CN104716237A - 一种GaN基LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaN基LED外延片，包括：衬底；形成在所述衬底上的缓冲层；形成在所述缓冲层上的N型GaN层；形成在所述N型GaN层上的发光层；形成在所述发光层上的P型GaN层；形成在所述P型GaN层上的第一超晶格接触层，所述第一超晶格接触层为InGaN/AlGaN超晶格结构。该GaN基LED外延片可降低P型GaN层的欧姆接触电阻，从而降低了LED芯片的电压。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种GaN基外延片及其制备方法。
背景技术
随着发光二极管LED产业的不断发展，LED凭借其节能环保的优势成为新一代的照明光源，同时LED器件的性能上也不断向亮度高、可靠性好的方向发展。外延片的电压性能能够反映LED器件的可靠性，外延片的电压性能与外延生长结构和接触方式有关。LED器件采用金属与半导体接触，属于欧姆接触，降低LED器件的欧姆电阻的意义在于降低寄生压降，提高器件的可靠性及其寿命，这对于半导体器件的性能研究有着极其重要的意义。
市场上的LED多数为氮化物LED，目前有采用一些方法改进Ⅲ族氮化物欧姆接触特性，比如在半导体表面沉积高功函数的金属或导电氧化物、进行表面处理和对接触层重掺杂，其目的在于降低金属与半导体界面载流子隧穿势垒高度，达到降低电压的效果。
要得到高质量的氮化物半导体层欧姆接触必须考虑两个问题：（1）金属与半导体层之间的功函数不同，金属的功函数不能与半导体层的功函数匹配，例如p_GaN功函数在7.5ev，而金属功函数最高的铂（pt）在5.65ev；（2）空穴浓度高的半导体层很难得到，例如p-GaN的Mg掺杂浓度很高，但是被活化提供空穴的Mg浓度却不高，这是由于Mg会形成深受主能级，而且Mg的离化能很高，因此低的载流子浓度限制了形成低欧姆接触所需的隧道电流，同时也限制了电流扩展能力。
发明内容
本发明为改善LED器件半导体层的欧姆接触特性，提供一种LED外延片及其制备方法，可降低LED外延片p型半导体的欧姆接触电阻，从而降低LED芯片电压，提高LED芯片的可靠性。
本发明提供一种GaN基LED外延片，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的缓冲层；
形成在所述缓冲层上的N型GaN层；
形成在所述N型GaN层上的发光层；
形成在所述发光层上的P型GaN层；
形成在所述P型GaN 层上的第一超晶格接触层，所述第一超晶格接触层为InGaN/AlGaN超晶格结构。
可选地，所述第一超晶格接触层包括多个InGaN/AlGaN超晶格结构，所述多个InGaN/AlGaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层AlGaN层。
本发明的一个实施例中，所述GaN基LED外延片还包括，形成在第一超晶格接触层上的第二超晶格接触层，所述第二超晶格接触层为InGaN/GaN超晶格结构。
可选地，所述第二超晶格接触层包括多个InGaN/GaN超晶格结构，所述多个InGaN/GaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层GaN层。
优选地，所述第一超晶格接触层和第二超晶格接触层中掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3。
本发明还提供一种GaN基LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1. 提供衬底；
S2.在所述衬底上形成缓冲层；
S3.在所述缓冲层上形成N型GaN层；
S4.在所述N型GaN层上形成发光层；
S5.在所述发光层上形成P型GaN层；
S6.在所述P型GaN 层上形成第一超晶格接触层，所述第一超晶格接触层为InGaN/AlGaN超晶格结构。
可选地，所述第一超晶格接触层包括多个InGaN/AlGaN超晶格结构，所述多个InGaN/AlGaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层AlGaN层。
本发明的一个实施例中，所述GaN基LED外延片的制备方法，还包括，在第一超晶格接触层上形成第二超晶格接触层，所述第二超晶格接触层为InGaN/GaN超晶格结构。
可选地，所述第二超晶格接触层包括多个InGaN/GaN超晶格结构，所述多个InGaN/GaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层GaN层。
