CN105514232A - 一种发光二极管外延片、发光二极管及外延片的制作方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片、发光二极管及外延片的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片、发光二极管及外延片的制作方法，属于半导体技术领域。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缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、Al金属薄膜层、N型AlN层、N型AlxGa1-xN层、N型GaN层、多量子阱层和P型层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层，其中，0＜x＜1。本发明通过在N型层和多量子阱层之间设置Al金属薄膜层，利用非GaN材料的Al金属薄膜层阻挡自蓝宝石衬底与GaN材料的接触面沿GaN材料生长方向延伸的位错，避免这些位错延伸到多量子阱层中俘获多量子阱层中复合的电子和空穴，提高电子和空穴的复合效率，提高LED的发光效率。

Description

一种发光二极管外延片、发光二极管及外延片的制作方法
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、发光二极管及外延片的制作方法。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。
外延片是制造LED的重要部件。现有的外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层和P型层。其中，多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN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材料之间存在晶格失配和热失配，外延片在生长过程中会产生密度大约为1*1018/cm2的位错。这些位错自蓝宝石衬底与GaN材料的接触面沿外延片的生长方向延伸到多量子阱层中，俘获多量子阱层中复合的电子和空穴，降低电子和空穴的复合效率，降低LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术降低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、发光二极管及外延片的制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了发光二极管外延片，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缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层和所述多量子阱层之间的Al金属薄膜层、N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，其中，0＜x＜1。
可选地，所述x沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小为0。
可选地，所述N型AlN层和所述N型AlxGa1-xN层的掺杂浓度均大于所述N型GaN层的掺杂浓度。
可选地，所述Al金属薄膜层的厚度为2-5nm。
可选地，所述N型AlN层的厚度为5-10nm。
可选地，所述N型AlxGa1-xN层的厚度为10-15nm。
可选地，所述N型GaN层的厚度大于50nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层，所述P型层上开设有从所述P型层延伸至所述N型层的凹槽，所述P型层上设有P型电极，所述N型层上设有N型电极，其特征在于，所述发光二极管还包括层叠在所述N型层和所述多量子阱层之间的Al金属薄膜层、N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，其中，0＜x＜1。
可选地，所述x沿所述发光二极管的层叠方向逐渐减小为0。
又一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型层；
在所述N型层上生长Al金属薄膜层；
在所述Al金属薄膜层上生长N型AlN层；
在所述N型AlN层上生长N型AlxGa1-xN层，0＜x＜1；
在所述N型AlxGa1-xN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层；
在所述多量子阱层上生长P型层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在N型层和多量子阱层之间设置Al金属薄膜层，利用非GaN材料的Al金属薄膜层阻挡自蓝宝石衬底与GaN材料的接触面沿GaN材料生长方向延伸的位错，避免这些位错延伸到多量子阱层中俘获多量子阱层中复合的电子和空穴，同时在Al金属薄膜层与多量子阱层之间依次设置N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，尽可能减小Al金属薄膜层与GaN材料之间的不匹配，避免产生新的位错，最终提高电子和空穴的复合效率，提高LED的发光效率。
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的结构示意图；
图3是本发明实施例三提供的一种发光二极管外延片的制作方法的流程图。
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发光二极管外延片，参见图1，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型层4、Al金属薄膜层51、N型AlN层52、N型AlxGa1-xN层53和N型GaN层54、多量子阱层6、P型层7，其中，0＜x＜1。多量子阱层5包括交替生长的GaN层和InGaN层。
在本实施例中，衬底1可以为蓝宝石衬底，缓冲层2可以为GaN层，N型层4可以为N型GaN层，P型层7可以为P型GaN层。
具体地，x可以沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小为0。容易知道，x最大时，N型AlxGa1-xN层53与N型AlN层52的匹配性最好；x最小时，N型AlxGa1-xN层53与N型GaN层54的匹配性最好。x沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小为0，N型AlxGa1-xN层53可以最大程度减小N型AlN层52与N型GaN层54之间的不匹配，避免产生新的位错。
可选地，N型AlN层52和N型AlxGa1-xN层53的掺杂浓度可以均大于N型GaN层54的掺杂浓度。需要说明的是，在掺杂浓度相同的情况下，N型AlN层52和N型AlxGa1-xN层53中的电子浓度小于N型GaN层54中的电子浓度，N型AlN层52和N型AlxGa1-xN层53的掺杂浓度可以均大于N型GaN层54的掺杂浓度，可以使N型AlN层52和N型AlxGa1-xN层53中的电子浓度与N型GaN层54中的电子浓度相同，利于电子注入多量子阱层复合发光。
可选地，Al金属薄膜层51的厚度可以为2-5nm。当Al金属薄膜层51的厚度小于2nm时，会由于Al金属薄膜层51太薄而无法阻挡蓝宝石衬底与GaN材料之间的位错延伸到多量子阱层；当Al金属薄膜层51的厚度大于5nm时，会由于Al金属薄膜层51太厚而造成很难在Al金属薄膜层51上生长GaN材料，而且还会引起Al金属薄膜层51与GaN材料之间的位错。
优选地，Al金属薄膜层51的厚度可以为3nm。
