CN106887494B - 一种发光二极管的外延片及其制造方法 - 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制造方法，属于半导体技术领域。外延片包括衬底、低温氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；应力释放层包括第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为掺有硅的氮化镓层，第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置；有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，多层铟镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置，第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，第三子层中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低。本发明最终提高了LED的亮度和反向击穿电压。

Description

一种发光二极管的外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制造方法。
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氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层。其中，应力释放层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为掺有硅的氮化镓层，第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置，第三子层为掺有硅的氮化镓层；有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，多层铟镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置。
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：
有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，第三子层为掺有硅的氮化镓层，第三子层和有源层的组成不同，因此第三子层与有源层之间存在晶格失配，会产生作用于有源层的应力。由于第三子层距离有源层最近，会对有源层造成极大的影响，同时有源层是LED中的发光层，因此第三子层与有源层之间晶格失配产生的应力对LED的亮度和反向击穿电压产生很大的影响。
发明内容
为了解决现有技术对LED的亮度和反向击穿电压产生很大的影响的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制造方法。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的外延片，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；所述应力释放层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为掺有硅的氮化镓层，所述第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，所述多层未掺杂的铟镓氮层和所述多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置；所述有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铟镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置，所述第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，所述第三子层中铟的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低。
可选地，所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15～1/5。
可选地，所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25～1/10。
可选地，所述有源层中的每个氮化镓层中和所述N型氮化镓层中均掺有硅，所述第三子层中硅的掺杂浓度小于所述N型氮化镓层中硅的掺杂浓度，且所述第三子层中硅的掺杂浓度小于所述有源层中每个氮化镓层中硅的掺杂浓度。
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制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；其中，所述应力释放层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为掺有硅的氮化镓层，所述第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，所述多层未掺杂的铟镓氮层和所述多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置，所述第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，所述第三子层中铟的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低；所述有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铟镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置。
可选地，所述第三子层的生长温度为800～850℃。
可选地，所述第三子层的生长温度低于所述第一子层的生长温度，且所述第三子层的生长温度低于所述第二子层的生长温度。
优选地，所述第三子层的生长速率大于所述第一子层的生长速率，且所述第三子层的生长速率大于所述第二子层的生长速率。
优选地，所述第三子层的厚度小于所述第一子层的厚度，且所述第三子层的厚度小于所述第二子层的厚度。
可选地，所述第三子层的生长温度高于所述有源层中每个铟镓氮层的生长温度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，与有源层中的铟镓氮层形成直接且较优的晶格匹配，避免由于晶格失配而产生的应力，减少了由此带来的缺陷、以及缺陷引起的非辐射复合中心，大大提高了晶体质量，最终提高了LED的亮度和反向击穿电压。而且第三子层中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低，第三子层中铟的掺杂浓度是逐渐过渡的，可以尽可能减少In作为杂质掺杂在第三子层中对第三子层结构所造成的不良影响，如带来晶格畸变，进而影响到LED的亮度和反向击穿电压的提高。
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是本发明实施例一提供的应力释放层的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管的外延片的制造方法的流程图。
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，该外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温氮化镓层2、高温氮化镓层3、N型氮化镓层4、应力释放层5、有源层6、电子阻挡层7和P型氮化镓层8。
在本实施例中，参见图2，应力释放层5包括依次层叠的第一子层51、第二子层52和第三子层53，第一子层51为掺有硅的氮化镓层，第二子层52包括多层未掺杂的铟镓氮层52a和多层未掺杂的氮化镓层52b，多层未掺杂的铟镓氮层52a和多层未掺杂的氮化镓层52b交替层叠设置，第三子层53为掺杂铟和硅的氮化镓层，第三子层53中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低。有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，多层铟镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置。
