CN106252480B - 一种发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其生长方法，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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层，所述N型层包括至少5层N型子层，所述N型子层包括依次层叠的低掺层、高掺层和中断生长层，所述低掺层为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，所述高掺层为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，所述中断生长层为SiN层。本发明既可以提高晶体质量，又可以提供足够的电子，还可以阻挡缺陷以减少非辐射复合中心的形成，并能形成有效的电流扩展通道。因此最终降低了工作电压，又提升了LED的发光效率。

Description

一种发光二极管外延片及其生长方法
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及其生长方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)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被迅速广泛地应用于交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
现有LED的外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层。其中，N型层的生长环境和Si的掺杂浓度单一。
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：
Si的掺杂浓度低会导致电子浓度低，电流扩展受到阻碍，降低了有源区的载流子注入，影响LED的发光效率；Si的掺杂浓度高，由掺杂产生的缺陷会在有源区产生非辐射中心，同样会降低LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术LED的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其生长方法。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，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、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层，所述N型层包括至少5层N型子层，所述N型子层包括依次层叠的低掺层、高掺层和中断生长层，所述低掺层为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，所述高掺层为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，所述中断生长层为SiN层。
可选地，所述高掺层的Si掺杂浓度大于5e18/cm3。
可选地，所述N型层的厚度为1.5～2.5μm。
可选地，所述高掺层的厚度在所述N型子层中最大。
可选地，所述高掺层的Si掺杂浓度＞所述中断生长层的Si掺杂浓度＞所述低掺层的Si掺杂浓度。
另一方面，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、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层；
所述N型层包括至少5层N型子层，所述N型子层包括依次层叠的低掺层、高掺层和中断生长层，所述低掺层为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，所述高掺层为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，所述中断生长层为SiN层。
可选地，所述高掺层的生长温度在所述N型子层中最高。
优选地，所述N型子层中各层除生长温度之外的所有生长条件相同。
可选地，所述高掺层的Si掺杂浓度＞所述中断生长层的Si掺杂浓度＞所述低掺层的Si掺杂浓度。
可选地，所述高掺层的厚度在所述N型子层中最大。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在高温缓冲层上先生长不掺杂Si或者掺杂少量Si的GaN层，因为高温缓冲层是填平层，所以不掺杂Si或者掺杂少量Si对于晶体质量是有提高的；接着再生长重掺杂Si的GaN层，主要用来提供电子；最后再不通Ga源只通Si以形成SiN，其一方面可以阻断高掺杂Si带来的缺陷延伸，另一方面也可以提供电子。三者循环生长，既可以提高晶体质量，又可以提供足够的电子，还可以阻挡缺陷以减少非辐射复合中心的形成，并能形成有效的电流扩展通道。因此最终降低了工作电压，又提升了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是本发明实施例一提供的N型层的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管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上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型层4、有源层5、P型层6。
在本实施例中，参见图2，N型层4包括至少5层N型子层40，N型子层40包括依次层叠的低掺层41、高掺层42和中断生长层43，低掺层41为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，高掺层42为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，中断生长层43为SiN层。
