CN104091873B - 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，属于发光二极管领域。所述外延片包括衬底、依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、N型层、发光层和P型层，所述外延片还包括三维重结晶层，所述三维重结晶层生长在所述缓冲层和所述N型层之间，且所述三维重结晶层是采用分段的三维生长方式生成的GaN层，每一段所述三维重结晶层生长压力不同。本发明通过在缓冲层和N型层之间生长一层三维重结晶层，让缓冲层生的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成核岛，且采用分段的生长方式，从而有效减少底层线位错密度，提高GaN磊晶生长的底层生长质量，为后续量子阱层的生长提供了较好的底层条件，有利于空穴和电子的辐射复合，提高了LED发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制作方法。
背景技术
半导体发光二极管(Light Emitting Diode，简称“LED”)具有体积小、高效节能、光衰小、使用寿命长、色纯度高、色域广和持久耐用等优点，尤其在户外大型显示屏，背景光源等领域被广泛应用。
发光二极管主要由支架、银胶、芯片、金线、环氧树脂组成。其中，芯片是发光二极管的核心组件，它是由外延片经过多道工序加工而成。因此，外延片的结构决定了发光二极管的质量。外延片主要由衬底、缓冲层、P(Positive，带正电的)型层、发光层和N(Negative，带负电的)型层等部分组成。当电流作用于芯片的时候，电子就会被推向P型层；在发光层里，电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。现有技术中，衬底主要是采用蓝宝石衬底。
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：
蓝宝石衬底采用的是异质外延衬底材料，与GaN(氮化镓)有较大的晶格失配和热膨胀系数，因此在外延生长的过程中，常会引入大量的晶格缺陷(如线性位错，V型位错)，从而影响LED的发光效率，同时对LED器件的抗静电放电能力也会产生一定的影响。
发明内容
为了解决现有技术中外延衬底材料导致晶格缺陷，从而影响LED的发光效率的问题，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、依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、N型层、发光层和P型层，所述外延片还包括三维重结晶层，所述三维重结晶层生长在所述缓冲层和所述N型层之间，且所述三维重结晶层是采用分段的三维生长方式生成的GaN层，每一段所述三维重结晶层生长压力不同，所述三维重结晶层包括：在不同温度不同压力下生长而成的第一重结晶子层和第二重结晶子层，所述第一重结晶子层覆盖在所述缓冲层上，所述第二重结晶子层覆盖在所述第一重结晶子层上，所述第一重结晶子层的生长温度在1010℃与1030℃之间，所述第二重结晶子层的生长温度在1030℃与1040℃之间。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述P型层包括：依次覆盖在所述发光层上的低温P型掺杂GaN层、P型AlxGa1-xN电子阻挡层和高温P型掺杂GaN层，0.1<x<0.5。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述发光层为多量子阱结构，所述多量子阱结构包括5到11个周期交替生长的InyGa1-yN和GaN，0<y<1。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述外延片还包括生长于所述三维重结晶层和所述N型层之间的填平层。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述外延片还包括生长于所述填平层和所述N型层之间的未掺杂层，所述未掺杂层为u-GaN层。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管外延片制作方法，所述方法包括：
提供衬底并在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上采用分段的三维生长方式生长三维重结晶层，每一段所述三维重结晶层生长压力不同；
在所述三维重结晶层上依次生长N型层、发光层和P型层；
所述在所述缓冲层上采用分段的三维生长方式生长三维重结晶层，包括：
所述缓冲层上三维生长第一重结晶子层；
在所述第一重结晶子层上三维生长第二重结晶子层；
所述第一重结晶子层和所述第二重结晶子层的生长温度不同，生长压力不同，所述第一重结晶子层的生长温度在1010℃与1030℃之间，所述第二重结晶子层的生长温度在1030℃与1040℃之间。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在缓冲层和N型层之间生长一层三维重结晶层，让缓冲层生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成核岛，且三维重结晶层采用分段的生长方式，能够有效抑制线性位错和V型位错向量子阱发光区的延伸，减少底层线位错密度，有效提高GaN磊晶生长的底层生长质量，为后续量子阱层的生长提供了较好的底层条件，更好地有利于空穴和电子的辐射复合，最终达到提高LED发光效率的目的。
