CN105552178A - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法，属于半导体技术领域。所述氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型层、P型接触层，P型层包括GaN层和插入在GaN层中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层，Al含量渐变的AlGaN层包括沿外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，第一AlGaN子层的平均Al含量＜第二AlGaN子层的平均Al含量＜第三AlGaN子层的平均Al含量。本发明通过产生较强的三维空穴气，提高空穴的有效注入，进而提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)为是一种能发光的半导体电子元件。氮化镓基材料具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，广泛应用于全彩大屏幕显示，LCD背光源、信号灯、照明等领域。
现有的LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、P型层。其中，N型层中的电子和P型层中的空穴进入多量子阱层复合发光。
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：
电子的迁移率比空穴高得多，多量子阱层中的空穴浓度远小于电子，发光二极管的发光效率还有待提高。
发明内容
为了解决现有技术多量子阱层中的空穴浓度远小于电子、发光二极管的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基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氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型层、P型接触层，所述P型层包括GaN层和插入在所述GaN层中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层，所述Al含量渐变的AlGaN层包括沿所述外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，所述第一AlGaN子层的平均Al含量＜所述第二AlGaN子层的平均Al含量＜所述第三AlGaN子层的平均Al含量。
可选地，所述第一AlGaN子层的平均Al含量从0～0.1渐变到0，所述第二AlGaN子层的平均Al含量从0.1～0.2渐变到0，所述第三AlGaN子层的平均Al含量从0.2～0.3渐变到0。
可选地，所述第一AlGaN子层的厚度＜所述第二AlGaN子层的厚度＜所述第三AlGaN子层的厚度。
优选地，所述第一AlGaN子层的厚度为0～5nm，所述第二AlGaN子层的厚度为5～10nm，所述第三AlGaN子层的厚度为10～15nm。
可选地，当所述P型层包括至少两个所述Al含量渐变的AlGaN层时，各个所述Al含量渐变的AlGaN层之间层叠GaN层。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制作方法，所述制作方法：
在蓝宝石衬底上生长缓冲层；
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型层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型层，所述P型层包括GaN层和插入在所述GaN层中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层，所述Al含量渐变的AlGaN层包括沿所述外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，所述第一AlGaN子层的平均Al含量＜所述第二AlGaN子层的平均Al含量＜所述第三AlGaN子层的平均Al含量；
在所述P型层上生长P型接触层。
可选地，所述第一AlGaN子层的平均Al含量从0～0.1渐变到0，所述第二AlGaN子层的平均Al含量从0.1～0.2渐变到0，所述第三AlGaN子层的平均Al含量从0.2～0.3渐变到0。
可选地，所述第一AlGaN子层的厚度＜所述第二AlGaN子层的厚度＜所述第三AlGaN子层的厚度。
优选地，所述第一AlGaN子层的厚度为0～5nm，所述第二AlGaN子层的厚度为5～10nm，所述第三AlGaN子层的厚度为10～15nm。
可选地，当所述P型层包括至少两个所述Al含量渐变的AlGaN层时，各个所述Al含量渐变的AlGaN层之间层叠GaN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P型GaN层中插入至少一个Al含量渐变的AlGaN层，Al含量渐变的AlGaN层包括沿外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，第一AlGaN子层的平均Al含量＜第二AlGaN子层的平均Al含量＜第三AlGaN子层的平均Al含量，AlGaN和GaN之间存在晶格失配，正电荷和负电荷的中心不重合，存在较大的极化电场，AlGaN和GaN的界面处产生较强的三维空穴气，提高空穴的有效注入，进而提高发光效率。
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氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图；
图1a是本发明实施例一提供的另一种氮化镓基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氮化镓基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氮化镓基发光二极管外延片，参见图1，该氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型层4、多量子阱层5、P型电子阻挡层6、P型层7、P型接触层8，P型层7包括GaN层71和插入在GaN层71中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层72，Al含量渐变的AlGaN层72包括沿外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层72a、第二AlGaN子层72b和第三AlGaN子层72c，第一AlGaN子层72a的平均Al含量＜第二AlGaN子层72b的平均Al含量＜第三AlGaN子层72c的平均Al含量。