在具体实现中，中断生长层采用不通Ga源但通Si的生长方式实现，从而形成SiN阻断层，以阻挡缺陷向上延伸。
需要说明的是，低掺层可以不掺杂Si，也可以掺杂少量Si。作为与高温缓冲层(填平层)的衔接层，低掺层很重要。若低掺层不掺杂Si，则可以提高晶体质量；若低掺层掺杂少量Si，也不会影响到晶体质量；但是若低掺层的Si掺杂浓度大于1e18/cm3，则会因为接近填平层而严重影响晶体质量。
具体地，低掺层的Si掺杂浓度小于1e18/cm3，可保证晶体质量。
可选地，高掺层的Si掺杂浓度可以大于5e18/cm3，且小于5e19/cm3。若高掺层的Si掺杂浓度小于5e18/cm3，则会由于Si掺杂浓度低而影响电子浓度；若高掺层的Si掺杂浓度大于5e19/cm3，则会因为Si掺杂太多引入过多缺陷而影响晶体质量。高掺层的Si掺杂浓度大于5e18/cm3，且小于5e19/cm3，既能保证足够的电子浓度，也不会影响晶体质量太多。
可选地，N型子层的层数为5～12层。若少于5层，会由于层数较少而影响发光效率；5～12层，既不影响发光效率，也不会增加较多的生产成本。
可选地，N型层的厚度可以为1.5～2.5μm。若小于1.μm，会由于厚度偏薄影响电流扩展进而影响工作电压；若大于1.5μm，又会因为厚度太厚而增加生产成本。
优选地，N型层的厚度可以为1.5～2.3μm，既不影响电流扩展，又不增加较多成本。
可选地，高掺层的厚度在N型子层中可以最大，主要是考虑到其是主要的电子提供层，因此需要保障电子的供应。
可选地，高掺层的Si掺杂浓度＞中断生长层的Si掺杂浓度＞低掺层的Si掺杂浓度。
在本实施例中，衬底为蓝宝石；低温缓冲层为GaN层，厚度可以为15～30nm；高温缓冲层为不掺杂的GaN层，厚度可以为2～3.5μm；有源层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，InGaN层的厚度可以为2～3.5nm，GaN层的厚度可以为8～15nm；P型层包括电子阻挡层和空穴提供层，电子阻挡层为掺杂Mg的AlyGa1-yN层，0.15≤y≤0.25，厚度为30～50nm，空穴提供层的掺杂高于设定浓度Mg的GaN层，厚度为50～80nm。
本发明实施例通过在高温缓冲层上先生长不掺杂Si或者掺杂少量Si的GaN层，因为高温缓冲层是填平层，所以不掺杂Si或者掺杂少量Si对于晶体质量是有提高的；接着再生长重掺杂Si的GaN层，主要用来提供电子；最后再不通Ga源只通Si以形成SiN，其一方面可以阻断高掺杂Si带来的缺陷延伸，另一方面也可以提供电子。三者循环生长，既可以提高晶体质量，又可以提供足够的电子，还可以阻挡缺陷以减少非辐射复合中心的形成，并能形成有效的电流扩展通道。因此最终降低了工作电压，又提升了LED的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，适用于实施例一提供的发光二极管外延片。在本实施例中，采用Veeco K465i or C4金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备实现LED的生长方法。采用高纯氢气(H2)或高纯氮气(N2)或高纯H2和高纯N2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。
参见图3，该生长方法包括：
步骤201：对衬底进行预处理。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
具体地，该步骤201可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5-6min。
其中，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力控制在200-500torr。
步骤202：在衬底上生长低温缓冲层。
在本实施例中，低温缓冲层为GaN层，厚度可以为15～30nm。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。
具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石的[0001]面上。
步骤203：在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，高温缓冲层为不掺杂的GaN层，厚度可以为2～3.5μm。生长高温缓冲层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～600torr。
步骤204：在高温缓冲层上生长N型层。
在本实施例中，N型层包括至少5层N型子层，N型子层包括依次层叠的低掺层、高掺层和中断生长层，低掺层为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，高掺层为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，中断生长层为SiN层。
在具体实现中，中断生长层采用不通Ga源但通Si的生长方式实现，从而形成SiN阻断层，以阻挡缺陷向上延伸。
需要说明的是，低掺层可以不掺杂Si，也可以掺杂少量Si。作为与高温缓冲层(填平层)的衔接层，低掺层很重要。若低掺层不掺杂Si，则可以提高晶体质量；若低掺层掺杂少量Si，也不会影响到晶体质量；但是若低掺层的Si掺杂浓度大于1e18/cm3，则会因为接近填平层而严重影响晶体质量。
具体地，低掺层的Si掺杂浓度小于1e18/cm3，可保证晶体质量。
可选地，高掺层的Si掺杂浓度可以大于5e18/cm3，且小于5e19/cm3。若高掺层的Si掺杂浓度小于5e18/cm3，则会由于Si掺杂浓度低而影响电子浓度；若高掺层的Si掺杂浓度大于5e19/cm3，则会因为Si掺杂太多引入过多缺陷而影响晶体质量。高掺层的Si掺杂浓度大于5e18/cm3，且小于5e19/cm3，既能保证足够的电子浓度，也不会影响晶体质量太多。