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发光二极管外延片结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的发光二极管外延片结构示意图。
图3是本发明实施例三提供的发光二极管外延片制作方法流程图；
图4是本发明实施例四提供的发光二极管外延片制作方法流程图。
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01、依次覆盖在衬底01上的缓冲层02、N型层03、发光层04和P型层05，外延片还包括三维重结晶层06，三维重结晶层06生长在缓冲层02和N型层03之间，且三维重结晶层06是采用分段的三维生长方式生成的GaN层，每一段三维重结晶层生长压力不同。
具体地，衬底01可以是以晶向为[0001]的Al2O3蓝宝石为衬底。
具体地，缓冲层02为GaN缓冲层，厚度在15至40nm间。
具体地，三维重结晶层06是在缓冲层02上采用三维生长方式生成的GaN层，三维生长是指GaN的主要生长方式为纵向生长。三维重结晶层06厚度在400-600nm间，生长温度在1010℃与1040℃之间，该三维重结晶层06两段生长的压力分别为500Torr-800Torr，100Torr-300Torr。此层的目的在于让缓冲层02生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成我们生长需要的核岛(GaN多晶，缓冲层在升温条件下重结晶形成的小岛)，并烤掉生长不稳定的多晶(衬底图形顶端不稳定的GaN)，时间在10分钟至20分钟之间。
进一步地，该外延片还包括生长于三维重结晶层06和N型层3之间的填平层07。填平层07厚度在500-800nm间。填平层07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。该填平层多为高温缓慢生长的无掺杂GaN层。
进一步地，该外延片还包括生长于填平层和N型层之间的未掺杂层08。未掺杂层08为u-GaN层，未掺杂层08厚度在1.0至2.0微米间。未掺杂层08是不掺杂的本征GaN层，有利于同质磊晶，为下一层n-GaN的同质磊晶做好铺垫，从而提高发光效率。
具体地，N型层03为Si掺杂的n-GaN层，厚度在1-3微米之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间。
具体地，发光层04为多量子阱MQW结构，MQW结构包括5到11个周期交替生长的InyGa1-yN(0<y<1)和GaN，阱厚在3-4nm左右。MQW中垒的厚度在9nm至15nm间。
具体地，P型层05包括：依次覆盖在发光层上的低温P型掺杂GaN层51、P型AlxGa1-xN电子阻挡层52和高温P型掺杂GaN层53，0.1<x<0.5。
低温P型掺杂GaN层51厚度在30nm-50nm间。
P型AlxGa1-xN电子阻挡层52厚度在50nm至100nm间。
高温P型掺杂GaN层53厚度在100nm至300nm之间。
进一步地，该外延片还包括覆盖在P型层05上的P型接触层09。这一层的作用是形成欧姆接触，减少接触势能，从而减小电阻，提高发光效率。P型接触层09厚度为5nm至100nm之间。
本发明实施例通过在缓冲层和N型层之间生长一层三维重结晶层，让缓冲层生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成核岛，且三维重结晶层采用分段的生长方式，能够减少底层线位错密度，有效提高GaN磊晶生长的底层生长质量，提高了内量子效率，更有利于复合发光，最终达到提高LED发光效率的目的。
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，该外延片与实施例结构类似，包括衬底01、依次覆盖在衬底01上的缓冲层02、N型层03、发光层04和P型层05，外延片还包括三维重结晶层06，三维重结晶层06生长在缓冲层02和N型层03之间。
与实施例一不同之处出在于，在本实施例中还对三维重结晶层06的生长温度进行了限定。即
在本发明实施例的一种实现方式中，三维重结晶层06包括：在相同温度不同压力下生长而成的第一重结晶子层61和第二重结晶子层62，第一重结晶子层61覆盖在缓冲层02上，第二重结晶子层62覆盖在第一重结晶子层61上。
在这种实现方式中，第一重结晶子层61厚度在400-500nm间，生长压力在500Torr-800Torr之间，生长温度在1010℃与1040℃之间，时间在5分钟至10分钟之间。第二重结晶子层62厚度在800-1000nm间，生长压力在100Torr-300Torr之间，生长温度在1010℃与1040℃之间，时间在10至15分钟之间。
在本发明实施例的另一种实现方式中，三维重结晶层06包括：在不同温度不同压力下生长而成的第一重结晶子层61和第二重结晶子层62，第一重结晶子层61覆盖在缓冲层02上，第二重结晶子层62覆盖在第一重结晶子层61上。
在这种实现方式中，第一重结晶子层61厚度在400-500nm间，生长压力在500Torr-800Torr之间，生长温度在1010℃与1030℃之间，时间在5分钟至10分钟之间。第二重结晶子层62厚度在800-1000nm间，生长压力在100Torr-300Torr之间，生长温度在1030℃与1040℃之间，时间在10至15分钟之间。