需要说明的是，Al含量渐变的AlGaN层72插入在GaN层71中，在不改变P型层7与P型电子阻挡层6、P型接触层8的欧姆接触的基础上，改变P型层空穴传输和扩散，与现有外延片结构的匹配性好。而且，第一AlGaN子层72a的平均Al含量＜第二AlGaN子层72b的平均Al含量＜第三AlGaN子层72c的平均Al含量，进一步驱动空穴朝向多量子阱层5运动。
在本实施例中，蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。缓冲层2、N型层4、P型接触层均为GaN层，多量子阱层5包括交替层叠的InGaN层和GaN层，P型电子阻挡层为AlGaN层。
可选地，缓冲层2的厚度可以为15～35nm。
可选地，未掺杂GaN层3的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型层4的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型层4的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
可选地，多量子阱层5中的InGaN层的厚度可以为3nm，多量子阱层5中的GaN层的厚度可以为9～20nm。
可选地，多量子阱层5中的InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～22。
可选地，P型电子阻挡层6可以为AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
可选地，P型电子阻挡层6的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型层7的厚度可以为100～800nm。
可选地，第一AlGaN子层72a的Al含量可以从0～0.1渐变到0，第二AlGaN子层72b的Al含量可以从0.1～0.2渐变到0，第三AlGaN子层72c的Al含量可以从0.2～0.3渐变到0。三个AlGaN子层的Al含量均从大于0渐变到0，可以在各个AlGaN子层之间也形成三维空穴气，提高空穴的有效注入。
可选地，第一AlGaN子层72a的厚度＜第二AlGaN子层72b的厚度＜第三AlGaN子层72c的厚度。
优选地，第一AlGaN子层72a的厚度可以为0～5nm，第二AlGaN子层72b的厚度为5～10nm，第三AlGaN子层72c的厚度可以为10～15nm。
可选地，参见图1a，当P型层7包括至少两个Al含量渐变的AlGaN层72时，各个Al含量渐变的AlGaN层72之间层叠GaN层73。
可选地，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括层叠在P型层7上的P型接触层7。
具体地，P型接触层8的厚度可以为5～300nm。
本发明实施例通过在P型GaN层中插入至少一个Al含量渐变的AlGaN层，Al含量渐变的AlGaN层包括沿外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，第一AlGaN子层的平均Al含量＜第二AlGaN子层的平均Al含量＜第三AlGaN子层的平均Al含量，AlGaN和GaN之间存在晶格失配，正电荷和负电荷的中心不重合，存在较大的极化电场，AlGaN和GaN的界面处产生较强的三维空穴气，提高空穴的有效注入，进而提高发光效率。而且提高空穴的有效注入，可以避免P型层积聚静电电荷，提高芯片的抗静电性能。另外，在提高P型GaN层的功能的同时减薄P型GaN层的厚度，减少正向发光时的光吸收。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基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氮化镓基发光二极管外延片，参见图2，该制作方法包括：
步骤200：控制温度为1000～1200℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。
可以理解地，步骤200可以清洁蓝宝石衬底表面。
在本实施例中，蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。
步骤201：控制温度为400～600℃，压力为400～600Torr，在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，缓冲层为GaN层。
可选地，缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，在步骤201之后，该制作方法还可以包括：
控制温度为1000～1200℃，压力为400～600Torr，时间为5～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤202：控制温度为1000～1100℃，压力为100～500Torr，在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
步骤203：控制温度为1000～1200℃，压力为100～500Torr，在未掺杂GaN层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为GaN层。
可选地，N型层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
步骤204：在N型层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
具体地，当生长InGaN层时，温度为720～829℃，压力为100～500Torr；当生长GaN层时，温度为850～959℃，压力为100～500Torr。
可选地，多量子阱层中的InGaN层的厚度可以为3nm，多量子阱层中的GaN层的厚度可以为9～20nm。
可选地，多量子阱层中的InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～22。
步骤205：控制温度为850～1080℃，压力为200～500Torr，在多量子阱层上生长P型电子阻挡层。
在本实施例中，P型电子阻挡层可以为AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
