CN106848020B - 一种GaN基发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents

一种GaN基发光二极管外延片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法,属于半导体技术领域。包括:在衬底上依次形成缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、N型阻挡层、应力释放层、量子阱、P型电子阻挡层、P型GaN层;N型阻挡层由高温AlGaN层和低温GaN层组成,高温AlGaN层和低温GaN层中均掺杂有N型掺杂剂,高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度。本发明通过高温AlGaN层有效限制电子的迁移,减小电子的迁移速率,提高发光阱区载流子的浓度,最终提升发光效率;同时通过低温GaN层阻隔缺陷,改变V形坑的大小和开口位置,减少由于晶格失配产生的位错,减少漏电,提高抗静电能力。

Description

一种GaN基发光二极管外延片的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种GaN基发光二极管外延片的制造方法。
背景技术
GaN材料在发光二极管(英文:Light Emitting Diode,简称:LED)器件上的应用十分普遍,是人们一直以来关注的热点。采用GaN制造的LED颜色纯正、亮度高、能耗低,性能比传统的AlGaInP基LED或者GaAlAs基LED更优越,广泛应用于照明、医疗、显示、玩具等众多领域。
GaN基LED通常在蓝宝石衬底上形成,蓝宝石与GaN之间存在晶格失配,LED内会产生缺陷和位错,造成电子和空穴之间的非辐射复合增多,大大降低LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术的问题,本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法。所述技术方案如下:
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法,所述制造方法包括:
在衬底上依次形成缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、N型阻挡层、应力释放层、量子阱、P型电子阻挡层、P型GaN层;
其中,所述N型阻挡层由高温AlGaN层和低温GaN层组成,所述高温AlGaN层和所述低温GaN层中均掺杂有N型掺杂剂,所述高温AlGaN层的生长温度高于所述低温GaN层的生长温度。
在本发明一种可能的实现方式中,所述高温AlGaN层的生长温度高于所述N型GaN层的生长温度,所述低温GaN层的生长温度低于所述N型GaN层的生长温度。
可选地,所述高温AlGaN层的生长温度比所述N型GaN层的生长温度高10~100℃。
可选地,所述低温GaN层的生长温度比所述N型GaN层的生长温度低10~100℃。
在本发明另一种可能的实现方式中,所述低温GaN层的厚度为所述高温AlGaN层的厚度的4~12倍。
可选地,所述高温AlGaN层的厚度为2~15nm。
在本发明又一种可能的实现方式中,所述高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度高于所述低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度。
可选地,所述高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1019~1020cm-3
在本发明又一种可能的实现方式中,所述低温GaN层为N型掺杂的GaN层,或者N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构。
可选地,所述N型掺杂的GaN层和所述没有掺杂的GaN层的层数相同,所述没有掺杂的GaN层的层数为2~20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GaN层上形成由高温AlGaN层和低温GaN层组成的N型阻挡层,高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度,高温AlGaN层可以有效限制电子的迁移,减小电子的迁移速率,避免电子越过发光阱区,提高发光阱区载流子的浓度,最终提升发光效率;同时低温GaN层可以阻隔缺陷,改变V形坑的大小和开口位置,减少由于晶格失配产生的位错,减少漏电,提高抗静电能力。
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GaN基发光二极管外延片的制造方法的流程示意图;
图2是本发明实施例一提供的N型阻挡层的结构示意图;
图3是本发明实施例一提供的外延片的结构示意图;
图4是本发明实施例二提供的生长温度的对比示意图;
图5是本发明实施例三提供的厚度和掺杂浓度的对比示意图;
图6是本发明实施例四提供的N型阻挡层的结构示意图。