这种两段生长的方式可以减少底层(衬底和缓冲层)的磊晶线缺陷，使底层质量生长的更好，内量子效率更高。
通过对上述两种实现方式生成的三维重结晶层06的外延层结构的X射线衍射分析，可以知道，采用变压变温生长三维重结晶层06的外延结构的X射线衍射半宽较小，说明磊晶生长的GaN材料线位错较少，晶体体质量较好，因此发光效率较同温变压方式更好。
与实施例一相同之处还在于，该外延片还包括填平层07，未掺杂层08，P型接触层09。且前述P型层05包括：依次覆盖在发光层上的低温P型掺杂GaN层51、P型AlxGa1-xN电子阻挡层52和高温P型掺杂GaN层53，0.1<x<0.5。
在外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温外延生长结束。
本发明实施例通过在缓冲层和N型层之间生长一层三维重结晶层，让缓冲层生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成核岛，并在升温过程中烤掉在缓冲层生长的不稳定的多晶，从而减少底层线位错密度，有效提高GaN磊晶生长的底层生长质量，提高了内量子效率，更有利于复合发光，最终达到提高LED发光效率的目的。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片制作方法，该方法适用于实施例一中的外延片，参见图3，该方法包括：
步骤301：提供衬底并在衬底上生长缓冲层。
具体地，衬底以晶向为[0001]的Al2O3蓝宝石为衬底，并在在氢气气氛中退火1-10分钟，从而清洁衬底表面，然后在温度为1000℃与1200℃之间进行氮化处理，在衬底表面形成薄薄的一层游离态氮更有利于缓冲层成核。
具体地，缓冲层为GaN缓冲层，厚度在15至40nm间，生长温度在400℃与600℃之间，生长压力在400Torr至600Torr之间。
步骤302：在缓冲层上采用分段的三维生长方式生长三维重结晶层，每一段三维重结晶层生长压力不同。
具体地，三维重结晶层是在缓冲层上采用三维生长方式生成的GaN层，三维生长是指GaN的主要生长方式为纵向生长。三维重结晶层厚度在400-600nm间，生长温度在1010℃与1040℃之间，该三维重结晶层两段生长的压力分别为500Torr-800Torr，100Torr-300Torr。此层的目的在于让缓冲层生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成我们生长需要的核岛(GaN多晶，缓冲层在升温条件下重结晶形成的小岛)，并烤掉生长不稳定的多晶(衬底图形顶端不稳定的GaN)，时间在10分钟至20分钟之间。
步骤303：在三维重结晶层上依次生长N型层、发光层和P型层。
具体地，N型层为Si掺杂的n-GaN层，厚度在1-3微米之间，生长温度在1000℃-1100℃，压力在100Torr至500Torr之间，Si掺杂浓度在1018cm-3-1019cm-3之间。
具体地，发光层为多量子阱MQW结构，MQW结构包括5到11个周期交替生长的InyGa1-yN(0<y<1)和GaN，阱厚在3-4nm左右，生长温度的范围在720℃-800℃间，压力范围在100Torr与500Torr之间。MQW中垒的厚度在9nm至15nm间，生长温度在900℃-950℃，生长压力在100Torr到500Torr之间。
具体地，生长P型层包括：在发光层上依次生长低温P型掺杂GaN层、P型AlxGa1-xN电子阻挡层和高温P型掺杂GaN层，0.1<x<0.5。
低温P型掺杂GaN层厚度在30nm-50nm间，生长压力在100Torr到500Torr之间，生长温度在750℃-850℃间。
P型AlxGa1-xN电子阻挡层厚度在50nm至100nm间，生长温度继续在900℃与1000℃之间，生长压力为200Torr与500Torr之间。
高温P型掺杂GaN层厚度在100nm至300nm之间，生长温度在850℃-1000℃之间，生长压力区间为100Torr-300Torr。
进一步地，该方法还可以包括：
在三维重结晶层上生长N型层前，生长一层填平层。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。该填平层多为高温缓慢生长的无掺杂GaN层。填平层厚度在500-800nm间，生长温度在1040℃-1080℃之间，时间为20-40分钟。三维重结晶层生长之后，提高生长速率，进行二维生长继续填平PSS图形。
在填平层上生长N型层前，生长一层未掺杂层。
未掺杂层为u-GaN层，未掺杂层厚度在1.0至2.0微米间，生长温度在1050℃-1100℃之间，生长压力在100Torr至500Torr之间。这一层是不掺杂的本征GaN层，有利于同质磊晶，为下一层n-GaN的同质磊晶做好铺垫，从而提高发光效率。
在P型层生长完成后，生长一层P型接触层。这一层的作用是形成欧姆接触，减少接触势能，从而减小电阻，提高发光效率。
P型接触层厚度为5nm至100nm之间，生长温度区间为850℃-1000℃，生长压力为100Torr-300Torr之间。
在外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温外延生长结束。
外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成单颗尺寸大小为7*9mil的LED芯片。经过LED芯片测试后发现，光效有明显提升。
