CN107068824B - 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。所述外延片包括衬底，低温氮化镓层、高温氮化镓层、N型氮化镓层、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；有源层包括依次层叠的多个量子层，多个量子层中的每个量子层包括依次层叠的阱层、盖层和垒层，阱层为铟镓氮层，垒层为氮化镓层，多个量子层中与电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中的盖层为第一盖层，第一盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，多层铝镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置，多层氮化镓层中与垒层的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，第一氮化镓层中掺有低于设定浓度的硅。本发明提高了LED的晶体质量。
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、有源层、电子阻挡层、P型氮化镓层。其中，有源层包括依次层叠的多个量子层，每个量子层包括依次层叠的阱(well)层、盖(cap)层、垒(barrier)层，阱层为铟镓氮层，盖层和垒层均为氮化镓层；盖层的生长温度与阱层的生长温度相同，垒层的生长温度高于阱层的生长温度，盖层设置在阱层和垒层之间，可以避免阱层受到垒层的高温破坏。
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：
盖层的生长温度较低，盖层中分子之间的碰撞概率降低，分子中原子的迁移率也随之降低，盖层内部产生的缺陷增多，缺陷的产生和延伸造成晶体质量降低，增加电子和空穴的非辐射复合，影响LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术会增加缺陷的产生，降低LED的晶体质量的问题，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、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；所述有源层包括依次层叠的多个量子层，所述多个量子层中的每个量子层包括依次层叠的阱层、盖层和垒层，所述阱层为铟镓氮层，所述垒层为氮化镓层，所述垒层中掺有硅，所述多个量子层中与所述电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中的盖层为第一盖层，所述第一盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铝镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置，所述多层氮化镓层中与所述垒层的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，每个所述第一氮化镓层中硅的掺杂浓度为所述垒层中硅的掺杂浓度的1/8～1/2，其中，所有所述盖层中除所述第一盖层以外的盖层为第二盖层，所述第二盖层为氮化镓层。
可选地，所述电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，所述第一盖层中每个所述铝镓氮层中铝的掺杂浓度为所述电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15～1/5。
可选地，每个所述第一盖层中所有所述铝镓氮层的厚度之和大于每个所述第一盖层中所有所述第一氮化镓层的厚度之和。
可选地，所述多层氮化镓层中除所述第一氮化镓层以外的氮化镓层为第二氮化镓层，所述第二氮化镓层中硅的掺杂浓度为0。
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、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；
其中，所述有源层包括依次层叠的多个量子层，所述多个量子层中的每个量子层包括依次层叠的阱层、盖层和垒层，所述阱层为铟镓氮层，所述垒层为氮化镓层，所述垒层中掺有硅，所述多个量子层中与所述电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中的盖层为第一盖层，所述第一盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铝镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置，所述多层氮化镓层中与所述垒层的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，每个所述第一氮化镓层中硅的掺杂浓度为所述垒层中硅的掺杂浓度的1/8～1/2，其中，所有所述盖层中除所述第一盖层以外的盖层为第二盖层，所述第二盖层为氮化镓层。
可选地，所述盖层的生长温度高于所述阱层的生长温度，且所述盖层的生长温度低于所述垒层的生长温度。
优选地，所述盖层的生长速率大于所述阱层的生长速率。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在多个量子层中与电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中，盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，多层铝镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置，由于铝可以在一定程度上减少长晶的错位和裂缝，因此对有源层中缺陷的延伸具有较大的阻断作用，避免晶体质量的降低，减少电子和空穴的非辐射复合，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高LED的发光效率；而且盖层为铝镓氮层和氮化镓层交替层叠形成的结构，由于铝的能阶较高，因此铝镓氮层在盖层内成为阻挡电子迁移的势垒，各个势垒间隔设置在盖层内，可以有效减缓电子移动的速度，从而更好地阻挡电子向P型氮化镓层泄漏，可以提高晶体质量，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高LED的发光效率。另外，垒层为掺杂硅的氮化镓层，多层氮化镓层中与垒层的距离最近的至少一个氮化镓层中掺有低于设定浓度的硅，盖层与垒层的组成材料更接近，晶格匹配度较好，可以进一步提高晶体质量，而且还有利于电流扩展。
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有源层的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的盖层的结构示意图；
图4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、有源层5、电子阻挡层6和P型氮化镓层7。
