CN106876546B - 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，所述多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个所述子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内设有若干通孔，所述通孔从所述P型AlGaN层沿所述外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层，所述P型GaN层填充在通孔内。本发明提高空穴的纵向传输，提升空穴注入量子阱进行复合发光的能力，缓解空穴迁移率低的问题。

Description

一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制备方法
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的外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能够将电能有效转化为光能的半导体器件，目前氮化镓基LED受到越来越多的关注和研究。
GaN基LED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GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层(英文：Multiple Quantum Well，简称：MQW)、P型AlGaN层、P型GaN层。当有电流通过时，N型GaN层的电子和P型GaN层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：
空穴的质量比电子大，迁移率和迁移速率都比电子低，而且P型GaN层中掺杂的Mg只有很少一部分可以活化，因此注入多量子阱层的空穴数量较少，电子在多量子阱层的数量偏多，容易产生溢流，减少电子和空穴的有效复合，降低发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术降低发光二极管的发光效率的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制备方法。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GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，所述多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个所述子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内设有若干通孔，所述通孔从所述P型AlGaN层沿所述外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层，所述P型GaN层填充在通孔内。
可选地，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面为方形、圆形、星形、多边形或者不规则图形。
优选地，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面的面积为0.01～9mm2。
可选地，最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层的厚度为5～25nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层；
其中，所述多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个所述子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层；所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内设有若干通孔，所述通孔从所述P型AlGaN层沿所述外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层，所述P型GaN层填充在通孔内。
在本发明一种可能的实现方式中，所述在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，包括：
在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层生长完成之后，将与所述若干通孔形状一致的掩膜版设置在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层上；
在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层上依次生长最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层和所述P型AlGaN层，最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层和所述P型AlGaN层内形成所述若干通孔；
移走所述掩膜版，在所述若干通孔内和所述P型AlGaN层上生长P型GaN层。
在本发明另一种可能的实现方式中，所述在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，包括：
在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层生长完成之后，在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层上依次生长最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层和所述P型AlGaN层；
在所述P型AlGaN层上铺设一层光刻胶；
采用光刻技术在所述光刻胶内形成若干通孔；
在所述光刻胶的保护下刻蚀所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层，在所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内形成所述若干通孔；
去除所述光刻胶。
可选地，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面为方形、圆形、星形、多边形或者不规则图形。
优选地，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面的面积为0.01～9mm2。
可选地，最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层的厚度为5～25nm。
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AlGaN层和最靠近P型AlGaN层的量子垒层内开设若干通孔，通孔从所型AlGaN层沿外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，P型GaN层填充在通孔内，因此P型GaN层从P型AlGaN层上通过通孔延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，提高空穴的纵向传输，提升空穴注入量子阱进行复合发光的能力，缓解空穴迁移率低的问题；对于多余电子发生的溢流，在有效阻挡的同时迁移电子空穴的复合位置，缩短空穴的传输距离，提高注入效率；而且将空穴耗尽层前移，可以提高载流子复合中心和发光有源区的空间重叠程度，可以有效提高电子空穴的复合数目和几率，最终提高发光二极管的发光效率。
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氮化镓基发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的部分外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种氮化镓基发光二极管的外延片的制备方法的流程图。
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GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、P型AlGaN层6、P型GaN层7。
在本实施例中，多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个子层包括量子阱层和层叠在量子阱层上的量子垒层。如图2所示，P型AlGaN层6和最靠近P型AlGaN层的量子垒层51内设有若干通孔，通孔从P型AlGaN层6沿外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层52，P型GaN层7填充在通孔内。
可选地，通孔垂直于外延片的层叠方向的截面可以为方形、圆形、星形、多边形或者不规则图形。
优选地，通孔垂直于外延片的层叠方向的截面的面积可以为0.01～9mm2。
可选地，最靠近P型AlGaN层的量子垒层的厚度可以为5～25nm。
优选地，除最靠近P型AlGaN层的量子垒层之外的量子垒层的厚度可以为9～20nm。
可选地，子层的层数可以为3～15层。
具体地，蓝宝石衬底可以采用(0001)晶向蓝宝石。
可选地，GaN缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
具体地，P型AlGaN层为AlxGa1-xN层，0.1＜x＜0.5。
可选地，P型AlGaN层的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
可选地，如图1所示，该外延片还包括设置在P型GaN层上的P型接触层8，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
本发明实施例通过在P型AlGaN层和最靠近P型AlGaN层的量子垒层内开设若干通孔，通孔从所型AlGaN层沿外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，P型GaN层填充在通孔内，因此P型GaN层从P型AlGaN层上通过通孔延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，提高空穴的纵向传输，提升空穴注入量子阱进行复合发光的能力，缓解空穴迁移率低的问题；对于多余电子发生的溢流，在有效阻挡的同时迁移电子空穴的复合位置，缩短空穴的传输距离，提高注入效率；而且将空穴耗尽层前移，可以提高载流子复合中心和发光有源区的空间重叠程度，可以有效提高电子空穴的复合数目和几率，最终提高发光二极管的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片的制备方法，适用于制备实施例一提供的外延片，参见图3，该制备方法包括：
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GaN缓冲层。
可选地，GaN缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，在步骤201之后，该制备方法还可以包括：
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GaN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GaN层。
可选地，N型GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
步骤204：在N型GaN层上依次生长多量子阱层、P型AlGaN层和P型GaN层。
在本实施例中，多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个子层包括量子阱层和层叠在量子阱层上的量子垒层。P型AlGaN层和最靠近P型AlGaN层的量子垒层内设有若干通孔，通孔从P型AlGaN层沿外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，P型GaN层填充在通孔内。
在本实施例的一种实现方式中，该步骤204可以包括:
在最靠近P型AlGaN层的量子阱层生长完成之后，将与若干通孔形状一致的掩膜版设置在最靠近P型AlGaN层的量子阱层上；
在最靠近P型AlGaN层的量子阱层上依次生长最靠近P型AlGaN层的量子垒层和P型AlGaN层，最靠近P型AlGaN层的量子垒层和P型AlGaN层内形成若干通孔；
移走掩膜版，在若干通孔内和P型AlGaN层上生长P型GaN层。
在本实施例的另一种实现方式中，该步骤204可以包括:
在最靠近P型AlGaN层的量子阱层生长完成之后，在最靠近P型AlGaN层的量子阱层上依次生长最靠近P型AlGaN层的量子垒层和P型AlGaN层；
在P型AlGaN层上铺设一层光刻胶；
采用光刻技术在光刻胶内形成若干通孔；
在光刻胶的保护下刻蚀P型AlGaN层和最靠近P型AlGaN层的量子垒层，在P型AlGaN层和最靠近P型AlGaN层的量子垒层内形成若干通孔；
去除光刻胶。
可选地，通孔垂直于外延片的层叠方向的截面可以为方形、圆形、星形、多边形或者不规则图形。
优选地，通孔垂直于外延片的层叠方向的截面的面积可以为0.01～9mm2。
可选地，最靠近P型AlGaN层的量子垒层的厚度可以为5～25nm。
优选地，除最靠近P型AlGaN层的量子垒层之外的量子垒层的厚度可以为9～20nm。
可选地，子层的层数可以为3～15层。
具体地，P型AlGaN层为AlxGa1-xN层，0.1＜x＜0.5。
可选地，P型AlGaN层的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
例如，多量子阱层中量子阱层的层数为5～15层；量子阱层的厚度为3nm，生长温度为720～829℃，生长压力为100～500Torr；量子垒层的生长温度为850～959℃，生长压力为100～500Torr；P型AlGaN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为200～500Torr；P型GaN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为100～300Torr。
步骤205：控制温度为850～1050℃，压力为100～300Torr，在P型GaN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206：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。
本发明实施例通过在P型AlGaN层和最靠近P型AlGaN层的量子垒层内开设若干通孔，通孔从所型AlGaN层沿外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，P型GaN层填充在通孔内，因此P型GaN层从P型AlGaN层上通过通孔延伸到最靠近P型AlGaN层的量子阱层，提高空穴的纵向传输，提升空穴注入量子阱进行复合发光的能力，缓解空穴迁移率低的问题；对于多余电子发生的溢流，在有效阻挡的同时迁移电子空穴的复合位置，缩短空穴的传输距离，提高注入效率；而且将空穴耗尽层前移，可以提高载流子复合中心和发光有源区的空间重叠程度，可以有效提高电子空穴的复合数目和几率，最终提高发光二极管的发光效率。
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 (10)

