CN107195735A - 一种发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。外延片包括衬底、缓冲层、非掺杂氮化镓层、应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流阻挡层和N型氮化镓层，应力释放层包括多个子层，各个子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层。本发明通过应力释放层包括交替层叠设置的P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层，P型掺杂的铟镓氮层的生长温度较低，生长质量较差，使晶体不再按照晶向生长，晶体的生长方向变得杂乱无章，应力的延伸方向也相应发生改变，不同方向的应力进行合并和抵消，极大地释放了蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力，降低了位错和缺陷密度。

Description

一种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 Diodes，简称：LED)是一种可以直接把电转化为光的固态半导体器件。芯片是发光二极管的核心组件，包括外延片和在外延片上制作的电极。
现有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缓冲层、非掺杂氮化镓层、超晶格应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流扩展层和N型氮化镓层。其中，超晶格应力释放层包括多个P型掺杂的铝镓氮层和多个P型掺杂的氮化镓层，多个P型掺杂的铝镓氮层和多个P型掺杂的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：
蓝宝石衬底和氮化镓材料之间存在晶格失配，晶格失配产生的应力沿外延片的层叠方向延伸，多个P型掺杂的铝镓氮层和多个P型掺杂的氮化镓层交替层叠形成的超晶格应力释放层可以起到一定的应力释放作用，但应力释放不充分。
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缓冲层、非掺杂氮化镓层、应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流阻挡层和N型氮化镓层，所述应力释放层包括依次层叠在所述非掺杂氮化镓层上的多个子层，各个所述子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层。
可选地，各个所述子层还包括P型掺杂的铝铟镓氮层，所述P型掺杂的铝铟镓氮层层叠在所述P型掺杂的铝镓氮层和所述P型掺杂的铟镓氮层之间。
优选地，所述P型掺杂的铝铟镓氮层的厚度为1～10nm。
可选地，所述P型掺杂的铝镓氮层的厚度为1～10nm。
可选地，所述P型掺杂的铟镓氮层的厚度为1～10nm。
可选地，所述子层的数量为2～20个。
可选地，所述应力释放层中P型掺杂剂的掺杂浓度小于所述P型氮化镓层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
另一方面，本发明实施例提供了一种一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂氮化镓层、应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流扩展层和N型氮化镓层；
其中，所述应力释放层包括依次层叠在所述非掺杂氮化镓层上的多个子层，各个所述子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层。
可选地，所述应力释放层的生长温度为1200℃～1250℃。
可选地，所述应力释放层的生长压力为200mbar～800mbar。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过多个子层依次层叠形成应力释放层，各个子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层，P型掺杂的铟镓氮层的生长温度较低，生长质量较差，使晶体不再按照晶向生长，晶体的生长方向变得杂乱无章，应力的延伸方向也相应发生改变，不同方向的应力进行合并和抵消，极大地释放了蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力，降低了位错和缺陷密度。而且P型掺杂的铝镓氮层对P型掺杂的铟镓氮层起到了阻断作用，避免P型掺杂的铟镓氮层的生长质量影响整体的晶体质量。另外，P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层交替层叠形成超晶格结构，进一步释放了蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力，降低了位错和缺陷密度。
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备方法的流程图；
图4是本发明实施例三提供的一种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上的缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、应力释放层4、P型氮化镓层5、电子阻挡层6、多量子阱层7、电流扩展层8和N型氮化镓层9。
在本实施例中，参见图2，应力释放层4包括依次层叠在非掺杂氮化镓层3上的多个子层40，各个子层40包括P型掺杂的铝镓氮层41和P型掺杂的铟镓氮层42。