在本实施例中，参见图2，有源层5包括依次层叠的多个量子层50，多个量子层50中的每个量子层50包括依次层叠的阱层51、盖层52和垒层53，阱层61为铟镓氮层，垒层52为氮化镓层，多个量子层50中与电子阻挡层6的距离最近的至少一个量子层50中的盖层为第一盖层，参见图3，第一盖层包括多层铝镓氮层52a和多层氮化镓层52b，多层铝镓氮层52a和多层氮化镓层52b交替层叠设置，多层氮化镓层52b中与垒层53的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，第一氮化镓层中掺有低于设定浓度的硅。
例如，有源层包括依次层叠的10个量子层，10个量子层按照层叠方向排列依次为，第1个量子层、第2个量子层，……，第10个量子层。10个量子层中，可以第9个量子层和第10个量子层中的盖层为第一盖层，也可以第8个量子层到第10个量子层中的盖层为第一盖层，还可以第7个量子层到第10个量子层中的盖层为第一盖层。
通过在多个量子层中与电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中，盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，多层铝镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置，由于铝可以在一定程度上减少长晶的错位和裂缝，因此对有源层中缺陷的延伸具有较大的阻断作用，避免晶体质量的降低，减少电子和空穴的非辐射复合，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高LED的发光效率；而且盖层为铝镓氮层和氮化镓层交替层叠形成的结构，由于铝的能阶较高，因此铝镓氮层在盖层内成为阻挡电子迁移的势垒，各个势垒间隔设置在盖层内，可以有效减缓电子移动的速度，从而更好地阻挡电子向P型氮化镓层泄漏，可以提高晶体质量，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高LED的发光效率。另外，垒层为掺杂硅的氮化镓层，多层氮化镓层中与垒层的距离最近的至少一个氮化镓层中掺有低于设定浓度的硅，盖层与垒层的组成材料更接近，晶格匹配度较好，可以进一步提高晶体质量，而且还有利于电流扩展。
可选地，电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度可以为电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15～1/5。当第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度大于电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/5时，会由于掺杂杂质浓度较高而影响整体的晶体质量；当第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度小于电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15时，会因为掺杂的浓度较低而起不到势垒的效果；当第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度为电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15～1/5时，既可起到势垒的作用，也不会因为掺杂杂质较多而影响晶体质量。
可选地，垒层中掺有硅，每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度可以小于垒层中硅的掺杂浓度。
优选地，每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度可以为垒层中硅的掺杂浓度的1/8～1/2。当每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度高于硅的掺杂浓度的1/2时，可能会因为硅掺杂较高而引起龟裂；当每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度低于垒层中硅的掺杂浓度的1/8时，会因为掺杂浓度较低而起不到电流扩展的作用。
更优选地，每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度可以为垒层中硅的掺杂浓度的1/6～1/2。
可选地，每个第一盖层中所有铝镓氮层的厚度之和可以大于每个第一盖层中所有第一氮化镓层的厚度之和，以利用氮化镓层形成阻挡电子迁移的势垒，同时确保超晶格结构的形成。
例如，第一盖层的生长时间为5min，假设生长速率是相同的，铝镓氮层的生长时间为3min，第一氮化镓层的生长时间为2min。
可选地，多层氮化镓层中除第一氮化镓层以外的氮化镓层为第二氮化镓层，第二氮化镓层中可以硅的掺杂浓度为0。如果第二氮化镓层中掺硅，则会因为掺杂较多的杂质而影响晶体质量。
可选地，所有盖层中除第一盖层以外的盖层为第二盖层，第二盖层可以为氮化镓层。第二盖层中掺铝的效果不及第一盖层中掺铝，而且只在第一盖层中掺铝，可以保证有足够的电子和空穴复合。
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4，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型氮化镓层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括依次层叠的多个量子层，多个量子层中的每个量子层包括依次层叠的阱层、盖层和垒层，阱层为铟镓氮层，垒层为氮化镓层，多个量子层中与电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中的盖层为第一盖层，第一盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，多层铝镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置，多层氮化镓层中与垒层的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，第一氮化镓层中掺有低于设定浓度的硅。
其中，阱层的厚度为2～3nm，垒层的厚度为8～11nm。量子层的层数为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。生长阱层时，反应室温度为760～780℃。生长垒层时，反应室温度为860～890℃。
可选地，电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度可以为电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15～1/5。当第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度大于电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/5时，会由于掺杂杂质浓度较高而影响整体的晶体质量；当第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度小于电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15时，会因为掺杂的浓度较低而起不到势垒的效果；当第一盖层中每个铝镓氮层中铝的掺杂浓度为电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15～1/5时，既可起到势垒的作用，也不会因为掺杂杂质较多而影响晶体质量。
