CN104091868B - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于发光二极管领域。所述外延片包括：缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱和P型层，所述2D填平层包括若干个交替生长的第一子层和第二子层，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同，所述第一子层采用无掺杂的Al_xGa_1‑xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1。所述方法包括：提供衬底并在衬底上依次生长缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层，生长2D填平层包括：交替生长若干个第一子层和若干个第二子层。本发明有效减小由衬底与GaN晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力。

Description

一种发光二极管外延片及其制造方法

技术领域

本发明涉及发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)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

在LED产业的发展中，GaN材料是第三代半导体材料的典型代表。由于GaN材料缺少同质衬底，因此，目前GaN基外延片多为异质外延方式生长，例如采用蓝宝石衬底。

传统的GaN基外延片生长方法为，在蓝宝石衬底上生长外延层，外延层包括依次生长的缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层。其中，3D生长层也称粗化层，该层以缓冲层为基础生长晶岛。2D填平层又称恢复层，该层可以将3D晶岛填平，为之后的外延结构提供一个薄膜基层。该2D填平层多为高温缓慢生长的无掺杂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：

蓝宝石衬底与GaN材料之间存在大的晶格失配与热失配，使得外延层的位错密度比较高，将在界面处产生较强的应力作用和大量的位错以及缺陷。这些缺陷会随着外延层的生长一直延伸至多量子阱层以及P型层，这样，不仅增加了载流子非辐射复合的可能，而且在禁带中引入能级，减少少子寿命，从而降低了LED的内量子效率，并且还影响LED的抗静电能力。

发明内容

为了提高LED的内量子效率和LED的抗静电能力，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：

第一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底、缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱和P型层，所述2D填平层包括若干个交替生长的第一子层和第二子层，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同，所述第一子层采用无掺杂的Al_xGa_1-xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1；

每个所述第一子层的Al浓度不同、且每个所述第一子层的Al浓度按生长顺序逐渐减小，所述第一子层的数量为15，每个所述第一子层的Al浓度依次为80％、78％、76％、74％、72％、70％、68％、66％、64％、62％、60％、58％、56％、54％、52％；所述第一子层与所述第二子层的厚度比例不大于1:3。

在第一方面的第一实施方式中，所述第一子层和所述第二子层的厚度范围是10～100nm。

在第一方面的第二实施方式中，所述第一子层的厚度范围是100～500nm，所述第二子层的厚度范围是500nm～1um。

在第一方面的第三实施方式中，所述2D填平层的厚度范围是1.2～3.8um。

在第一方面的第四实施方式中，所述LED外延片还包括无掺杂的GaN层，所述无掺杂的GaN层位于所述2D填平层和所述N型层之间，其中一个所述第二子层与所述无掺杂的GaN层直接接触。

在第一方面的第六实施方式中，所述第一子层和所述第二子层的生长速度不大于所述无掺杂的GaN层和所述N型层的生长速度。

第二方面，本发明提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述方法包括：提供衬底并在所述衬底上依次生长缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层，生长所述2D填平层包括：交替生长若干个第一子层和若干个第二子层，所述第一子层采用无掺杂的Al_xGa_1-xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同；

每个所述第一子层的Al浓度不同、且每个所述第一子层的Al浓度按生长顺序逐渐减小，所述第一子层的数量为15，每个所述第一子层的Al浓度依次为80％、78％、76％、74％、72％、70％、68％、66％、64％、62％、60％、58％、56％、54％、52％；所述第一子层与所述第二子层的厚度比例不大于1:3。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过2D填平层包括交替生长的Al_xGa_1-xN/GaN，0.5≤x＜1，即在2D填平层中引入了Al原子，由于Al原子具有较小的晶格常数，且具有与衬底更匹配的热膨胀系数等优势，因此，Al_xGa_1-xN/GaN的交替生长结构的2D填平层可以有效减小由衬底与GaN晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力，进而提高LED的外延晶体质量；此外，Al_xGa_1-xN/GaN的交替生长结构的2D填平层还可以有效改善外延片的翘曲度，尤其是大尺寸外延片的翘曲度。

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LED外延片的剖面图；

图2是本发明实施例二提供的一种LED外延片的制造方法的流程图。

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LED外延片，参见图1，该外延片包括衬底(图未示出)、缓冲层10、3D生长层20、2D填平层30、N型层40、多量子阱层50和P型层60。

其中，该2D填平层30包括若干个交替生长的第一子层301和第二子层302。其中一个第一子层301与3D生长层20直接接触。第一子层301的数量不小于2且与第二子层302的数量相同。第一子层301采用无掺杂的Al_xGa_1-xN制成，第二子层302采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1。

