CN105098004A - 一种发光二极管外延片的生长方法及外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的生长方法及外延片，属于半导体技术领域。所述生长方法包括：依次在衬底上生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层；在N型层上交替生长第一InGaN阱层和第一GaN垒层，形成第一有源层；在第一有源层上交替生长第二InGaN阱层和第二GaN垒层，形成第二有源层；依次在第二有源层上生长电子阻挡层、P型层；第二有源层的生长压力低于第一有源层的生长压力，第二有源层的生长速度低于第一有源层的生长速度，第二有源层的厚度小于第一有源层的厚度；沿发光二极管外延片的生长方向，第二InGaN阱层的生长压力逐层降低、生长速度逐层变慢、厚度逐层减小。本发明发光效率高。
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的生长方法及外延片。
背景技术
LED(LightEmittingDiode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
外延片是制造LED的重要部件。现有的外延片的生长方法包括：依次在衬底上生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层。其中，有源层由InGaN层和GaN层交替生长形成。
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：
生长温度越高，一方面反应越迅速和完全，晶格质量越好，另一方面In析出越严重(In不能掺杂到晶格中)，析出的In不能有效参与反应，InGaN层被破坏，由于InGaN层和GaN层的生长温度是固定不变的，因此InGaN层和GaN层的生长温度需要同时兼顾晶格质量和In的并入效率(In掺入晶格中的多少)，LED的发光效率有限。
发明内容
为了解决现有技术LED的发光效率有限的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法及外延片。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的生长方法，所述生长方法包括：
依次在衬底上生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层；
在所述N型层上交替生长第一InGaN阱层和第一GaN垒层，形成第一有源层；
在所述第一有源层上交替生长第二InGaN阱层和第二GaN垒层，形成第二有源层；
依次在所述第二有源层上生长电子阻挡层、P型层；
其中，所述第二有源层的生长压力低于所述第一有源层的生长压力，所述第二有源层的生长速度低于所述第一有源层的生长速度，所述第二有源层的厚度小于所述第一有源层的厚度；所述第二InGaN阱层的生长压力逐层降低，所述第二InGaN阱层的生长速度逐层变慢，所述第二InGaN阱层的厚度逐层减小。
可选地，所述第一有源层的生长压力为200-350torr。
可选地，所述第二GaN垒层的生长压力为100-200torr。
可选地，所述第二InGaN阱层的生长压力的取值范围为100-180torr。
可选地，所述第一有源层的生长速度与所述第二有源层的生长速度之比大于1且不大于4。
可选地，所述第一有源层的厚度与所述第二有源层的厚度之比大于1且不大于4。
优选地，所述第一有源层的厚度为90-180nm，所述第二有源层的厚度为50-90nm。
可选地，所述第一InGaN阱层、所述第一GaN垒层、所述第二InGaN阱层、以及所述第二GaN垒层的层数之和为24-36。
可选地，所述第一InGaN阱层和所述第一GaN垒层的层数之和为12-24，所述第二InGaN阱层和所述第二GaN垒层的层数之和为4-12。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、电子阻挡层、P型层，在所述N型层和所述P型层之间依次生长第一有源层、第二有源层，所述第一有源层由交替生长的第一InGaN阱层和第一GaN垒层形成，所述第二有源层由交替生长的第二InGaN阱层和第二GaN垒层形成；
