CN107946419A - 一种发光二极管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外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、3D成岛层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二比值为第一比值的1.5‑5倍。本发明中3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长，可以得到清晰的横向生长和垂直方向生长的界面，从而可以减小线缺陷的密度，提高发光二极管的晶体质量，进而提高LED的抗静电能力和发光效率。
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外延片及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等，提高芯片发光效率是LED不断追求的目标。
现有LED包括衬底和层叠在衬底上的GaN基外延层，GaN基外延层包括依次层叠在衬底上的低温缓冲层、3D成岛层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层和P型层。其中，生长3D成岛层为采用摩尔比为单一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层。
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：
由于现有的3D成岛层在横向生长时可能会使得相邻的GaN小岛发生合并，而小岛的合并会产生线缺陷，线缺陷对LED的晶体质量的破坏作用较大，会严重影响LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术中3D成岛层横向生长产生线缺陷，从而影响LED的发光效率的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、3D成岛层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，
所述3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，所述第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二比值为所述第一比值的1.5-5倍。
可选地，所述超晶格结构的周期为2-10。
可选地，所述3D成岛层中紧贴所述低温缓冲层的部分为所述第一子层。
另一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在衬底上依次生长低温缓冲层、3D成岛层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，所述3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，所述第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二比值为所述第一比值的1.5-5倍。
可选地，所述超晶格结构的周期为2-10。
可选地，所述3D成岛层中紧贴所述低温缓冲层的部分为所述第一子层。
可选地，所述第一子层的生长时间与所述第二子层的生长时间相同。
可选地，所述第一子层和所述第二子层的生长时间均为15-20min。
可选地，所述第一子层的生长压力比所述第二子层的生长压力高50-400torr。
可选地，所述第一子层的生长温度比所述第二子层的生长温度高10-30℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，其中第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，且第二比值为所述第一比值的1.5-5倍，由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，可以加强3D成岛层的三维生长，第二子层中五族元素和三族元素的摩尔比较高，有利于3D成岛层的二维生长，因此3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长，可以得到清晰的横向生长和垂直方向生长的界面，从而可以减小线缺陷的密度，提高发光二极管的晶体质量，进而提高LED的抗静电能力和发光效率。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的方法流程图。
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，图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、3D成岛层3、高温缓冲层4、N型层5、有源层6、电子阻挡层7、P型层8和活化P型接触层9。
其中，3D成岛层3包括由第一子层31和第二子层32构成的超晶格结构，第一子层31为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层32为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二比值为第一比值的1.5-5倍。
若第二比值小于第一比值的1.5倍，则第一子层31和第二子层32中的五族元素与三族元素的摩尔比的差异就不明显，则无法达到三维生长和二维生长变换生长的目的，若第二比值大于第一比值的5倍，则第一子层31和第二子层32中的五族元素与三族元素的摩尔比的差异较大，对于线缺陷的减少没有正作用。
本发明实施例通过3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，其中第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，且第二比值为所述第一比值的1.5-5倍，由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，可以加强3D成岛层的三维生长，第二子层中五族元素和三族元素的摩尔比较高，有利于3D成岛层的二维生长，因此3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长，可以得到清晰的横向生长和垂直方向生长的界面，从而可以减小线缺陷的密度，提高发光二极管的晶体质量，进而提高LED的抗静电能力和发光效率。
可选地，超晶格结构的周期为2-10。
若超晶格结构的周期数小于2，就不能达到本发明所要达到的3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长的目的。若超晶格结构的周期数大于10，则会增加较多的生长时间，且3D成岛层的生长效果并不会持续变好。
优选地，3D成岛层3中紧贴低温缓冲层2的部分为第一子层31。使3D成岛层从第一子层31开始生长，由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，可以加强3D成岛层的三维生长，使得3D成岛层的尺寸增加，3D成岛层中的GaN小岛的密度降低，则使得GaN小岛的合并延迟，从而进一步降低线缺陷的密度。
在本实施例中，衬底1可以为蓝宝石衬底，低温缓冲层2可以为GaN层，3D成岛层3为GaN层，高温缓冲层4可以为GaN层，N型层5可以为掺Si的GaN层，有源层6可以交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，电子阻挡层7可以为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(0.15≤y≤0.25)层，P型层8可以为高掺杂Mg的GaN层，活化P型接触层9可以为掺杂Mg/ln的PlnGaN层。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，适用于实施例一提供的发光二极管外延片，图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、对衬底进行预处理。
可选地，衬底为蓝宝石，厚度为630-650um。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N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，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100-600torr。
具体地，该步骤201包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5-6min。其中，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力控制在200-500torr。
步骤202、在衬底上生长低温缓冲层。
具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石的面上。
在本实施例中，低温缓冲层为低温GaN层，厚度为15-30nm。反应室温度为530-560℃，反应室压力控制在200-500torr。
步骤203、在低温缓冲层上生长3D成岛层。
在本实施例中，3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二比值为第一比值的1.5-5倍。
若第二比值小于第一比值的1.5倍，则第一子层31和第二子层32中的五族元素与三族元素的摩尔比的差异就不明显，则无法达到三维生长和二维生长变换生长的目的，若第二比值大于第一比值的5倍，则第一子层31和第二子层32中的五族元素与三族元素的摩尔比的差异较大，对于线缺陷的减少没有正作用。
