CN106025032A - 一种发光二极管的外延片及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片及其生长方法，属于半导体技术领域。所述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GaN层、电流扩展层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，电流扩展层包括AlN层、InGaN层和GaN层。本发明通过AlN作为宽禁带半导体能够提高势垒，使电子减速，增加电子的横向扩展能力，并且InGaN层降低了势垒高度，起到蓄水池的作用，同时GaN层可以防止InGaN层中的In扩散而造成电子溢流，最终提高电流的扩展能力，改善局部电流过大的问题，有效减少电子溢流，提高LED的抗静电能力。
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的外延片及其生长方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为pn结。在pn结中，p型半导体注入的空穴与n型半导体注入的电子复合，多余的能量以光的形式释放出来，把电能直接转换为光能。
目前LED生产80％使用蓝宝石(Al2O3)衬底。Al2O3与GaN之间晶格失配并且存在较大的热膨胀系数差异，在外延生长过程中会引入大量的晶格缺陷，晶格缺陷形成的位错沿着晶格通过多量子阱区域延伸到外延片的表面，形成穿透位错，使得器件的晶体质量变差，局部电流过大，进而造成器件的失效。
发明内容
为了解决现有技术局部电流过大进而造成器件的失效的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其生长方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实例提供了一种发光二极管的外延片，所述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GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，所述外延片还包括层叠在所述N型GaN层和所述浅阱层之间的电流扩展层，所述电流扩展层包括依次层叠在所述N型GaN层上的AlN层、InGaN层和GaN层。
可选地，所述AlN层的厚度为1～5nm。
可选地，所述电流扩展层中的InGaN层为In0.05Ga0.95N层。
可选地，所述电流扩展层中的InGaN层的厚度为20～50nm。
可选地，所述电流扩展层中的GaN层的厚度为8～20nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，所述生长方法包括：
在所述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GaN层；
在所述N型GaN层上生长电流扩展层，所述电流扩展层包括依次层叠在所述N型GaN层上的AlN层、InGaN层和GaN层；
在所述电流扩展层上生长浅阱层；
在所述浅阱层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层；
在所述低温P型GaN层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层；
在所述高温P型GaN层上生长P型接触层。
可选地，所述AlN层的厚度为1～5nm。
可选地，所述电流扩展层中的InGaN层为In0.05Ga0.95N层。
可选地，所述电流扩展层中的InGaN层的厚度为20～50nm。
可选地，所述电流扩展层中的GaN层的厚度为8～20nm。
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GaN层上依次层叠AlN层、InGaN层和GaN层，AlN作为宽禁带半导体能够提高势垒，使电子减速，增加电子的横向扩展能力，并且InGaN层降低了势垒高度，起到蓄水池的作用，同时GaN层可以防止InGaN层中的In扩散而造成电子溢流。综上所述，AlN层、InGaN层和GaN层组成的电流扩展层可以提高电流的扩展能力，改善局部电流过大的问题，有效减少电子溢流，提高LED的抗静电能力。
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的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外延片的生长方法的流程图。
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的外延片，参见图1，该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GaN层4、电流扩展层5，浅阱层6、多量子阱层7、低温P型GaN层8、P型电子阻挡层9、高温P型GaN层10、P型接触层11。
在本实施例中，电流扩展层5包括依次层叠在N型GaN层4上的AlN层51、InGaN层52和GaN层53。缓冲层2为GaN层。浅阱层6包括交替层叠的InxGa1-xN层和GaN层，0＜x＜0.1。多量子阱层7包括交替层叠的InyGa1-yN层和GaN层，0.2＜y＜0.5。P型电子阻挡层9为AlGaN层。
可选地，AlN层51的厚度可以为1～5nm。
可选地，电流扩展层5中的InGaN层52可以为In0.05Ga0.95N层。可以理解地，In0.05Ga0.95N层中的In组分保持不变。