可选地，N型子层的层数为5～12层。若少于5层，会由于层数较少而影响发光效率；5～12层，既不影响发光效率，也不会增加较多的生产成本。
可选地，N型层的厚度可以为1.5～2.5μm。若小于1.μm，会由于厚度偏薄影响电流扩展进而影响工作电压；若大于1.5μm，又会因为厚度太厚而增加生产成本。
优选地，N型层的厚度可以为1.5～2.3μm，既不影响电流扩展，又不增加较多成本。
可选地，高掺层的厚度在N型子层中可以最大，主要是考虑到其是主要的电子提供层，因此需要保障电子的供应。
可选地，高掺层的生长温度在N型子层中可以最高，主要是考虑到其是主要的杂质渗入层，因此需要高温实现杂质的渗入。
优选地，N型子层中各层除生长温度之外的所有生长条件可以相同，以方便实现。
可选地，高掺层的Si掺杂浓度＞中断生长层的Si掺杂浓度＞低掺层的Si掺杂浓度。
步骤205：在N型层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。InGaN层的厚度可以为2～3.5nm，GaN层的厚度可以为8～15nm。生长有源层时，反应室温度可以为750～900℃，反应室压力可以控制在200torr。
步骤206：在有源层上生长P型层。
在本实施例中，P型层包括电子阻挡层和空穴提供层。电子阻挡层为掺杂Mg的AlyGa1-yN层，0.15≤y≤0.25，厚度为30～50nm。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。空穴提供层的掺杂高于设定浓度Mg的GaN层，厚度为50～80nm。生长空穴提供层时，反应室温度可以为940～980℃，反应室压力可以控制在200～600torr。
步骤207：活化P型层。
具体地，活化时间可以为30min。其中，反应室温度可以为650～750℃。
需要说明的是，活化P型层主要是活化空穴提供层中掺杂的Mg，使Mg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110nm的氧化铟锡金属氧化物(英文：Indium Tin Oxides，简称：ITO)层，120nm的Cr/Pt/Au电极和40nm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305μm*635μm(12mi*25mil)的芯粒和229μm*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中，第一样品是采用传统的发光二极管外延片的生长方法得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管外延片的生长方法得到的。
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，工作电压分别在120mA和60mA驱动电流下有明显降低，抗静电能力也明显增强，说明本实施例提供的生长方法确实可以减少缺陷，减少了非辐射复合中心的形成，也提高了发光效率。
本发明实施例通过在高温缓冲层上先生长不掺杂Si或者掺杂少量Si的GaN层，因为高温缓冲层是填平层，所以不掺杂Si或者掺杂少量Si对于晶体质量是有提高的；接着再生长重掺杂Si的GaN层，主要用来提供电子；虽然掺杂浓度较高会对晶体质量有一定的破坏，但此段生长温度最高，可以增加吸附原子的迁移率，提高晶体质量，弥补重掺杂Si带来的晶体质量变差；最后再不通Ga源只通Si以形成SiN，其一方面可以阻断高掺杂Si带来的缺陷延伸，另一方面也可以提供电子。三者循环生长，既可以提高晶体质量，又可以提供足够的电子，还可以阻挡缺陷以减少非辐射复合中心的形成，并能形成有效的电流扩展通道。因此最终降低了工作电压，又提升了LED的发光效率。
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 (4)

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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层，其特征在于，所述N型层包括至少5层N型子层，所述N型子层包括依次层叠的低掺层、高掺层和中断生长层，所述低掺层为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，所述高掺层为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，所述中断生长层为SiN层；所述高掺层的Si掺杂浓度＞所述中断生长层的Si掺杂浓度＞所述低掺层的Si掺杂浓度；所述低掺层的Si掺杂浓度小于1e18/cm3；所述高掺层的Si掺杂浓度大于5e18/cm3，且小于5e19/cm3；所述N型子层的层数为5～12层；所述N型层的厚度为1.5～2.5μm；所述高掺层的厚度在所述N型子层中最大。
2.一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、高温缓冲层、N型层、有源层、P型层；
其特征在于，所述N型层包括至少5层N型子层，所述N型子层包括依次层叠的低掺层、高掺层和中断生长层，所述低掺层为不掺杂或者掺杂低于设定浓度Si的GaN层，所述高掺层为掺杂高于设定浓度Si的GaN层，所述中断生长层为SiN层；所述高掺层的Si掺杂浓度＞所述中断生长层的Si掺杂浓度＞所述低掺层的Si掺杂浓度；所述低掺层的Si掺杂浓度小于1e18/cm3；所述高掺层的Si掺杂浓度大于5e18/cm3，且小于5e19/cm3；所述N型子层的层数为5～12层；所述N型层的厚度为1.5～2.5μm；所述高掺层的厚度在所述N型子层中最大。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，所述高掺层的生长温度在所述N型子层中最高。
4.根据权利要求3所述的生长方法，其特征在于，所述N型子层中各层除生长温度之外的所有生长条件相同。
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