本发明实施例通过多个子层依次层叠形成应力释放层，各个子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层，P型掺杂的铟镓氮层的生长温度较低，生长质量较差，使晶体不再按照晶向生长，晶体的生长方向变得杂乱无章，应力的延伸方向也相应发生改变，不同方向的应力进行合并和抵消，极大地释放了蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力，降低了位错和缺陷密度。而且P型掺杂的铝镓氮层对P型掺杂的铟镓氮层起到了阻断作用，避免P型掺杂的铟镓氮层的生长质量影响整体的晶体质量。另外，P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层交替层叠形成超晶格结构，进一步释放了蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力，降低了位错和缺陷密度。
具体地，P型掺杂的铝镓氮层可以为AlxGa1-xN层，0＜x＜1；P型掺杂的铟镓氮层可以为InyGa1-yN层，0＜y＜1。
可选地，P型掺杂的铝镓氮层的厚度可以为1～10nm。当P型掺杂的铝镓氮层的厚度小于1nm时，无法对P型掺杂的铟镓氮层起到阻挡作用，影响外延片的晶体质量；当P型掺杂的铝镓氮层的厚度大于10nm时，会造成材料的浪费。
可选地，P型掺杂的铟镓氮层的厚度可以为1～10nm。当P型掺杂的铟镓氮层的厚度小于1nm时，无法有效释放蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力；当P型掺杂的铟镓氮层的厚度大于10nm时，会对外延片的晶体质量造成不良影响。
可选地，如图2所示，各个子层还可以包括P型掺杂的铝铟镓氮层43，P型掺杂的铝铟镓氮层43层叠在P型掺杂的铝镓氮层41和P型掺杂的铟镓氮层42之间，以起到过渡作用，缓解P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层之间的晶格失配，提高应力释放的效果。
优选地，P型掺杂的铝铟镓氮层的厚度可以为1～10nm。当P型掺杂的铝铟镓氮层的厚度小于1nm时，无法有效缓解P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层之间的晶格失配；当P型掺杂的铝铟镓氮层的厚度大于10nm时，会造成材料的浪费。
具体地，应力释放层中P型掺杂剂的掺杂浓度小于P型氮化镓层中P型掺杂剂的掺杂浓度，以免影响P型氮化镓层向多量子阱层注入空穴。
可选地，子层的数量可以为2～20个。当子层的数量小于2个时，无法有效释放蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力；当子层的数量大于20个时，会对外延片的晶体质量造成不良影响。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底；缓冲层可以为氮化铝层或者氮化镓层；电子阻挡层可以为P型掺杂的铝镓氮层；多量子阱层包括多个铟镓氮量子阱层和多个氮化镓量子垒层，多个铟镓氮量子阱层和多个氮化镓量子垒层交替层叠设置；电流扩展层可以为N型掺杂的铝镓氮层。
更具体地，缓冲层的厚度可以为25nm～35nm；非掺杂氮化镓层的厚度可以为1.5μm～2.5μm；P型氮化镓层的厚度可以为1.5μm～2.5μm；电子阻挡层的厚度可以为90nm～110nm；铟镓氮量子阱层的厚度可以为2nm～4nm，氮化镓量子垒层的厚度可以为10nm～15nm，氮化镓量子垒层的数量与铟镓氮量子阱层的数量相同，铟镓氮量子阱层的数量可以为10个～15个；电流扩展层的厚度可以为50nm～70nm；N型氮化镓层的厚度可以为0.5μm～1.5μm。
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201：提供一衬底。
步骤202：在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂氮化镓层、应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流扩展层和N型氮化镓层。
其中，应力释放层包括依次层叠在非掺杂氮化镓层上的多个子层，各个子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层。
可选地，应力释放层的生长温度可以为1200℃～1250℃。当应力释放层的生长温度低于1200℃时，应力释放层的生长质量较差，影响外延片整体的质量；当应力释放层的生长温度高于1250℃时，无法有效释放蓝宝石衬底和氮化镓材料之间晶格失配产生的应力。
可选地，应力释放层的生长压力可以为200mbar～800mbar。当应力释放层的生长压力小于200mbar时，应力释放层的生长速率太快，生长质量较差；当应力释放层的生长压力大于800mbar时，应力释放层中P型掺杂剂(如镁)的掺杂效率会明显降低。
具体地，缓冲层的生长温度可以为600℃～650℃，生长压力可以为100mbar～300mbar。非掺杂氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200mbar～500mbar。P型氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200mbar～600mbar。电子阻挡层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200mbar～500mbar。铟镓氮量子阱层的生长温度可以为830℃～880℃，生长压力可以为200mbar～400mbar；氮化镓量子垒层的生长温度可以为920℃～980℃，生长压力可以为200mbar～400mbar。电流扩展层的生长温度可以为950℃～1000℃，生长压力可以为200mbar～400mbar。N型氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1050℃，生长压力可以为150mbar～300mbar。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，是实施例二提供的制备方法的一种具体实现。参见图4，该制备方法包括：