通过第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，与有源层中的铟镓氮层形成直接且较优的晶格匹配，避免由于晶格失配而产生的应力，减少了由此带来的缺陷、以及缺陷引起的非辐射复合中心，大大提高了晶体质量，最终提高了LED的亮度和反向击穿电压。而且第三子层中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低，第三子层中铟的掺杂浓度是逐渐过渡的，可以尽可能减少In作为杂质掺杂在第三子层中对第三子层结构所造成的不良影响，如带来晶格畸变，进而影响到LED的亮度和反向击穿电压的提高。
在具体实现中，可以通过温度的变化或者In的流量变化实现In掺杂浓度的变化。
可选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15～1/5。当第三子层中铟的掺杂浓度小于第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15时，会因为掺杂浓度较低而起不到晶格匹配的效果；当第三子层中铟的掺杂浓度大于第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/5时，会因为掺杂浓度较高而造成掺杂杂质较多，引起缺陷产生。
优选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/10～1/5，既能保证达到晶格匹配的效果，也不会因为掺杂杂质较多而影响整体的晶体质量。
可选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25～1/10。当第三子层中铟的掺杂浓度小于有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25时，会因为掺杂浓度较低而起不到晶格匹配的效果；当第三子层中铟的掺杂浓度大于有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/10时，会因为掺杂浓度较高而造成掺杂杂质较多，引起缺陷产生。
优选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/20～1/10，既能保证达到晶格匹配的效果，也不会因为掺杂杂质较多而影响整体的晶体质量。
可选地，有源层中的每个氮化镓层中和N型氮化镓层中均掺有硅，第三子层中硅的掺杂浓度可以小于N型氮化镓层中硅的掺杂浓度，且第三子层中硅的掺杂浓度可以小于有源层中每个氮化镓层中硅的掺杂浓度。
需要说明的是，由于第三子层为电子储存层，因此第三子层中掺有硅；同时第三子层距离有源层最近，为了减少掺杂杂质带来的缺陷，因此第三子层中会采用较低的硅掺杂量，通常第三子层中硅的掺杂浓度小于N型氮化镓层和有源层中的氮化镓层。
另外，第三子层中铟的掺杂浓度是指第三子层中铟的平均掺杂浓度，如第三子层中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向从A逐渐升高到A+B，则第三子层中铟的掺杂浓度为A+B/2，A＞0，B＞0。第二子层中每个铟镓氮层中铟的掺杂浓度相同，有源层中每个铟镓氮层中铟的掺杂浓度相同。
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制造方法，适用于实施例一提供的外延片的制造。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外延片的制造。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作为氮源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力控制在100～600torr。
具体地，参见图3，该生长方法包括：
步骤200：提供一衬底。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
步骤201：对衬底进行预处理。
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，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～500torr。
步骤202：在衬底上生长低温缓冲层。
在本实施例中，低温缓冲层为氮化镓层，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氮化镓层，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型氮化镓层。
在本实施例中，N型氮化镓层中掺有硅，厚度可以为2～3μm。生长N型氮化镓层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～300torr。
步骤205：在N型氮化镓层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为掺有硅的氮化镓层，第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置，第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，第三子层中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低。
可选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15～1/5。当第三子层中铟的掺杂浓度小于第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15时，会因为掺杂浓度较低而起不到晶格匹配的效果；当第三子层中铟的掺杂浓度大于第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/5时，会因为掺杂浓度较高而造成掺杂杂质较多，引起缺陷产生。
优选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/10～1/5，既能保证达到晶格匹配的效果，也不会因为掺杂杂质较多而影响整体的晶体质量。
可选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25～1/10。当第三子层中铟的掺杂浓度小于有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25时，会因为掺杂浓度较低而起不到晶格匹配的效果；当第三子层中铟的掺杂浓度大于有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/10时，会因为掺杂浓度较高而造成掺杂杂质较多，引起缺陷产生。
优选地，第三子层中铟的掺杂浓度可以为有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/20～1/10，既能保证达到晶格匹配的效果，也不会因为掺杂杂质较多而影响整体的晶体质量。
可选地，有源层中的每个氮化镓层中和N型氮化镓层中均掺有硅，第三子层中硅的掺杂浓度可以小于N型氮化镓层中硅的掺杂浓度，且第三子层中硅的掺杂浓度可以小于有源层中每个氮化镓层中硅的掺杂浓度。
需要说明的是，由于第三子层为电子储存层，因此第三子层中掺有硅；同时第三子层距离有源层最近，为了减少掺杂杂质带来的缺陷，因此第三子层中会采用较低的硅掺杂量，通常第三子层中硅的掺杂浓度小于N型氮化镓层和有源层中的氮化镓层。
可选地，第三子层的生长温度可以为800～850℃。当第三子层的生长温度低于800℃时，会因为温度太低而影响整体的晶体质量；当第三子层的生长温度高于850℃时，对有源层中铟镓氮层的破坏比较大；当第三子层的生长温度为800～850℃时，既可保证整体的晶体质量，又可减少对对有源层中铟镓氮层的破坏。
可选地，第一子层的生长温度可以为830～900℃，第二子层的生长温度可以为830～900℃。当第一子层和第二子层中至少一个的生长温度低于830℃，会影响晶体质量；当第一子层和第二子层中至少一个的生长温度高于900℃时，会对有源层中铟镓氮层造成破坏；当第一子层的生长温度为830～900℃，且第二子层的生长温度为830～900℃时，既可保证整体的晶体质量，又可减少对对有源层中铟镓氮层的破坏。