可选地，电流扩展层5中的InGaN层52的厚度可以为20～50nm。
可选地，电流扩展层5中的GaN层53的厚度可以为8～20nm。
可选地，缓冲层2的厚度可以为10～30nm。
可选地，未掺杂GaN层3的厚度可以为1～2μm。
可选地，N型GaN层4的厚度可以为1.5～3.5μm。
可选地，浅阱层6中的InxGa1-xN层和GaN层的层数之和可以为10～40。
可选地，浅阱层6中的InxGa1-xN层的厚度可以为1～4nm。
可选地，浅阱层6中的GaN层的厚度可以为10～30nm。
可选地，多量子阱层7中的InyGa1-yN层和GaN层的层数之和可以为12～30。
可选地，多量子阱层7中的InyGa1-yN层的厚度可以为2～5nm。
可选地，多量子阱层7中的GaN层的厚度可以为5～15nm。
可选地，低温P型GaN层8的厚度可以为30～120nm。
可选地，P型电子阻挡层9的厚度可以为50～150nm。
可选地，高温P型GaN层10的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型接触层11的厚度可以为3～10nm。
本发明实施例通过在N型GaN层上依次层叠AlN层、InGaN层和GaN层，AlN作为宽禁带半导体能够提高势垒，使电子减速，增加电子的横向扩展能力，并且InGaN层降低了势垒高度，起到蓄水池的作用，同时GaN层可以防止InGaN层中的In扩散而造成电子溢流。综上所述，AlN层、InGaN层和GaN层组成的电流扩展层可以提高电流的扩展能力，改善局部电流过大的问题，有效减少电子溢流，提高LED的抗静电能力。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，适用于生长实施例一提供的发光二极管的外延片，参见图2，该生长方法包括：
步骤200：将蓝宝石衬底在温度为1000～1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5～20min，并进行氮化处理。
在本实施例中，以氮气(N2)作为载气，以三甲基稼(TMGa)、三乙基稼(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
步骤201：控制生长温度为450～600℃，生长压力为75～200Torr，V/III比为100～400，转速为800～1200r/min，在蓝宝石衬底上生长厚度为10～30nm的缓冲层。
在本实施例中，缓冲层为GaN层。V/III比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。
步骤202：控制生长温度为1000～1200℃，生长压力为200～500Torr，V/III比为200～3000，转速为900～1200r/min，在缓冲层上生长厚度为1～2μm的未掺杂GaN层。
步骤203：控制生长温度为950～1150℃，生长压力为300～500Torr，V/III比为400～3000，在未掺杂GaN层上生长厚度为1.5～3.5μm的N型GaN层。
在本实施例中，N型GaN层采用Si掺杂且掺杂浓度保持不变。
步骤204：控制生长温度为900～1100℃，生长压力为100～400Torr，V/III比为500～3000，在N型GaN层上生长电流扩展层。
在本实施例中，电流扩展层包括依次层叠在N型GaN层上的AlN层、InGaN层和GaN层。AlN层的厚度为1～2nm，电流扩展层中的InGaN层的厚度为20～30nm，电流扩展层中的GaN层的厚度为8～12nm。电流扩展层中的InGaN层可以为In0.05Ga0.95N层。可以理解地，In0.05Ga0.95N层中的In组分保持不变。
步骤205：控制生长压力为100～500Torr，V/III比为500～10000，在电流扩展层上生长浅阱层。
在本实施例中，浅阱层包括交替层叠的InxGa1-xN层和GaN层，0＜x＜0.1。
可选地，浅阱层中的InxGa1-xN层和GaN层的层数之和可以为10～40。
可选地，浅阱层中的InxGa1-xN层的厚度可以为1～4nm。
可选地，浅阱层中的InxGa1-xN层的生长温度可以为750～850℃。
可选地，浅阱层中的GaN层的厚度可以为10～30nm。
可选地，浅阱层中的GaN层的生长温度可以为850～950℃。
步骤206：控制生长压力为100～500Torr，V/III比为2000～20000，在浅阱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InyGa1-yN层和GaN层，0.2＜y＜0.5。
可选地，多量子阱层中的InyGa1-yN层和GaN层的层数之和可以为12～30。
可选地，多量子阱层中的InyGa1-yN层的厚度可以为2～5nm。
可选地，多量子阱层中的InyGa1-yN层的生长温度可以为700～850℃。
可选地，多量子阱层中的GaN层的厚度可以为5～15nm。
可选地，多量子阱层中的GaN层的生长温度可以为850～950℃。
步骤207：控制生长温度为700～800℃，生长压力为100～600Torr，V/III比为1000～4000，生长时间为3～15min，在多量子阱层上生长厚度为30～120nm的低温P型GaN层。
步骤208：控制生长温度为900～1000℃，生长压力为50～300Torr，V/III比为1000～10000，生长时间为4～15min，在低温P型GaN层上生长厚度为50～150nm的P型电子阻挡层。