优选地，所述第一超晶格接触层和第二超晶格接触层中掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3。
本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在P型GaN层上形成InGa/AlGaN超晶格接触层，InGaN层与AlGaN层的禁带宽度不同，造成InGaN与AlGaN界面能带不连续，极化效应显著，因此InGa/AlGaN超晶格结构对载流子具有很好的空间限制作用，提高载流子扩展性能，使得InGaN与AlGaN界面层的二维空穴气浓度很高，从而增大了载流子隧穿机率，降低了P型GaN层的欧姆接触电阻，降低LED芯片电压。
2、本发明的超晶格接触层采用InGaN，由于InGaN和P型GaN层的晶格常数的差异，导致在生长过程中因应力的产生而出现压电极化效应，由于压电极化效应的作用导致InGaN层中产生一个很强的内建电场使得InGaN层能带发生倾斜，能带的倾斜使得载流子隧穿势垒高度降低，有助于增加载流子隧穿机率，而隧穿载流子数目的增多降低了P型GaN层的欧姆接触电阻。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的GaN基LED外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例的GaN基LED外延片的第一超晶格接触层的结构示意图；
图3是本发明另一个实施例的GaN基LED外延片的结构示意图；
图4是本发明另一实施例的GaN基LED外延片的第一超晶格接触层和第二超晶格接触层的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1、图2所示，本发明提供一种GaN基LED外延片，包括：衬底100；形成在所述衬底100上的缓冲层200；形成在所述缓冲层200上的N型GaN层300；形成在所述N型GaN层300上的发光层400；形成在所述发光层400上的P型GaN层600；形成在所述P型GaN 层600上的第一超晶格接触层700，所述第一超晶格接触层为InGaN/AlGaN超晶格结构。
本发明在P型GaN层600上形成InGa/AlGaN超晶格接触层，InGaN层701与AlGaN层702的禁带宽度不同，造成InGaN与AlGaN界面能带不连续，极化效应显著，因此InGa/AlGaN超晶格结构对载流子具有很好的空间限制作用，提高载流子扩展性能，使得InGaN与AlGaN界面层的二维空穴气浓度很高，从而增大了载流子隧穿机率，降低了P型GaN层600的欧姆接触电阻，降低LED芯片电压。
其次，本发明的超晶格接触层采用InGaN，由于InGaN和P型GaN层600的晶格常数的差异，导致在生长过程中因应力的产生而出现压电极化效应，由于压电极化效应的作用导致InGaN层701中产生一个很强的内建电场使得InGaN层701能带发生倾斜，能带的倾斜使得载流子隧穿势垒高度降低，有助于增加载流子隧穿机率，而隧穿载流子数目的增多降低了P型GaN层600的欧姆接触电阻。
所述衬底100优选图形化衬底，有益于生长较好质量的外延层，可以有效减少外延层的位错密度，从而减小发光层的非辐射复合，提高内量子效率，提高LED芯片性能。衬底100的材料可为蓝宝石、硅（Si）、碳化硅（SiC）或氧化锌（ZnO）等。
所述第一超晶格接触层700为InGaN/AlGaN超晶格结构，InGaN/AlGaN超晶格结构由下至上依次包括InGaN层701、AlGaN层702。优选地，所述第一超晶格接触层700包括多个InGaN/AlGaN超晶格结构，即是交替生长多层InGaN层701和多层AlGaN层702，具有多个InGaN/AlGaN超晶格结构的第一超晶格接触层能够更好的达到本发明的技术效果，考虑到工艺的复杂性和耗时，一般选择生长N个InGaN/AlGaN超晶格结构，2≤N≤6。所述InGaN层701的厚度为1nm~4nm，In组分在0%~20%之间；所述AlGaN层702的厚度为1nm~5nm，Al组分在0%~20%之间。
优选地，所述InGaN层701和AlGaN层702掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3，在InGaN/AlGaN超晶格结构中掺杂Si，由于电子的质量比空穴的质量要轻，在同样的外部驱动下，载流子移动更快，载流子数目更多，更有利于降低电阻、电压。