可选地，垒层中掺有硅，每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度可以小于垒层中硅的掺杂浓度。
优选地，每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度可以为垒层中硅的掺杂浓度的1/8～1/2。当每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度高于硅的掺杂浓度的1/2时，可能会因为硅掺杂较高而引起龟裂；当每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度低于垒层中硅的掺杂浓度的1/8时，会因为掺杂浓度较低而起不到电流扩展的作用。
更优选地，每个第一氮化镓层中硅的掺杂浓度可以为垒层中硅的掺杂浓度的1/6～1/2。
可选地，每个第一盖层中所有铝镓氮层的厚度之和可以大于每个第一盖层中所有第一氮化镓层的厚度之和，以利用氮化镓层形成阻挡电子迁移的势垒，同时确保超晶格结构的形成。
可选地，多层氮化镓层中除第一氮化镓层以外的氮化镓层为第二氮化镓层，第二氮化镓层中可以硅的掺杂浓度为0。如果靠近阱层的氮化镓层中掺硅，则会因为掺杂较多的杂质而影响晶体质量。
可选地，所有盖层中除第一盖层以外的盖层为第二盖层，第二盖层可以为氮化镓层。靠近N型氮化镓层的盖层中掺Al的效果不及靠近电子阻挡层的盖层中掺Al，而且只在靠近电子阻挡层的盖层中掺Al，可以保证有足够的电子和空穴复合。
可选地，盖层的生长温度可以高于阱层的生长温度，且盖层的生长温度可以低于垒层的生长温度。如果盖层的生长温度低于高于阱层的生长温度，则会因为温度太低而影响晶体质量；如果盖层的生长温度高于垒层的生长温度，则会导致阱层中的铟析出严重，从而影响发光强度；盖层的生长温度高于阱层的生长温度，且低于垒层的生长温度，既弥补了阱层的低温对晶体质量的影响，也不会造成对阱层中铟的大量析出。
优选地，盖层的生长速率可以大于阱层的生长速率。由于盖层的生长温度高于阱层，生长速率快，可以减少阱层中铟的析出，既保证盖层的高温对有源层晶体质量的替身，又不会造成阱层中铟的大量析出。
步骤206：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207：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208：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。
本发明实施例通过在多个量子层中与电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中，盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，多层铝镓氮层和多层氮化镓层交替层叠设置，由于铝可以在一定程度上减少长晶的错位和裂缝，因此对有源层中缺陷的延伸具有较大的阻断作用，避免晶体质量的降低，减少电子和空穴的非辐射复合，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高LED的发光效率；而且盖层为铝镓氮层和氮化镓层交替层叠形成的结构，由于铝的能阶较高，因此铝镓氮层在盖层内成为阻挡电子迁移的势垒，各个势垒间隔设置在盖层内，可以有效减缓电子移动的速度，从而更好地阻挡电子向P型氮化镓层泄漏，可以提高晶体质量，增加电子和空穴的辐射复合几率，提高LED的发光效率。另外，垒层为掺杂硅的氮化镓层，多层氮化镓层中与垒层的距离最近的至少一个氮化镓层中掺有低于设定浓度的硅，盖层与垒层的组成材料更接近，晶格匹配度较好，可以进一步提高晶体质量，而且还有利于电流扩展。
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 (7)
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、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；所述有源层包括依次层叠的多个量子层，所述多个量子层中的每个量子层包括依次层叠的阱层、盖层和垒层，所述阱层为铟镓氮层，所述垒层为氮化镓层，其特征在于，所述垒层中掺有硅，所述多个量子层中与所述电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中的盖层为第一盖层，所述第一盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铝镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置，所述多层氮化镓层中与所述垒层的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，每个所述第一氮化镓层中硅的掺杂浓度为所述垒层中硅的掺杂浓度的1/8～1/2，其中，所有所述盖层中除所述第一盖层以外的盖层为第二盖层，所述第二盖层为氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，所述第一盖层中每个所述铝镓氮层中铝的掺杂浓度为所述电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/15～1/5。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，每个所述第一盖层中所有所述铝镓氮层的厚度之和大于每个所述第一盖层中所有所述第一氮化镓层的厚度之和。
4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述多层氮化镓层中除所述第一氮化镓层以外的氮化镓层为第二氮化镓层，所述第二氮化镓层中硅的掺杂浓度为0。
5.一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、有源层、电子阻挡层和P型氮化镓层；
其中，所述有源层包括依次层叠的多个量子层，所述多个量子层中的每个量子层包括依次层叠的阱层、盖层和垒层，所述阱层为铟镓氮层，所述垒层为氮化镓层，所述垒层中掺有硅，所述多个量子层中与所述电子阻挡层的距离最近的至少一个量子层中的盖层为第一盖层，所述第一盖层包括多层铝镓氮层和多层氮化镓层，所述多层铝镓氮层和所述多层氮化镓层交替层叠设置，所述多层氮化镓层中与所述垒层的距离最近的至少一个氮化镓层为第一氮化镓层，每个所述第一氮化镓层中硅的掺杂浓度为所述垒层中硅的掺杂浓度的1/8～1/2，其中，所有所述盖层中除所述第一盖层以外的盖层为第二盖层，所述第二盖层为氮化镓层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述盖层的生长温度高于所述阱层的生长温度，且所述盖层的生长温度低于所述垒层的生长温度。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述盖层的生长速率大于所述阱层的生长速率。
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