其中，所述第二有源层的生长压力低于所述第一有源层的生长压力，所述第二有源层的生长速度低于所述第一有源层的生长速度，所述第二有源层的厚度小于所述第一有源层的厚度；沿所述发光二极管外延片的生长方向，所述第二InGaN阱层的生长压力逐层降低，所述第二InGaN阱层的生长速度逐层变慢，所述第二InGaN阱层的厚度逐层减小。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过先生长第一有源层，第一有源层的生长压力较高，有利于三维生长，产生的缺陷(pits)体积较大，体积较大的缺陷可以有效阻挡底层延伸上来的pits，提高了整体的晶体质量；第一有源层的生长速度较快，反应分子的迁移率较高、反应迅速且充分，晶格质量较好；第一有源层的厚度较厚，增加了电子和空穴在第一有源层中复合发光的几率，提高了发光二极管的发光效率。再在第一有源层上生长第二有源层，第二有源层的生长压力较低，有利于二维生长，产生的pits体积较小，一方面可以消除之前从产生的体积较大的pits，提高晶体质量，另一方面还可以改变复合光的出射角度，增加发光二极管的出光效率；第二有源层的生长速度较慢，可以提高In的并入效率，进而提高第二有源层的发光效率；第二有源层的厚度较薄，有利于空穴的迁移，提高了电子和空穴在第二有源层复合发光的效率。
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生长方法的流程图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的结构示意图。
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发光二极管外延片的生长方法，参见图1，该生长方法包括：
步骤10：对衬底进行预处理。该步骤10为可选步骤。
可选地，衬底可以为蓝宝石。
具体地，该步骤10可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5-8min。其中，反应室温度可以为1000-1100℃，反应室压力可以控制在200-500torr。
步骤11：依次在衬底上生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层。
在本实施例中，采用VeecoK465i/C4MOCVD(MetalOrganicChemicalVaporDeposition，金属有机化学气相沉淀)设备实现LED外延片的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或两者的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100-600torr。
具体地，低温缓冲层等可以生长在蓝宝石的[0001]面上。
可选地，低温缓冲层可以为GaN层，厚度可以为15-30nm。具体地，生长低温缓冲层时，反应室温度可以为530-560℃，反应室压力可以控制在200-500torr。
未掺杂GaN层可以为不掺杂的GaN层，厚度可以为2-3.5um。具体地，生长未掺杂GaN层时，反应室温度可以为1000-1100℃，反应室压力可以控制在200-600torr。
N型层可以为掺Si的GaN层，厚度可以为2-3um。具体地，生长N型层时，反应室温度可以为1000-1100℃，反应室压力可以控制在200-300torr。
步骤12：在N型层上交替生长第一InGaN阱层和第一GaN垒层，形成第一有源层。
在本实施例中，各第一InGaN阱层的生长温度、生长压力、生长速度和厚度可以均相同，各第一GaN垒层的生长温度、生长压力、生长速度和厚度可以均相同。
可选地，第一有源层的生长压力可以为200-350torr。若第一有源层的生长压力低于200torr，则形成的缺陷(pits)体积较小，无法有效阻挡底层延伸上来的pits，整体的晶体质量较差。若第一有源层的生长压力高于350torr，则形成的pits体积过大，会破坏有源层的晶体质量，失去了形成体积较大的pits的意义。
优选地，第一有源层的生长压力可以为250-350torr。既可以保证形成较大体积的pits阻挡底层延伸上来的pits，提高整体的晶体质量，又不会破坏有源层本身的晶体质量。
可选地，第一InGaN阱层和第一GaN垒层的层数之和可以为12-24。若第一InGaN阱层和第一GaN垒层的层数之和小于12，则进行复合发光的量子阱数量较少，发光二极管的发光效率有限；若第一InGaN阱层和第一GaN垒层的层数之和大于24，则一方面会减小电子(向第二有源层)迁移的速度和数量，另一方面会造成生长时间较长、成本增加。
优选地，第一InGaN阱层和第一GaN垒层的层数之和可以为12-20。既保证生长成本合适，又保证发光二极管的发光效率。
步骤13：在第一有源层上交替生长第二InGaN阱层和第二GaN垒层，形成第二有源层。
在本实施例中，第二有源层中任意相邻的两个第二InGaN阱层的生长压力、生长速度和厚度均不同，各第二InGaN阱层的生长温度可以相同，各第二GaN垒层的生长温度、生长压力、生长速度和厚度可以均相同。
第二InGaN阱层的生长温度可以与第一InGaN阱层的生长温度相同，第二GaN垒层的生长温度可以与第一GaN垒层的生长温度相同。第二有源层的生长压力低于第一有源层的生长压力，第二有源层的生长速度低于第一有源层的生长速度，第二有源层的厚度小于第一有源层的厚度。