可选地，第三子层的生长温度可以低于第一子层的生长温度，且第三子层的生长温度可以低于第二子层的生长温度，以减少对有源层中铟镓氮层的破坏。
优选地，第三子层的生长速率可以大于第一子层的生长速率，且第三子层的生长速率可以大于第二子层的生长速率，采用较快的生长速率减少生长时间，在一定程度上弥补第三子层的生长温度较低带来的晶体质量差的影响。若第三子层的生长速率小于第一子层和第二子层，加上第三子层的生长温度较低，生长速率较慢势必会造成晶体质量的降低。
优选地，第三子层的厚度可以小于第一子层的厚度，且第三子层的厚度可以小于第二子层的厚度。若第三子层的厚度大于第一子层和第二子层，加上第三子层的生长温度较低，厚度大势必会造成晶体质量的降低。
可选地，第三子层的生长温度可以高于有源层中每个铟镓氮层的生长温度。
步骤206：在应力释放层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，多层铟镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置。其中，铟镓氮层的厚度为2～3nm，氮化镓层的厚度为8～11nm。铟镓氮层和氮化镓层的层数相同，氮化镓层的层数为11～13层，有源层的厚度为130～160nm。
具体地，生长有源层时，反应室压力控制在200torr。生长铟镓氮层时，反应室温度为760～780℃。生长氮化镓层时，反应室温度为860～890℃。
步骤207：在有源层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺杂镁的铝镓氮(AlGaN)层。其中，铝镓氮层为AlyGa1-yN层，0.15≤y≤0.25，厚度可以为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。
步骤208：在电子阻挡层上生长P型氮化镓层。
在本实施例中，P型氮化镓层为掺杂高于设定浓度镁的氮化镓层，厚度可以为50～80nm。生长P型氮化镓层时，反应室温度可以为940～980℃，反应室压力可以控制在200～600torr。
步骤209：活化P型氮化镓层。
具体地，该步骤209可以包括：
在氮气气氛下，持续处理P型氮化镓层20～30min。其中，反应室温度可以为650～750℃。
需要说明的是，活化P型氮化镓层主要是P型氮化镓层中掺杂的镁，使镁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制造方法得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管外延片的制造方法得到的。
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300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150mA和120mA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，来自于第二样品的晶粒与比来自于第一样品的晶粒相比，光强分别在150mA和120mA驱动电流下有明显提高，反向击穿电压也大大提高，说明本实施例提供的制造方法制造的外延片的晶体质量较好。
本发明实施例通过第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，与有源层中的铟镓氮层形成直接且较优的晶格匹配，避免由于晶格失配而产生的应力，减少了由此带来的缺陷、以及缺陷引起的非辐射复合中心，大大提高了晶体质量，最终提高了LED的亮度和反向击穿电压。而且第三子层中铟的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低，第三子层中铟的掺杂浓度是逐渐过渡的，可以尽可能减少In作为杂质掺杂在第三子层中对第三子层结构所造成的不良影响，如带来晶格畸变，进而影响到LED的亮度和反向击穿电压的提高。
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 (8)

1.一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；所述应力释放层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为掺有硅的氮化镓层，所述第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，所述多层未掺杂的铟镓氮层和所述多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置；所述有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铟镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置，其特征在于，所述第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，所述第三子层中铟的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低；
其中，所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15～1/5；所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25～1/10。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述有源层中的每个氮化镓层中和所述N型氮化镓层中均掺有硅，所述第三子层中硅的掺杂浓度小于所述N型氮化镓层中硅的掺杂浓度，且所述第三子层中硅的掺杂浓度小于所述有源层中每个氮化镓层中硅的掺杂浓度。
3.一种发光二极管的外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；其中，所述应力释放层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为掺有硅的氮化镓层，所述第二子层包括多层未掺杂的铟镓氮层和多层未掺杂的氮化镓层，所述多层未掺杂的铟镓氮层和所述多层未掺杂的氮化镓层交替层叠设置，所述第三子层为掺杂铟和硅的氮化镓层，所述第三子层中铟的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐升高或者逐渐降低；所述有源层包括多层铟镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铟镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置；
其中，所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述第二子层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/15～1/5；所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述有源层中每个铟镓氮层中的铟的掺杂浓度的1/25～1/10。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述第三子层的生长温度为800～850℃。
5.根据权利要求3或4所述的制造方法，其特征在于，所述第三子层的生长温度低于所述第一子层的生长温度，且所述第三子层的生长温度低于所述第二子层的生长温度。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述第三子层的生长速率大于所述第一子层的生长速率，且所述第三子层的生长速率大于所述第二子层的生长速率。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述第三子层的厚度小于所述第一子层的厚度，且所述第三子层的厚度小于所述第二子层的厚度。
8.根据权利要求3或4所述的制造方法，其特征在于，所述第三子层的生长温度高于所述有源层中每个铟镓氮层的生长温度。
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