本发明实施例通过3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，其中第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，且第二比值为所述第一比值的1.5-5倍，由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，可以加强3D成岛层的三维生长，第二子层中五族元素和三族元素的摩尔比较高，有利于3D成岛层的二维生长，因此3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长，可以得到清晰的横向生长和垂直方向生长的界面，从而可以减小线缺陷的密度，提高发光二极管的晶体质量，进而提高LED的抗静电能力和发光效率。
可选地，超晶格结构的周期为2-10。
若超晶格结构的周期数小于2，就不能达到本发明所要达到的3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长的目的。若超晶格结构的周期数大于10，则会增加较多的生长时间，且3D成岛层的生长效果并不会持续变好。
优选地，3D成岛层中紧贴低温缓冲层的部分为第一子层。使3D成岛层从第一子层开始生长，由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，可以加强3D成岛层的三维生长，使得3D成岛层的尺寸增加，3D成岛层中的GaN小岛的密度降低，则使得GaN小岛的合并延迟，从而进一步降低线缺陷的密度。
可选地，第一子层的生长时间与第二子层的生长时间相同，即可使得3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长，从而得到清晰的横向生长和垂直方向生长的界面。
在本实施例中，第一子层和第二子层的生长时间均为15-20min。
可选地，第一子层的生长压力比第二子层的生长压力高50-400torr。由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，再配合高的生长压力，更容易促进3D成岛层的三维生长。若第一子层与第二子层的生长压力的差值小于50torr，则促进3D成岛层的三维生长的作用就会减弱，若第一子层与第二子层的生长压力的差值大于400torr，则生长压力的切换会增加生长时间。
优选地，第一子层的生长压力比第二子层的生长压力高100-350torr。
可选地，3D成岛层的生长压力为600torr。
可选地，第一子层的生长温度比第二子层的生长温度高10-30℃。由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，再配合高的生长温度，可以进一步促进3D成岛层的三维生长。若第一子层与第二子层的生长温度的差值小于10℃，则不能达到促进3D成岛层的三维生长的作用，若第一子层与第二子层的生长温度的差值大于30℃，一方面会破坏低温缓冲层中的晶种，另一方面切换温度会增加生长时间。
可选地，3D成岛层的生长温度为1040-1050℃。
步骤204、在3D成岛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GaN层，厚度为2-3.5um。生长高温缓冲层时，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力控制在200-600torr。
步骤205、在高温缓冲层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层，厚度为2-3um。生长N型层时，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力控制在200-300torr。
步骤206、在N型层上生长有源层。
有源层可以包括交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。其中，InGaN层的厚度为2-3nm，GaN层的厚度为8-11nm。InGaN层和GaN层的层数相等，均为11-13，InGaN层和GaN层的总厚度为130-160nm。
具体地，生长有源层时，反应室压力控制在200torr。生长InGaN阱层时，反应室温度为760-780℃。生长GaN垒层时，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Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15-0.25)，电子阻挡层的厚度为30-50nm。
具体地，生长电子阻挡层时，反应室温度为930-970℃，反应室压力控制在100torr。
步骤208、在电子阻挡层上生长P型层。
可选地，P型层为高温高掺杂Mg的GaN层，其厚度为50-80nm。
具体地，生长P型层时，反应室温度为940-980℃，反应室压力控制在200-600torr。
步骤209、在P型层上生长活化P型接触层。
可选地，活化P型接触层为高掺杂Mg/ln的PlnGaN层，其厚度为1-2nm。
具体地，活化P型接触层，在氮气气氛下，持续处理P型层20-30min。其中，反应室温度为650-750℃。反应室压力控制在200-600torr。
需要说明的是，活化P型接触层主要是活化P型层中掺杂的Mg，使Mg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ITO(Indium TinOxides，氧化铟锡金属氧化物)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254μm*862μm(10mi*30mil)和229μm*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中，第一样品是采用传统3D成岛层生长得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管的制造方法得到的。
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60mA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，两种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60mA驱动电流下有明显提升，电压降低明显，例如，在150mA驱动电流下，某一相同位置的第一样品的晶粒的光强为205mW，第二样品的晶粒的光强为210mW，在60mA驱动电流下，某一相同位置的第一样品的晶粒的光强为92mW，第二样品的晶粒的光强为98mW。这就说明此法生长的3D成岛层结构其对线缺陷有明显的减少作用。
本发明通过3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，其中第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，且第二比值为所述第一比值的1.5-5倍，由于第一子层中五族元素和三族元素的摩尔比较低，可以加强3D成岛层的三维生长，第二子层中五族元素和三族元素的摩尔比较高，有利于3D成岛层的二维生长，因此3D成岛层在三维生长模式和二维生长模式中变换生长，可以得到清晰的横向生长和垂直方向生长的界面，从而可以减小线缺陷的密度，提高发光二极管的晶体质量，进而提高LED的抗静电能力和发光效率。
以上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)
1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、3D成岛层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，其特征在于，
所述3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，所述第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二比值为所述第一比值的1.5-5倍。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格结构的周期为2-10。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述3D成岛层中紧贴所述低温缓冲层的部分为所述第一子层。
4.一种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：
提供一衬底；
在衬底上依次生长低温缓冲层、3D成岛层、高温缓冲层、N型层、有源层、电子阻挡层、P型层，所述3D成岛层包括由第一子层和第二子层构成的超晶格结构，所述第一子层为采用摩尔比为第一比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二子层为采用摩尔比为第二比值的五族元素和三族元素制成的GaN层，所述第二比值为所述第一比值的1.5-5倍。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述超晶格结构的周期为2-10。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述3D成岛层中紧贴所述低温缓冲层的部分为所述第一子层。
7.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长时间与所述第二子层的生长时间相同。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的生长时间均为15-20min。
9.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力比所述第二子层的生长压力高50-400torr。
10.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度比所述第二子层的生长温度高10-30℃。
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