需要说明的是，第一InGaN阱层的生长速度相同，第二InGaN阱层的生长速度不同，避免了整个量子阱都采用变化的生长速度，可以一定程度上节省总生长时间，并且最主要的是可以提高In的并入效率，从而提高量子阱的发光效率。第二InGaN阱层的厚度不同，有利于空穴尽可能多的(向第一有源层)迁移，与电子复合发光。
具体地，沿发光二极管外延片的生长方向(从N型层一侧到P型层一侧)，第二InGaN阱层的生长压力逐层降低。可以理解地，采用生长压力逐层降低是再次利用低压利于二维生长，对体积较大的pits继续向上延伸起到一定的阻挡作用。
可选地，第二InGaN阱层的生长压力的取值范围可以为100-180torr。既可以对体积较大的pits继续向上延伸起到一定的阻挡作用而提高晶体质量，又可以保证一定数量的体积较小的pits而增加出光效率。
可选地，第二GaN垒层的生长压力可以为100-200torr。若第二GaN垒层的生长压力低于100torr，则形成的pits的体积过小，无法有效消除之前从产生的体积较大的pits，晶体质量较差；若第二GaN垒层的生长压力高于200torr，则形成的pits的体积较大，也无法有效消除之前从产生的体积较大的pits，晶体质量较差，还会由于体积较大的pits的存在影响有源层的发光效率。
优选地，第二GaN垒层的生长压力可以为120-180torr。既可以保证消除之前从产生的体积较大的pits，又可以减小体积较大的pits的存在影响有源层的发光效率的几率。
具体地，沿发光二极管外延片的生长方向，第二InGaN阱层的生长速度逐层变慢。生长速度慢可以增加In的并入效率，而生长速度逐层变慢更有利于In的并入效率。
可选地，第一有源层的生长速度与第二有源层的生长速度之比可以大于1且不大于4。若第一有源层的生长速度与第二有源层的生长速度之比不大于1，则总生长时间较长，成本较高；若第一有源层的生长速度与第二有源层的生长速度之比大于4，则会由于生长速度太快而导致第一有源层的晶体质量较差，从而使得整个有源层(包括第一有源层和第二有源层)的晶体质量都较差，引起无效的电子空穴复合。
优选地，第一有源层的生长速度与第二有源层的生长速度之比可以不小于2且不大于3。既可以保证总生长时间不长，又可以保证整体的晶体质量。
具体地，沿发光二极管外延片的生长方向，第二InGaN阱层的厚度逐层减小。厚度逐层减小可以保证(向第一有源层)迁移的空穴的速度和数量，也可以避免较多电子迁移到P型层而引起无效复合。
可选地，第一有源层的厚度与第二有源层的厚度之比可以大于1且不大于4。考虑到第一有源层和第二有源层均需要达到各自的最小厚度才能实现各自的功能，若第一有源层的厚度与第二有源层的厚度之比不大于1，则在保证第一有源层达到其最小厚度的情况下，第二有源层的厚度会较大，生长时间较长，增加了总生长时间，成本较高；若第一有源层的厚度与第二有源层的厚度之比大于4，则在保证第二有源层达到其最小后的情况下，第一有源层的厚度会较大，电子被限制得较多，(向第二有源层)迁移的速度和数量减少，从而减少了有效发光的量子阱数量，降低了发光效率。
优选地，第一有源层的厚度与第二有源层的厚度之比可以不小于2且不大于3。既不会增加较多的生长时间，也能够保证电子迁移的速度和数量，从而提高有效的复合发光效率。
具体地，第一有源层的厚度可以为90-180nm，第二有源层的厚度可以为50-90nm。
可选地，第二InGaN阱层和第二GaN垒层的层数之和可以为4-12。若第二InGaN阱层和第二GaN垒层的层数之和小于4，则第二InGaN阱层逐层变化的优势无法体现；若第二InGaN阱层和第二GaN垒层的层数之和大于12，则会由于阱垒数太多而影响电子和空穴迁移的数量(电子和空穴的迁移方向相反)，从而影响有效的复合发光效率。
优选地，第二InGaN阱层和第二GaN垒层的层数之和可以为6-10。保证足够数量的电子和空穴迁移，提高了有效的复合发光效率。
可选地，第一InGaN阱层、第一GaN垒层、第二InGaN阱层、以及第二GaN垒层的层数之和可以为24-36。若第一InGaN阱层、第一GaN垒层、第二InGaN阱层、以及第二GaN垒层的层数之和小于24，则会使得有效发光的量子阱数量减少而影响发光效率；若第一InGaN阱层、第一GaN垒层、第二InGaN阱层、以及第二GaN垒层的层数之和大于36，则会由于阱垒数太多而影响电子迁移的数量，从而影响有效的复合发光效率。
优选地，第一InGaN阱层、第一GaN垒层、第二InGaN阱层、以及第二GaN垒层的层数之和可以为24-32。既可以保证发光的量子阱数量，又不会影响电子的迁移速度和数量，从而提高了发光效率。
步骤14：依次在第二有源层上生长电子阻挡层、P型层。
可选地，电子阻挡层可以为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15-0.25)，电子阻挡层的厚度可以为35-60nm。具体地，生长电子阻挡层时，反应室温度可以为930-970℃，反应室压力可以控制在100torr。