其中，第一子层301的厚度可以是纳米级，第二子层302的厚度可以是纳米级，也可以是微米级。在本实施例的第一实现方式中，该2D填平层30可以是超晶格结构，第一子层301和第二子层302的厚度范围可以分别是10～100nm。例如，第一子层301的厚度可以为15nm，第二子层302的厚度可以为85nm。

在本实施例的第二实现方式中，第一子层301的厚度范围可以是100～500nm，第二子层302的厚度范围可以是500nm～1um。例如，第一子层301的厚度可以是200nm、150nm、或100nm，第二子层b的厚度可以是600nm或800nm。

结合本实施例的第一实现方式和第二实现方式，每个第一子层301的厚度可以相同，也可以不同。每个第二子层302的厚度可以相同，也可以不同。

结合本实施例的第一实现方式和第二实现方式，第一子层301与第二子层302的厚度比例可以不大于1:3。

结合本实施例的第一实现方式和第二实现方式，2D填平层30的厚度范围可以是1.2～3.8um。

其中，本实施例对每个第一子层301的Al浓度不做限定。在本实施例的第三实现方式中，每个第一子层301的Al浓度相同。例如，每个第一子层301的Al浓度均为65％。

在本实施例的第四实现方式中，每个第一子层301的Al浓度不同、且每个第一子层301的Al浓度按生长顺序逐渐变化。该生长顺序包括，从2D填平层30的靠近3D生长层20的一侧到2D填平层30的靠近N型层40的一侧。该均匀变化可以是有规律地均匀变化，包括：逐渐增大(包括均匀增大)、逐渐减小(包括均匀减小)、逐渐增大再减小(包括均匀增大再均匀减小)、逐渐减小再增大(包括均匀减小再均匀增大)、逐渐增大再减小最后增大(包括均匀增大再均匀减小最后均匀增大)、逐渐减小再增大最后减小(均匀减小再均匀增大最后均匀减小)、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。

在上述Al浓度逐渐变化的多种方式中，每个第一子层301的Al浓度按生长顺序逐渐减小为优选方式。例如，2D填平层30是由十五层第一子层301和十五层第二子层302交替生长形成，每个第一子层301中Al的浓度为定值且每个第一子层301中Al浓度按照第一子层301覆盖的顺序均匀减小，每个第一子层301中Al浓度依次为80％、78％、76％、74％，…，52％。这种Al浓度按生长顺序逐渐减小的变化方式既可以减少衬底与外延结构的界面失配现象，又可以减少引入AlN/GaN晶格失配，为后续结构提供较为平整的GaN薄膜基础。

改变第一子层301中Al浓度，可以进一步减少衬底与外延结构的界面应变，并减少AlN和GaN材料之间存在的晶格失配现象。

其中，该LED外延片还可以包括无掺杂的GaN层70，该无掺杂的GaN层70位于2D填平层30和N型层40之间。其中一个第二子层302与无掺杂的GaN层70直接接触。

由于无掺杂的GaN层70生长于2D填平层30之后，与N型层40直接接触，且无掺杂的GaN层70组分单纯，只由GaN构成，因此，无掺杂的GaN层70可以进一步阻挡外延片中底层的位错纹路向上延伸。

其中，第一子层301和第二子层302的生长速度不大于无掺杂的GaN层70和N型层40的生长速度。该生长速度可以通过调节生长温度、压力、Ga源流量、或Ga源浓度等进行控制。

本发明实施例通过2D填平层包括交替生长的Al_xGa_1-xN/GaN，0.5≤x＜1，即在2D填平层中引入了Al原子，由于Al原子具有较小的晶格常数，且具有与衬底更匹配的热膨胀系数等优势，因此，Al_xGa_1-xN/GaN的交替生长结构的2D填平层可以有效减小由衬底与GaN晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力，进而提高LED的外延晶体质量；此外，Al_xGa_1-xN/GaN的交替生长结构的2D填平层还可以有效改善外延片的翘曲度，尤其是大尺寸外延片的翘曲度。

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造方法，参见图2，该方法流程包括：

在步骤201中，提供衬底。

该衬底层可以为蓝宝石衬底，也可以是Si衬底和SiC衬底。

该步骤201还包括，清洁衬底表面。实现时，将衬底在1100℃的H2气氛下进行热处理8分钟，以清洁表面。

在步骤202中，在衬底上生长缓冲层。

实现时，在540°温度下，在清洁后的衬底上生长一层厚度为30nm的GaN。

在步骤203中，在缓冲层上生长3D生长层。

实现时，将温度从540°升至1040℃，在缓冲层上生长一层厚度为0.5um的非掺杂的GaN。

在步骤204中，在3D生长层上生长2D填平层。

本步骤204包括：在3D生长层上交替生长若干个第一子层和若干个第二子层。其中，第一子层采用无掺杂的Al_xGa_1-xN制成，第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1。第一子层的数量不小于2且与第二子层的数量相同。