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一种GaN基发光二极管外延片的制造方法,在本实施例中,采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文:Metal Organic Chemical Vapor Deposition,简称:MOCVD)技术制造外延片,以三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)作为镓源,高纯NH3作为氮源,三甲基铟(TMIn)作为铟源,三甲基铝(TMAl)作为铝源,N型掺杂剂选用硅烷(SiH4),P型掺杂剂选用二茂镁(CP2Mg)。
具体地,参见图1,该制造方法包括:
步骤201:在衬底上形成缓冲层。
在本实施例中,衬底可以为蓝宝石衬底,衬底的尺寸可以为2英寸、4英寸或者8英寸。缓冲层可以为GaN层,也可以由交替层叠的GaN层和AlGaN层组成。
步骤202:在缓冲层上形成未掺杂GaN层。
具体地,未掺杂GaN层可以为单层没有掺杂的GaN层,也可以为多层没有掺杂的GaN层,各层GaN层的生长温度不同。
步骤203:在未掺杂GaN层上形成N型GaN层。
具体地,N型GaN层可以为单层掺杂Si的GaN层,也可以为多层掺杂Si的GaN层,各层GaN层中Si的掺杂浓度不同。
步骤204:在N型GaN层上形成N型阻挡层。
在本实施例中,参见图2,N型阻挡层由高温AlGaN层51和低温GaN层52组成,高温AlGaN层和低温GaN层中均掺杂有N型掺杂剂,高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度。
在本实施例的一种实现方式中,高温AlGaN层的生长温度可以高于N型GaN层的生长温度,低温GaN层的生长温度可以低于N型GaN层的生长温度。
可选地,高温AlGaN层的生长温度可以比N型GaN层的生长温度高10~100℃。
可选地,低温GaN层的生长温度可以比N型GaN层的生长温度低10~100℃。
在本实施例的另一种实现方式中,低温GaN层的厚度可以为高温AlGaN层的厚度的4~12倍。
可选地,高温AlGaN层的厚度可以为2~15nm。
在本实施例的又一种实现方式中,高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以高于低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度。
可选地,高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1019~1020cm-3
在本实施例的又一种实现方式中,低温GaN层可以为N型掺杂的GaN层,或者N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构。
可选地,N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层的层数相同,没有掺杂的GaN层的层数可以为2~20层。
步骤205:在N型阻挡层上形成应力释放层。
在本实施例中,应力释放层为InGaN层和GaN层交替层叠形成的超晶格结构,也可以为单层的InGaN层。
步骤206:在应力释放层上形成量子阱。
在本实施例中,量子阱可以为InGaN量子阱层,也可以为InGaN量子阱层和GaN量子垒层交替层叠形成的超晶格结构。
步骤207:在量子阱上形成P型电子阻挡层。
在本实施例中,P型电子阻挡层可以为P型掺杂的AlGaN层。
步骤208:在P型电子阻挡层上形成P型GaN层。
图3为本实施例制造的发光二极管外延片的结构示意图。其中,1为衬底,2为缓冲层,3为未掺杂GaN层,4为N型GaN层,5为N型阻挡层,6为应力释放层,7为量子阱,8为P型电子阻挡层,9为P型GaN层。
本发明实施例通过在N型GaN层上形成由高温AlGaN层和低温GaN层组成的N型阻挡层,高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度,高温AlGaN层可以有效限制电子的迁移,减小电子的迁移速率,避免电子越过发光阱区,提高发光阱区载流子的浓度,最终提升发光效率;同时低温GaN层可以阻隔缺陷,改变V形坑的大小和开口位置,减少由于晶格失配产生的位错,减少漏电,提高抗静电能力。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法,为实施例一提供的制造方法的一种具体实现。在本实施例中,参见图4,N型GaN层的生长温度为1200℃,高温AlGaN层的生长温度为1260℃,低温GaN层的生长温度为1150℃。
本发明实施例通过在N型GaN层上生长高温AlGaN层,减缓电子的迁移速率,有效阻挡电子迁移,同时在高温下让部分位错逐渐变小,甚至闭合。接着再生长低温GaN层,限制部分小位错继续扩大,与高温AlGaN层相互作用,限制电子迁移,提高电子和空穴的复合几率,同时减小位错密度,改善漏电流,提高晶体质量。实验表明,本实施例制造的外延片制成的LED芯片,相比传统LED芯片,4KV条件下的静电释放(英文:Electro-Static discharge,简称:ESD)良率提升了13%。