P型层可以为掺Mg的GaN层，P型层的厚度可以为60-100nm。具体地，生长P型层时，反应室温度可以为940-970℃，反应室压力控制在200-500torr。
步骤15：活化P型层。该步骤15为可选步骤。
具体地，该步骤15可以包括：
在氮气气氛下，持续处理P型层20-30min。其中，反应室温度为650-750℃，反应室压力控制在200torr。
需要说明的是，活化P型层主要是活化P型层中掺杂的Mg，使Ma活化后产生更多的空穴，避免由于不活化而导致欧姆接触差引起芯片亮度低和电压高的情况。
下面分别对第一样品和第二样品在相同的工艺条件下镀100nm的ITO(IndiumTinOxides，氧化铟锡金属氧化物)层，145nm的Cr/Pt/Au电极和45nm的SiO2保护层，并分别将处理后的第一样品和第二样品研磨切割成254μm*762μm(10mi*30mil)的芯粒和229μm*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中，第一样品是采用有源层由InGaN层和GaN层交替生长形成的发光二极管的生长方法(InGaN层和GaN层的生长温度、生长压力、生长速度、厚度均固定不变)得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管的生长方法得到的。
接着在处理后的第一样品和第二样品的相同位置各自挑选200颗晶粒，在相同的工艺条件下，封装成白光LED。采用积分球分别在驱动电流120mA和60mA条件下测试来自于第一样品的晶粒和来自于第二样品的晶粒的光电性能。
结果显示，两种来自于第二样品的晶粒与比来自于第一样品的晶粒相比，光强分别在120mA和60mA驱动电流下有明显提升，抗静电能力明显升高，说明采用本实施例提供的发光二极管的生长方法得到的第二样品的晶体质量较好。
本发明实施例通过先生长第一有源层，第一有源层的生长压力较高，有利于三维生长，产生的缺陷(pits)体积较大，体积较大的缺陷可以有效阻挡底层延伸上来的pits，提高了整体的晶体质量；第一有源层的生长速度较快，反应分子的迁移率较高、反应迅速且充分，晶格质量较好；第一有源层的厚度较厚，增加了电子和空穴在第一有源层中复合发光的几率，提高了发光二极管的发光效率。再在第一有源层上生长第二有源层，第二有源层的生长压力较低，有利于二维生长，产生的pits体积较小，一方面可以消除之前从产生的体积较大的pits，提高晶体质量，另一方面还可以改变复合光的出射角度，增加发光二极管的出光效率；第二有源层的生长速度较慢，可以提高In的并入效率，进而提高第二有源层的发光效率；第二有源层的厚度较薄，有利于空穴的迁移，提高了电子和空穴在第二有源层复合发光的效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，该发光二极管外延片采用如实施例一提供的发光二极管外延片的生长方法得到的，参见图2，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型层4、第一有源层5、第二有源层6、电子阻挡层7、P型层8。
在本实施例中，第一有源层5由交替生长的第一InGaN阱层51和第一GaN垒层52形成。第二有源层6由交替生长的第二InGaN阱层61和第二GaN垒层62形成。
其中，第二有源层6的生长压力低于第一有源层5的生长压力，第二有源层6的生长速度低于第一有源层5的生长速度，第二有源层6的厚度小于第一有源层5的厚度。沿发光二极管外延片的生长方向(从N型层一侧到P型层一侧)，第二InGaN阱层62的生长压力逐层降低，第二InGaN阱层62的生长速度逐层变慢，第二InGaN阱层61的厚度逐层减小。
可选地，第二InGaN阱层62的生长压力的取值范围可以为100-180torr。
可选地，第二GaN垒层61的生长压力可以为100-200torr。
优选地，第二GaN垒层61的生长压力可以为120-180torr。
可选地，第一有源层5的生长压力可以为200-350torr。
优选地，第一有源层5的生长压力可以为250-350torr。
可选地，第一有源层5的生长速度与第二有源层6的生长速度之比可以大于1且不大于4。
优选地，第一有源层5的生长速度与第二有源层6的生长速度之比可以不小于2且不大于3。
可选地，第一有源层5的厚度与第二有源层6的厚度之比可以大于1且不大于4。
优选地，第一有源层5的厚度与第二有源层6的厚度之比可以不小于2且不大于3。
具体地，第一有源层5的厚度可以为90-180nm，第二有源层6的厚度可以为50-90nm。
可选地，第二InGaN阱层61和第二GaN垒层62的层数之和可以为4-12。
优选地，第二InGaN阱层61和第二GaN垒层62的层数之和可以为6-10。
可选地，第一InGaN阱层51和第一GaN垒层52的层数之和可以为12-24。