本发明实施例通过在缓冲层和N型层之间生长一层三维重结晶层，让缓冲层生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成核岛，且三维重结晶层采用分段的生长方式，能够减少底层线位错密度，有效提高GaN磊晶生长的底层生长质量，提高了内量子效率，更有利于复合发光，最终达到提高LED发光效率的目的。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片制作方法，该方法适用于实施例二中的外延片，参见图4，该方法包括：
步骤401：提供衬底并在衬底上生长缓冲层。
衬底的处理工艺以及缓冲层的生长过程与实施例三相同，每一层的厚度、生长时间、生长环境与实施例三相同，这里不再赘述。
步骤402：在缓冲层上三维生长第一重结晶子层。
步骤403：在第一重结晶子层上三维生长第二重结晶子层。
在本发明实施例的一种实现方式中，第一重结晶子层和第二重结晶子层的生长温度相同，生长压力不同。
在本发明实施例的另一种实现方式中，第一重结晶子层和第二重结晶子层的生长温度不同，生长压力不同。
通过对上述两种实现方式生成的三维重结晶层的外延层结构的X射线衍射分析，可以知道，采用变压变温生长三维重结晶层的外延结构的X射线衍射半宽较小，说明磊晶生长的GaN材料线位错较少，晶体体质量较好，因此发光效率较同温变压方式更好。
步骤404：在第二重结晶子层上依次生长N型层、发光层和P型层。
N型层、发光层和P型层的生长过程与实施例三相同，每一层的厚度、生长时间、生长环境与实施例三相同，这里不再赘述。
进一步地，该方法还可以包括：
在第二重结晶子层上生长N型层前，生长一层填平层。
在填平层上生长N型层前，生长一层未掺杂层。
在P型层生长完成后，生长一层P型接触层。
填平层、未掺杂层和P型接触层的生长过程与实施例三相同，每一层的厚度、生长时间、生长环境与实施例三相同，这里不再赘述。
在外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温外延生长结束。
外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成单颗尺寸大小为7*9mil的LED芯片。经过LED芯片测试后发现，光效有明显提升。
本发明实施例通过在缓冲层和N型层之间生长一层三维重结晶层，让缓冲层生长的多晶重结晶为GaN单晶，这些单晶慢慢变大，形成核岛，并在升温过程中烤掉缓冲层生长的不稳定的多晶，从而减少底层线位错密度，有效提高GaN磊晶生长的底层生长质量，提高了内量子效率，更有利于复合发光，最终达到提高LED发光效率的目的。
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 (6)
1.一种发光二极管外延片，所述外延片包括衬底、依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、N型层、发光层和P型层，其特征在于，所述外延片还包括三维重结晶层，所述三维重结晶层生长在所述缓冲层和所述N型层之间，且所述三维重结晶层是采用分段的三维生长方式生成的GaN层，每一段所述三维重结晶层生长压力不同，所述三维重结晶层包括：在不同温度不同压力下生长而成的第一重结晶子层和第二重结晶子层，所述第一重结晶子层覆盖在所述缓冲层上，所述第二重结晶子层覆盖在所述第一重结晶子层上，所述第一重结晶子层的生长温度在1010℃与1030℃之间，所述第二重结晶子层的生长温度在1030℃与1040℃之间。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述P型层包括：依次覆盖在所述发光层上的低温P型掺杂GaN层、P型AlxGa1-xN电子阻挡层和高温P型掺杂GaN层，0.1<x<0.5。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述发光层为多量子阱结构，所述多量子阱结构包括5到11个周期交替生长的InyGa1-yN和GaN，0<y<1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括生长于所述三维重结晶层和所述N型层之间的填平层。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括生长于所述填平层和所述N型层之间的未掺杂层，所述未掺杂层为u-GaN层。
6.一种发光二极管外延片制作方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底并在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上采用分段的三维生长方式生长三维重结晶层，每一段所述三维重结晶层生长压力不同；
在所述三维重结晶层上依次生长N型层、发光层和P型层；
所述在所述缓冲层上采用分段的三维生长方式生长三维重结晶层，包括：
所述缓冲层上三维生长第一重结晶子层；
在所述第一重结晶子层上三维生长第二重结晶子层；
所述第一重结晶子层和所述第二重结晶子层的生长温度不同，生长压力不同，所述第一重结晶子层的生长温度在1010℃与1030℃之间，所述第二重结晶子层的生长温度在1030℃与1040℃之间。
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