可选地，所述GaN基LED外延片还包括形成在发光层400和P型GaN层600之间的电子阻挡层500，在本发明实施例中，电子阻挡层500为AlGaN层。电子阻挡层500可阻挡电子从发光层中溢出，提高发光层载流子的复合效率，从而提升LED外延片的发光效率。
如图3、图4所示，本发明的另一个实施例提供一种GaN基LED外延片，包括：衬底100；形成在所述衬底100上的缓冲层200；形成在所述缓冲层200上的N型GaN层300；形成在所述N型GaN层300上的发光层400；形成在所述发光层400上的P型GaN层600；形成在所述P型GaN 层600上的第一超晶格接触层700，所述第一超晶格接触层700为InGaN/AlGaN超晶格结构；以及，形成在第一超晶格接触层700上的第二超晶格接触层800，所述第二超晶格接触层800为InGaN/GaN超晶格结构。本实施例的LED外延片与上述第一个实施例相比，区别在于，在第一超晶格接触层700上增加了第二超晶格接触层800，所述第二超晶格接触层800为InGaN/GaN超晶格结构。
由于InGaN、GaN、AlGaN晶格常数的不同，在InGaN/AlGaN超晶格结构上增加InGaN/GaN超晶格结构，能调制InGaN/AlGaN超晶格结构（第一超晶格接触层）的应力，提高第一超晶格接触层的晶体质量，减少缺陷，有利于载流子的扩散，降低接触电阻。
所述第二超晶格接触层800为InGaN/GaN超晶格结构，InGaN/GaN超晶格结构由下至上依次包括InGaN层801、GaN层802。可选地，所述第二超晶格接触层800包括多个InGaN/GaN超晶格结构，即是交替生长多层InGaN层801和多层GaN层802，一般是在第一超晶格接触层700的AlGaN层702上生长第二超晶格接触层800的InGaN层801，再生长GaN层802，然后依照此次序层叠生长InGaN层801和GaN层802。具有多个InGaN/AlGaN超晶格结构的第二超晶格接触层800能够更好的达到本发明的技术效果，但是考虑到工艺的复杂性和耗时，一般选择生长M个InGaN/GaN超晶格结构，2≤M≤6。所述InGaN层801的厚度为1nm~4nm，In组分在0%~20%之间；所述GaN层802的厚度为1nm~5nm。
优选地，第二超晶格接触层800的InGaN层801和GaN层802掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3，在InGaN/GaN超晶格结构中掺杂Si，能够产生更多的电子，由于电子的质量比空穴的质量要轻，在同样的外部驱动下，载流子移动更快，载流子数目更多，更有利于降低电阻、电压。
综上所述，在本发明中，LED外延片的接触层采用InGaN/AlGaN和InGaN/GaN超晶格结构相结合，不仅使载流子隧穿势垒高度降低，增大载流子隧穿几率，降低接触电阻，而且能有效调制应力，改善晶格的质量，减少缺陷，有利于载流子的扩散，从而更加有效的降低接触电阻，进一步降低外延片电压。
本发明还提供一种GaN基LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1. 提供衬底100；
S2.在所述衬底100上形成缓冲层200；
S3.在所述缓冲层200上形成N型GaN层300；
S4.在所述N型GaN层300上形成发光层400；
S5.在所述发光层400上形成P型GaN层600；
S6.在所述P型GaN 层600上形成第一超晶格接触层700，所述第一超晶格接触层700为InGaN/AlGaN超晶格结构。
下面结合附图详细阐述本发明的LED外延片的制备方法，对本发明中LED外延片及其有益效果也会在制备方法中作详细说明。在具体实施过程中，本发明LED外延层的生长采用MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积法）的方法，以氨气（NH3）作为氮源，三甲基镓( TMGa)、三乙基镓（TEGa）作为镓源，三甲基铟（TMIn）作为铟源，三甲基铝作为铝源，硅烷(SiH4) 作为硅掺杂源，二茂镁（Cp2Mg）作为镁掺杂源，氮气（N2）、氢气( H2 )作为载气。
S1. 提供衬底100；
所述衬底100优选图形化衬底，有益于生长较好质量的外延层，可以有效减少外延层的位错密度，从而减小发光层的非辐射复合，提高内量子效率，提高LED芯片性能。衬底100的材料可为蓝宝石、硅（Si）、碳化硅（SiC）或氧化锌（ZnO）等。
S2.在所述衬底100上形成缓冲层200。
在衬底100上生长缓冲层200，以提高外延层的生长质量，在本发明实施例中，所述缓冲层200为GaN。
S3.在所述缓冲层200上形成N型GaN层300。
S4.在所述N型GaN层300上形成发光层400；