可选地，P型电子阻挡层的厚度可以为50～150nm。
步骤206：控制温度为850～1080℃，压力为100～300Torr，在P型电子阻挡层上生长P型层。
在本实施例中，P型层包括GaN层和插入在GaN层中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层，Al含量渐变的AlGaN层包括沿外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，第一AlGaN子层的平均Al含量＜第二AlGaN子层的平均Al含量＜第三AlGaN子层的平均Al含量。
可选地，P型层的厚度可以为100～800nm。
可选地，第一AlGaN子层的平均Al含量可以从0～0.1渐变到0，第二AlGaN子层的平均Al含量可以从0.1～0.2渐变到0，第三AlGaN子层的平均Al含量可以从0.2～0.3渐变到0。
可选地，第一AlGaN子层的厚度＜第二AlGaN子层的厚度＜第三AlGaN子层的厚度。
优选地，第一AlGaN子层的厚度可以为0～5nm，第二AlGaN子层的厚度为5～10nm，第三AlGaN子层的厚度可以为10～15nm。
可选地，当P型层包括至少两个Al含量渐变的AlGaN层时，各个Al含量渐变的AlGaN层之间层叠GaN层。
步骤207：控制温度为850～1050℃，压力为100～300Torr，在P型层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
步骤208：控制温度为650～850℃，时间为5～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
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9*7mil的LED芯片。经过LED芯片测试后发现，工作电流为20mA时，光效有明显提高。
本发明实施例通过在P型GaN层中插入至少一个Al含量渐变的AlGaN层，Al含量渐变的AlGaN层包括沿外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，第一AlGaN子层的平均Al含量＜第二AlGaN子层的平均Al含量＜第三AlGaN子层的平均Al含量，AlGaN和GaN之间存在晶格失配，正电荷和负电荷的中心不重合，存在较大的极化电场，AlGaN和GaN的界面处产生较强的三维空穴气，提高空穴的有效注入，进而提高发光效率。而且提高空穴的有效注入，可以避免P型层积聚静电电荷，提高芯片的抗静电性能。另外，在提高P型GaN层的功能的同时减薄P型GaN层的厚度，减少正向发光时的光吸收。
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)
1.一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型层、P型接触层，其特征在于，所述P型层包括GaN层和插入在所述GaN层中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层，所述Al含量渐变的AlGaN层包括沿所述外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，所述第一AlGaN子层的平均Al含量＜所述第二AlGaN子层的平均Al含量＜所述第三AlGaN子层的平均Al含量。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一AlGaN子层的平均Al含量从0～0.1渐变到0，所述第二AlGaN子层的平均Al含量从0.1～0.2渐变到0，所述第三AlGaN子层的平均Al含量从0.2～0.3渐变到0。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一AlGaN子层的厚度＜所述第二AlGaN子层的厚度＜所述第三AlGaN子层的厚度。
4.根据权利要求3所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一AlGaN子层的厚度为0～5nm，所述第二AlGaN子层的厚度为5～10nm，所述第三AlGaN子层的厚度为10～15nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，当所述P型层包括至少两个所述Al含量渐变的AlGaN层时，各个所述Al含量渐变的AlGaN层之间层叠GaN层。
6.一种氮化镓基发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法：
在蓝宝石衬底上生长缓冲层；
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型层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型层，所述P型层包括GaN层和插入在所述GaN层中的至少一个Al含量渐变的AlGaN层，所述Al含量渐变的AlGaN层包括沿所述外延片的生长方向依次层叠的第一AlGaN子层、第二AlGaN子层和第三AlGaN子层，所述第一AlGaN子层的平均Al含量＜所述第二AlGaN子层的平均Al含量＜所述第三AlGaN子层的平均Al含量；
在所述P型层上生长P型接触层。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述第一AlGaN子层的平均Al含量从0～0.1渐变到0，所述第二AlGaN子层的平均Al含量从0.1～0.2渐变到0，所述第三AlGaN子层的平均Al含量从0.2～0.3渐变到0。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述第一AlGaN子层的厚度＜所述第二AlGaN子层的厚度＜所述第三AlGaN子层的厚度。
9.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述第一AlGaN子层的厚度为0～5nm，所述第二AlGaN子层的厚度为5～10nm，所述第三AlGaN子层的厚度为10～15nm。
10.根据权利要求6-9任一项所述的制作方法，其特征在于，当所述P型层包括至少两个所述Al含量渐变的AlGaN层时，各个所述Al含量渐变的AlGaN层之间层叠GaN层。
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