其中一个第一子层与3D生长层直接接触，即先生长的是第一子层，第二子层覆盖在第一子层上。

例如，可以在3D生长层上交替生长十五层第一子层和十五层第二子层，形成超晶格结构，生长温度为1090℃。第一子层的厚度可以为15nm，采用无掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，0.5≤x<1。第二子层的厚度可以为85nm，采用无掺杂的GaN作为生长材料。其中，第一子层和第二子层的厚度介于10～100nm，其中15nm和85nm在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。

又如，可以在3D生长层上交替生长三层第一子层和三层第二子层，形成层层交替生长结构，生长温度为1090℃。第一子层的厚度分别200nm/150nm/100nm，采用无掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料。第二子层的厚度均为800nm，采用无掺杂的GaN作为生长材料。其中，第一子层的厚度可以为100～500nm，第二子层的厚度可以为500nm～1.0um，100nm/150nm/200nm/800nm在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。

其中，第一子层和第二子层的厚度比应小于等于1：3。每层第一子层中Al浓度为定值且每层第一子层中Al浓度相同或不同。当每层第一子层中Al浓度不同时，第一子层中Al浓度可以按照生长顺序有规律地均匀变化。

本步骤204还包括：在2D填平层上生长无掺杂的GaN层。

实现时，生长温度不变，生长速率提高，在2D填平层上生长一层厚度为2μm的非掺杂的GaN。容易知道，提高生长速率的方法可以提高Ga的流量。

在步骤205中，生长N型层。

实现时，可以在无掺杂的GaN层上生长一层厚度为1μm的Si掺杂的GaN层。容易知道，N型层也可以采用其它掺杂，并不限于Si掺杂。

在步骤206中，在N型层上生长多量子阱层。

实现时，在N型层上交替生长十二层量子阱层和十二层量子垒层。量子阱层的厚度为3nm，采用InGaN作为生长材料，生长温度为790℃。量子垒层的厚度为12nm，采用GaN作为生长材料，生长温度为920℃。

在步骤207中，在多量子阱层上生长P型层。

实现时，在多量子阱层上生长一层厚度为200nm的P型掺杂的GaN。

需要说明的是，本实施例可以采用高纯H2或者N2作为载气，分别采用TEGa/TMGa、TMAl、TMIn和NH3作为Ga源、Al源、In源和N源，采用分别SiH4和Cp2Mg作为N型和P型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。

本发明实施例通过2D填平层包括交替生长的Al_xGa_1-xN/GaN，0.5≤x＜1，即在2D填平层中引入了Al原子，由于Al原子具有较小的晶格常数，且具有与衬底更匹配的热膨胀系数等优势，因此，Al_xGa_1-xN/GaN的交替生长结构的2D填平层可以有效减小由衬底与GaN晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力，进而提高LED的外延晶体质量；此外，Al_xGa_1-xN/GaN的交替生长结构的2D填平层还可以有效改善外延片的翘曲度，尤其是大尺寸外延片的翘曲度。

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 (7)

1.一种发光二极管外延片，包括衬底、缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱和P型层，其特征在于，所述2D填平层包括若干个交替生长的第一子层和第二子层，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同，所述第一子层采用无掺杂的Al_xGa_1-xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1；

每个所述第一子层的Al浓度不同、且每个所述第一子层的Al浓度按生长顺序逐渐减小，所述第一子层的数量为15，每个所述第一子层的Al浓度依次为80％、78％、76％、74％、72％、70％、68％、66％、64％、62％、60％、58％、56％、54％、52％；所述第一子层与所述第二子层的厚度比例不大于1:3。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的厚度范围是10～100nm。

3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度范围是100～500nm，所述第二子层的厚度范围是500nm～1um。

4.根据权利要求2或3所述的外延片，其特征在于，所述2D填平层的厚度范围是1.2～3.8um。

5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括无掺杂的GaN层，所述无掺杂的GaN层位于所述2D填平层和所述N型层之间，其中一个所述第二子层与所述无掺杂的GaN层直接接触。

6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的生长速度不大于所述无掺杂的GaN层和所述N型层的生长速度。

7.一种发光二极管外延片的制造方法，所述方法包括：提供衬底并在所述衬底上依次生长缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层，其特征在于，生长所述2D填平层包括：交替生长若干个第一子层和若干个第二子层，所述第一子层采用无掺杂的Al_xGa_1-xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同；

每个所述第一子层的Al浓度不同、且每个所述第一子层的Al浓度按生长顺序逐渐减小，所述第一子层的数量为15，每个所述第一子层的Al浓度依次为80％、78％、76％、74％、72％、70％、68％、66％、64％、62％、60％、58％、56％、54％、52％；所述第一子层与所述第二子层的厚度比例不大于1:3。