S5.在所述发光层400上形成P型GaN层600；
在步骤S3-S5中，N型GaN层300、发光层400、P型GaN层600的生长过程为本领域技术人员所熟知，可根据实际情况的需要作不同的设定，在本发明中，发光层400为InGaN/GaN多量子阱层，多量子阱层生长过程中的各项工艺参数可根据需要设定，在此不再赘述。
S6.在所述P型GaN 层600上形成第一超晶格接触层700，所述第一超晶格接触层700为InGaN/AlGaN超晶格结构。
在本发明的一个实施例中，具体包括以下步骤：
S61.在P型GaN层600上生长InGaN层701；选用高纯度的N2作为载气，在730-780℃下生长形成InGaN层701，所述InGaN层701的厚度为1nm~4nm，In组分在0%~20%之间。
S62.在InGaN层701上生长AlGaN层702；选用高纯度N2或H2作为载气，在730-800℃下生长形成AlGaN层702，所述AlGaN层702的厚度为1nm~5nm， Al组分在0%~20%之间，Si的掺杂浓度在0~1e19cm-3。
优选地，InGaN层701和AlGaN层702掺杂硅，硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3，在InGaN/GaN超晶格结构中掺杂硅，能够产生更多的电子，由于电子的质量比空穴的质量要轻，在同样的外部驱动下，载流子移动更快，载流子数目更多，更有利于降低电阻、电压。
步骤S61和S62形成一个InGaN/AlGaN超晶格结构，可选地，第一超晶格接触层700由多个InGaN/AlGaN超晶格结构重复生长形成，InGaN/AlGaN超晶格的个数为N，考虑到工艺的复杂性和耗时，2≤N≤6。
可选地，在发光层400和P型GaN层600之间形成电子阻挡层500，在本发明实施例中，电子阻挡层500为AlGaN层。电子阻挡层500可阻挡电子从发光层中溢出，提高发光层载流子的复合效率，从而提升LED外延片的发光效率。
本发明的另一个实施例还提供一种GaN基LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1. 提供衬底100；
S2.在所述衬底100上形成缓冲层200；
S3.在所述缓冲层200上形成N型GaN层300；
S4.在所述N型GaN层300上形成发光层400；
S5.在所述发光层400上形成P型GaN层600；
S6.在所述P型GaN 层600上形成第一超晶格接触层700，所述第一超晶格接触层700为InGaN/AlGaN超晶格结构；
S7.在第一超晶格接触层700上形成第二超晶格接触层800，所述第二超晶格接触层800为InGaN/GaN超晶格结构。
本实施例LED外延片的制备方法与上述第一个实施例相比，区别在于，在第一超晶格接触层700上形成第二超晶格接触层800，所述第二超晶格接触层800为InGaN/GaN超晶格结构。
步骤S7具体包括以下步骤：
S71.在第一超晶格接触层700上生长InGaN层801；选用高纯度的N2作载气，在730~780℃下生长形成InGaN层801，所述InGaN层801的厚度为1nm~4nm，In组分在0%~20%之间，优选地，InGaN层801掺杂硅，硅的掺杂浓度在0~1e19cm-3。
S72.在所述InGaN层801上生长GaN层802；选用高纯度的N2或H2作载气，在730~800℃下生长形成GaN层802，所述GaN层802的厚度为1nm~5nm，优选地， GaN层802掺杂硅，硅的掺杂浓度在0~1e19cm-3。
步骤S71和S72形成一个InGaN/GaN超晶格结构，可选地，第二超晶格接触层800由多个InGaN/GaN超晶格结构重复生长形成，InGaN/GaN超晶格的个数为M，考虑到工艺的复杂性和耗时，2≤M≤6。
本实施例中，LED外延片的接触层采用InGaN/AlGaN超晶格和InGaN/GaN超晶格结构相结合，不仅使载流子隧穿势垒高度降低，增大载流子隧穿几率，降低接触电子，而且能有效调制应力，改善晶格的质量，减少缺陷，有利于载流子的扩散，从而更加有效的降低接触电阻，进一步降低外延片电压。
可选地，在发光层400和P型GaN层600之间形成电子阻挡层500，在本发明实施例中，电子阻挡层500为AlGaN层。电子阻挡层500可阻挡电子从发光层中溢出，提高发光层载流子的复合效率，从而提升LED外延片的发光效率。