步骤301：将蓝宝石衬底在1300℃的氢气气氛下进行10分钟的热处理，以清洁蓝宝石衬底的表面。
步骤302：控制生长温度为625℃，生长压力为180mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的氮化镓层，形成缓冲层。
步骤303：控制生长温度为1230℃，生长压力为300mbar，在缓冲层上生长厚度为2μm的非掺杂氮化镓层。
步骤304：控制生长温度为1230℃，生长压力为300mbar，在非掺杂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在非掺杂氮化镓层上的10个子层，各个子层包括厚度为2.5nm的P型掺杂的铝镓氮层和厚度为2.5nm的P型掺杂的铟镓氮层，应力释放层中P型掺杂剂的掺杂浓度为P型氮化镓层中P型掺杂剂的掺杂浓度的30％。
步骤305：控制生长温度为1240℃，生长压力为350mbar，在应力释放层上生长厚度为2μm的P型氮化镓层。
步骤306：控制生长温度为1230℃，生长压力为350mbar，在P型氮化镓层上生长厚度为100nm的电子阻挡层。
步骤307：控制生长压力为300mbar，在电子阻挡层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括多个铟镓氮量子阱层和多个氮化镓量子垒层，多个铟镓氮量子阱层和多个氮化镓量子垒层交替层叠设置。铟镓氮量子阱层的生长温度为850℃，氮化镓量子垒层的生长温度为950℃。
步骤308：在多量子阱层上生长电流扩展层。
步骤309：在电流扩展层上生长N型氮化镓层。
在其它实施例中，应力释放层的生长温度、应力释放层的生长压力、子层的数量、P型掺杂的铝镓氮层的厚度、P型掺杂的铟镓氮层的厚度、应力释放层中P型掺杂剂的掺杂浓度、子层是否包括P型掺杂的铝铟镓氮层、P型掺杂的铝铟镓氮层的厚度等可以取其它值。
对应力释放层的生长温度、应力释放层的生长压力、子层的数量、P型掺杂的铝镓氮层的厚度、P型掺杂的铟镓氮层的厚度取不同值时的外延片制成的芯片进行抗静电能力(英文：Electro Static Discharge，简称：ESD)，测试电压为4KV，测试电流为10mA，外延片制成的芯片中通过ESD测试的比例如下表一和表二所示。其中，外延片制成的芯片中通过ESD测试的比例越高，表明外延片中的位错和缺陷越少，应力释放越充分。
表一 应力释放层的生长压力为300mbar
从表一可以看出，随着温度的增加，应力释放的效果先变好再变差；同时随着子层的数量和子层中各层的厚度综合取值逐渐增加的过程中，应力释放的效果也是先变好再变差。
表二 应力释放层的生长温度为1230℃
从表二可以看出，随着压力的增加，应力释放的效果先变好再变差；同时随着子层的数量和子层中各层的厚度综合取值逐渐增加的过程中，应力释放的效果也是先变好再变差。
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缓冲层、非掺杂氮化镓层、应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流阻挡层和N型氮化镓层，其特征在于，所述应力释放层包括依次层叠在所述非掺杂氮化镓层上的多个子层，各个所述子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，各个所述子层还包括P型掺杂的铝铟镓氮层，所述P型掺杂的铝铟镓氮层层叠在所述P型掺杂的铝镓氮层和所述P型掺杂的铟镓氮层之间。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述P型掺杂的铝铟镓氮层的厚度为1～10nm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述P型掺杂的铝镓氮层的厚度为1～10nm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述P型掺杂的铟镓氮层的厚度为1～10nm。
6.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述子层的数量为2～20个。
7.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层中P型掺杂剂的掺杂浓度小于所述P型氮化镓层中P型掺杂剂的掺杂浓度。
8.一种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：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂氮化镓层、应力释放层、P型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层、电流扩展层和N型氮化镓层；
其中，所述应力释放层包括依次层叠在所述非掺杂氮化镓层上的多个子层，各个所述子层包括P型掺杂的铝镓氮层和P型掺杂的铟镓氮层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述应力释放层的生长温度为1200℃～1250℃。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述应力释放层的生长压力为200mbar～800mbar。
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