50～800Torr。
7.一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长成核层、未掺杂的GaN层、n型层和多量子阱层；
在温度为600～800℃、压力为400～800Torr的环境下，在所述多量子阱层上生长第一p型GaN层；
在温度为800～1000℃、压力为50～500Torr的环境下，在所述第一p型GaN层上生长第二p型GaN层；
在所述第二p型GaN层上生长厚度为50～150nm的电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长p型层。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述第一p型GaN层上生长第二p型GaN层之前，所述方法还包括：
在所述第一p型GaN层上生长厚度为1～30nm的插入层，所述插入层为周期结构，每一周期包括InGaN层和AlInGaN层，且所述插入层各周期结构中的AlInGaN层的Al的组分含量是电子阻挡层的Al的组分含量的1.1～1.5倍；
在所述插入层上生长所述第二p型GaN层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述多量子阱层上生长第一p型GaN层，在所述第一p型GaN层上生长插入层，具体包括：
在所述多量子阱层上生长n个第一p型GaN层和n个插入层，所述n个第一p型GaN层和n个插入层相互交替生长，其中，1≤n≤50。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在温度为600～1000℃、压力为50～800Torr的环境下，在所述第一p型GaN层上生长插入层。
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