在本实施例中，P型电子阻挡层为P型AlGaN层。
步骤209：控制生长温度为900～1050℃，生长压力为100～500Torr，V/III比为500～4000，生长时间为10～20min，在P型电子阻挡层上生长50～150nm的高温P型GaN层。
步骤210：控制生长温度为700～850℃，生长压力为100～500Torr，V/III比为10000～20000，生长时间为0.5～5min，在高温P型GaN层上生长厚度为3～10nm的P型接触层。
需要说明的是，在外延生长工艺结束后，将反应腔的温度降至600～900℃，在PN2气氛下进行退火处理10～30min，然后降至室温，结束外延生长。经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，将LED外延片制成17*35mil的LED芯片。
本发明实施例通过在N型GaN层上依次层叠AlN层、InGaN层和GaN层，AlN作为宽禁带半导体能够提高势垒，使电子减速，增加电子的横向扩展能力，并且InGaN层降低了势垒高度，起到蓄水池的作用，同时GaN层可以防止InGaN层中的In扩散而造成电子溢流。综上所述，AlN层、InGaN层和GaN层组成的电流扩展层可以提高电流的扩展能力，改善局部电流过大的问题，有效减少电子溢流，提高LED的抗静电能力。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，该生长方法与实施例二提供的生长方法的不同之处在于，电流扩展层中各层的厚度不同。具体地，AlN层的厚度为2～3nm，电流扩展层中的InGaN层的厚度为30～40nm，电流扩展层中的GaN层的厚度为12～16nm。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，该生长方法与实施例二、实施例三提供的生长方法的不同之处在于，电流扩展层中各层的厚度不同。具体地，AlN层的厚度为3～5nm，电流扩展层中的InGaN层的厚度为40～50nm，电流扩展层中的GaN层的厚度为16～20nm。
经过LED芯片测试后发现，静电释放(Electro-Static discharge，简称ESD)测试电压为4000V时，实施例二的样品的EDS良率升高0.3～0.8％，其它光电参数无明显异常；实施例三的样品的ESD良率升高2～3％，电压升高0.08V左右；实施例四的样品的ESD良率升高1.5～2.5％，其它光电参数无明显变化。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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)
1.一种发光二极管的外延片，所述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GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，其特征在于，所述外延片还包括层叠在所述N型GaN层和所述浅阱层之间的电流扩展层，所述电流扩展层包括依次层叠在所述N型GaN层上的AlN层、InGaN层和GaN层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlN层的厚度为1～5nm。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述电流扩展层中的InGaN层为In0.05Ga0.95N层。
4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述电流扩展层中的InGaN层的厚度为20～50nm。
5.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述电流扩展层中的GaN层的厚度为8～20nm。
6.一种发光二极管的外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
在所述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GaN层；
在所述N型GaN层上生长电流扩展层，所述电流扩展层包括依次层叠在所述N型GaN层上的AlN层、InGaN层和GaN层；
在所述电流扩展层上生长浅阱层；
在所述浅阱层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层；
在所述低温P型GaN层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层；
在所述高温P型GaN层上生长P型接触层。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为1～5nm。
8.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述电流扩展层中的InGaN层为In0.05Ga0.95N层。
9.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述电流扩展层中的InGaN层的厚度为20～50nm。
10.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述电流扩展层中的GaN层的厚度为8～20nm。
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