综上所述，本发明在P型GaN层上形成InGa/AlGaN超晶格接触层，InGaN层与AlGaN层的禁带宽度不同，造成InGaN与AlGaN界面能带不连续，极化效应显著，因此InGa/AlGaN超晶格结构对载流子具有很好的空间限制作用，提高载流子扩展性能，使得InGaN与AlGaN界面层的二维空穴气浓度很高，从而增大了载流子隧穿机率，降低了P型GaN层的欧姆接触电阻，降低LED芯片电压。
其次，本发明的超晶格接触层采用InGaN，由于InGaN和P型GaN层的晶格常数的差异，导致在生长过程中因应力的产生而出现压电极化效应，由于压电极化效应的作用导致InGaN层中产生一个很强的内建电场使得InGaN层能带发生倾斜，而能带的倾斜使得载流子隧穿势垒高度降低，有助于增加载流子隧穿机率，而隧穿载流子数目的增多降低了P型GaN层的欧姆接触电阻。
最后，在InGaN/AlGaN超晶格结构上增加InGaN/GaN超晶格结构，能调制第一超晶格接触层的应力，提高第一超晶格接触层的晶体质量，减少缺陷，有利于载流子的扩散，降低接触电阻。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基LED外延片，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的缓冲层；
形成在所述缓冲层上的N型GaN层；
形成在所述N型GaN层上的发光层；
形成在所述发光层上的P型GaN层；
形成在所述P型GaN 层上的第一超晶格接触层，所述第一超晶格接触层为InGaN/AlGaN超晶格结构。
2.如权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述第一超晶格接触层包括多个InGaN/AlGaN超晶格结构，所述多个InGaN/AlGaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层AlGaN层。
3.如权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，还包括，形成在第一超晶格接触层上的第二超晶格接触层，所述第二超晶格接触层为InGaN/GaN超晶格结构。
4.如权利要求3所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述第二超晶格接触层包括多个InGaN/GaN超晶格结构，所述多个InGaN/GaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层GaN层。
5.如权利要求3所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述第一超晶格接触层和第二超晶格接触层中掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3。
6.一种GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 提供衬底；
S2.在所述衬底上形成缓冲层；
S3.在所述缓冲层上形成N型GaN层；
S4.在所述N型GaN层上形成发光层；
S5.在所述发光层上形成P型GaN层；
S6.在所述P型GaN 层上形成第一超晶格接触层，所述第一超晶格接触层为InGaN/AlGaN超晶格结构。
7.如权利要求6所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一超晶格接触层包括多个InGaN/AlGaN超晶格结构，所述多个InGaN/AlGaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层AlGaN层。
8.如权利要求6所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，还包括，在第一超晶格接触层上形成第二超晶格接触层，所述第二超晶格接触层为InGaN/GaN超晶格结构。
9.如权利要求8所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第二超晶格接触层包括多个InGaN/GaN超晶格结构，所述多个InGaN/GaN超晶格结构为交替层叠的多层InGaN层和多层GaN层。
10.如权利要求8所述的GaN基LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一超晶格接触层和第二超晶格接触层中掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为0~1e19cm-3。
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