可选地，N型AlN层52的厚度可以为5-10nm。当N型AlN层52的厚度小于5nm时，N型AlN层52在Al金属薄膜层51上生长的质量较差；当N型AlN层52的厚度大于10nm时，会由于N型AlN层52太厚而造成电阻率较大、LED工作电压偏高。
优选地，N型AlN层52的厚度可以为7nm。
可选地，N型AlxGa1-xN层53的厚度可以为10-15nm。当N型AlxGa1-xN层53的厚度小于10nm时，在由于x沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小为0而引起的晶格常数变化一定的情况下，晶格常数的变化速率太快，造成晶格失配较大，引入新的位错；当N型AlxGa1-xN层53的厚度大于15nm时，会由于N型AlxGa1-xN层53太厚而造成电阻率较大、LED工作电压偏高。
优选地，N型AlxGa1-xN层53的厚度可以为12nm。
可选地，N型GaN层的厚度可以大于50nm。当N型GaN层的厚度小于50nm时，会由于N型GaN层太薄而无法消除Al金属薄膜与GaN材料之间由于不匹配而引起的位错，从而引入新的位错。
优选地，N型GaN层的厚度可以为100nm。
本发明实施例通过在N型层和多量子阱层之间设置Al金属薄膜层，利用非GaN材料的Al金属薄膜层阻挡自蓝宝石衬底与GaN材料的接触面沿GaN材料生长方向延伸的位错，避免这些位错延伸到多量子阱层中俘获多量子阱层中复合的电子和空穴，同时在Al金属薄膜层与多量子阱层之间依次设置N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，尽可能减小Al金属薄膜层与GaN材料之间的不匹配，避免产生新的位错，最终提高电子和空穴的复合效率，提高LED的发光效率。而且，采用Al、AlN、AlGaN、GaN这些常用材料制作，制作成本低。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管，参见图2，该发光二极管包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型层4、多量子阱层5、Al金属薄膜层51、N型AlN层52、N型AlxGa1-xN层53和N型GaN层54、P型层7，其中，0＜x＜1。多量子阱层5包括交替生长的GaN层51和InGaN层52。P型层7上开设有从P型层7延伸至N型层4的凹槽，P型层7上设有P型电极8，N型层4上设有N型电极。
具体地，衬底1、缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型层4、多量子阱层5、Al金属薄膜层51、N型AlN层52、N型AlxGa1-xN层53、N型GaN层54、P型层7可以与实施例一相同，在此不再详述。
本发明实施例通过在N型层和多量子阱层之间设置Al金属薄膜层，利用非GaN材料的Al金属薄膜层阻挡自蓝宝石衬底与GaN材料的接触面沿GaN材料生长方向延伸的位错，避免这些位错延伸到多量子阱层中俘获多量子阱层中复合的电子和空穴，同时在Al金属薄膜层与多量子阱层之间依次设置N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，尽可能减小Al金属薄膜层与GaN材料之间的不匹配，避免产生新的位错，最终提高电子和空穴的复合效率，提高LED的发光效率。而且，采用Al、AlN、AlGaN、GaN这些常用材料制作，制作成本低。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，适用于制作实施例一提供的发光二极管外延片，参见图3，该制作方法包括：
步骤301：在衬底上生长缓冲层。
步骤302：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
步骤303：在未掺杂GaN层上生长N型层。
步骤304：在N型层上生长Al金属薄膜层。
步骤305：在Al金属薄膜层上生长N型AlN层。
步骤306：在N型AlN层上生长N型AlxGa1-xN层，0＜x＜1。
步骤307：在N型AlxGa1-xN层上生长N型GaN层。
步骤308：在N型GaN层上生长多量子阱层，多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层。
步骤309：在多量子阱层上生长P型层。
本发明实施例通过在N型层和多量子阱层之间设置Al金属薄膜层，利用非GaN材料的Al金属薄膜层阻挡自蓝宝石衬底与GaN材料的接触面沿GaN材料生长方向延伸的位错，避免这些位错延伸到多量子阱层中俘获多量子阱层中复合的电子和空穴，同时在Al金属薄膜层与多量子阱层之间依次设置N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，尽可能减小Al金属薄膜层与GaN材料之间的不匹配，避免产生新的位错，最终提高电子和空穴的复合效率，提高LED的发光效率。而且，采用Al、AlN、AlGaN、GaN这些常用材料制作，制作成本低。
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缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层和所述多量子阱层之间的Al金属薄膜层、N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，其中，0＜x＜1。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述x沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小为0。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型AlN层和所述N型AlxGa1-xN层的掺杂浓度均大于所述N型GaN层的掺杂浓度。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述Al金属薄膜层的厚度为2-5nm。
5.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型AlN层的厚度为5-10nm。
6.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型AlxGa1-xN层的厚度为10-15nm。
7.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N型GaN层的厚度大于50nm。
8.一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层和P型层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层，所述P型层上开设有从所述P型层延伸至所述N型层的凹槽，所述P型层上设有P型电极，所述N型层上设有N型电极，其特征在于，所述发光二极管还包括层叠在所述N型层和所述多量子阱层之间的Al金属薄膜层、N型AlN层、N型AlxGa1-xN层和N型GaN层，其中，0＜x＜1。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述x沿所述发光二极管的层叠方向逐渐减小为0。
10.一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型层；
在所述N型层上生长Al金属薄膜层；
在所述Al金属薄膜层上生长N型AlN层；
在所述N型AlN层上生长N型AlxGa1-xN层，0＜x＜1；
在所述N型AlxGa1-xN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括交替生长的GaN层和InGaN层；
在所述多量子阱层上生长P型层。
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