1.一种氮化镓基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GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，所述多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个所述子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，其特征在于，所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内设有若干通孔，所述通孔从所述P型AlGaN层沿所述外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层，所述P型GaN层填充在通孔内。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面为圆形、多边形或者不规则图形。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面的面积为0.01～9mm2。
4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层的厚度为5～25nm。
5.一种氮化镓基发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层；
其中，所述多量子阱层由多个子层依次层叠而成，每个所述子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层；所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内设有若干通孔，所述通孔从所述P型AlGaN层沿所述外延片的层叠方向的相反方向延伸到最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层，所述P型GaN层填充在通孔内。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，包括：
在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层生长完成之后，将与所述若干通孔形状一致的掩膜版设置在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层上；
在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层上依次生长最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层和所述P型AlGaN层，最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层和所述P型AlGaN层内形成所述若干通孔；
移走所述掩膜版，在所述若干通孔内和所述P型AlGaN层上生长P型GaN层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，包括：
在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层生长完成之后，在最靠近所述P型AlGaN层的量子阱层上依次生长最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层和所述P型AlGaN层；
在所述P型AlGaN层上铺设一层光刻胶；
采用光刻技术在所述光刻胶内形成若干通孔；
在所述光刻胶的保护下刻蚀所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层，在所述P型AlGaN层和最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层内形成所述若干通孔；
去除所述光刻胶。
8.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面为圆形、多边形或者不规则图形。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述通孔垂直于所述外延片的层叠方向的截面的面积为0.01～9mm2。
10.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于，最靠近所述P型AlGaN层的量子垒层的厚度为5～25nm。
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