优选地，第一InGaN阱层51和第一GaN垒层52的层数之和可以为12-20。
可选地，第一InGaN阱层51、第一GaN垒层52、第二InGaN阱层61、以及第二GaN垒层62的层数之和可以为24-36。
优选地，第一InGaN阱层51、第一GaN垒层52、第二InGaN阱层61、以及第二GaN垒层62的层数之和可以为24-32。
本发明实施例通过先生长第一有源层，第一有源层的生长压力较高，有利于三维生长，产生的缺陷(pits)体积较大，体积较大的缺陷可以有效阻挡底层延伸上来的pits，提高了整体的晶体质量；第一有源层的生长速度较快，反应分子的迁移率较高、反应迅速且充分，晶格质量较好；第一有源层的厚度较厚，增加了电子和空穴在第一有源层中复合发光的几率，提高了发光二极管的发光效率。再在第一有源层上生长第二有源层，第二有源层的生长压力较低，有利于二维生长，产生的pits体积较小，一方面可以消除之前从产生的体积较大的pits，提高晶体质量，另一方面还可以改变复合光的出射角度，增加发光二极管的出光效率；第二有源层的生长速度较慢，可以提高In的并入效率，进而提高第二有源层的发光效率；第二有源层的厚度较薄，有利于空穴的迁移，提高了电子和空穴在第二有源层复合发光的效率。
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的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
依次在衬底上生长低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层；
在所述N型层上交替生长第一InGaN阱层和第一GaN垒层，形成第一有源层；
在所述第一有源层上交替生长第二InGaN阱层和第二GaN垒层，形成第二有源层；
依次在所述第二有源层上生长电子阻挡层、P型层；
其中，所述第二有源层的生长压力低于所述第一有源层的生长压力，所述第二有源层的生长速度低于所述第一有源层的生长速度，所述第二有源层的厚度小于所述第一有源层的厚度；沿所述发光二极管外延片的生长方向，所述第二InGaN阱层的生长压力逐层降低，所述第二InGaN阱层的生长速度逐层变慢，所述第二InGaN阱层的厚度逐层减小。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一有源层的生长压力为200-350torr。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第二GaN垒层的生长压力为100-200torr。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第二InGaN阱层的生长压力的取值范围为100-180torr。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一有源层的生长速度与所述第二有源层的生长速度之比大于1且不大于4。
6.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一有源层的厚度与所述第二有源层的厚度之比大于1且不大于4。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述第一有源层的厚度为90-180nm，所述第二有源层的厚度为50-90nm。
8.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一InGaN阱层、所述第一GaN垒层、所述第二InGaN阱层、以及所述第二GaN垒层的层数之和为24-36。
9.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一InGaN阱层和所述第一GaN垒层的层数之和为12-24，所述第二InGaN阱层和所述第二GaN垒层的层数之和为4-12。
10.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、电子阻挡层、P型层，其特征在于，在所述N型层和所述P型层之间依次生长第一有源层、第二有源层，所述第一有源层由交替生长的第一InGaN阱层和第一GaN垒层形成，所述第二有源层由交替生长的第二InGaN阱层和第二GaN垒层形成；
其中，所述第二有源层的生长压力低于所述第一有源层的生长压力，所述第二有源层的生长速度低于所述第一有源层的生长速度，所述第二有源层的厚度小于所述第一有源层的厚度；沿所述发光二极管外延片的生长方向，所述第二InGaN阱层的生长压力逐层降低，所述第二InGaN阱层的生长速度逐层变慢，所述第二InGaN阱层的厚度逐层减小。
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