实施例三
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法,为实施例一提供的制造方法的一种具体实现。在本实施例中,参见图5,低温GaN层的厚度可以为高温AlGaN层的厚度的4~12倍,并且高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以高于低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度,高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1019~1020cm-3
在本实施例中,逐渐增加高温AlGaN层的厚度,N型阻挡层对电子的限制作用先在一定程度上变强再没有明显变化。当高温AlGaN层的厚度和低温GaN层的厚度达到最佳时,AlGaN和GaN更容易形成二维电子气,电子受到限制,载流子浓度升高,发光效率得到提升。同时高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以高于低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度,可以改善电流的扩展能力,增加电容效应,减少漏电途径,有利于晶体质量的提高和电子空穴的复合效率。实验表明,在最优条件(包括厚度和掺杂浓度)下,本实施例制造的外延片制成的LED芯片,相比传统LED芯片,发光效率提高5%,4KV条件下的抗静电能力(即ESD良率)提升了10%。
实施例四
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法,为实施例一提供的制造方法的一种具体实现。在本实施例中,参见图6,N型阻挡层由高温AlGaN层51和低温GaN层52组成,低温GaN层52为五层N型掺杂的GaN层52a和五层没有掺杂的GaN层52b交替层叠形成的超晶格结构。
本发明实施例通过低温GaN层为N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构,一方面可以阻断积累的应力形成的缺陷,减小位错,另一方面避免由于位错密度太小,导致位错诱导形成的V形坑太小,进而对空穴的注入造成不良影响,在最优的超晶格层数下,可以既加深空穴的注入深度,又减小部分位错,最终提升发光效率和改善漏电。实验表明,在最优条件(超晶格层数)下,本实施例制造的外延片制成的LED芯片,相比传统LED芯片,发光效率提高12%,4KV条件下的抗静电能力(即ESD良率)提升了20%。
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GaN基发光二极管外延片的制造方法,其特征在于,所述制造方法包括:
在衬底上依次形成缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、N型阻挡层、应力释放层、量子阱、P型电子阻挡层、P型GaN层;
其中,所述N型阻挡层由高温AlGaN层和低温GaN层组成,所述高温AlGaN层和所述低温GaN层中均掺杂有N型掺杂剂,所述高温AlGaN层的生长温度高于所述低温GaN层的生长温度。
2.根据权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述高温AlGaN层的生长温度高于所述N型GaN层的生长温度,所述低温GaN层的生长温度低于所述N型GaN层的生长温度。
3.根据权利要求2所述的制造方法,其特征在于,所述高温AlGaN层的生长温度比所述N型GaN层的生长温度高10~100℃。
4.根据权利要求2所述的制造方法,其特征在于,所述低温GaN层的生长温度比所述N型GaN层的生长温度低10~100℃。
5.根据权利要求1~4任一项所述的制造方法,其特征在于,所述低温GaN层的厚度为所述高温AlGaN层的厚度的4~12倍。
6.根据权利要求5所述的制造方法,其特征在于,所述高温AlGaN层的厚度为2~15nm。
7.根据权利要求1~4任一项所述的制造方法,其特征在于,所述高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度高于所述低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度。
8.根据权利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度为1019~1020cm-3
9.根据权利要求1~4任一项所述的制造方法,其特征在于,所述低温GaN层为N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构。
10.根据权利要求9所述的制造方法,其特征在于,所述N型掺杂的GaN层和所述没有掺杂的GaN层的层数相同,所述没有掺杂的GaN层的层数为2~20层。
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