CN108417672B - 一种发光二极管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外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。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缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，所述发光二极管外延片还包括导热薄膜，所述导热薄膜设置在所述衬底和所述缓冲层之间，所述导热薄膜的组成物质包括碳单质，所述碳单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的90％以上。本发明通过在衬底上先形成碳单质的原子个数在90％以上的导热薄膜，再在导热薄膜上依次层叠缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，由于碳单质的导热性很好，有利于多量子阱中铟原子的均匀分布，最终改善外延片的光电性能的一致性。
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备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是利用半导体的PN结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。外延片是发光二极管制备过程中的初级成品。
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、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。其中，多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层，量子垒为氮化镓层。当注入电流时，N型氮化镓层提供的电子和P型氮化镓层提供的空穴注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：
蓝宝石衬底和氮化镓材料之间存在较大的晶格失配，晶格失配会产生位错和缺陷，导致外延片的晶体质量较差。由于蓝宝石的热导率较低，外延片上温度分布不均匀，加上蓝宝石衬底通常为图形化蓝宝石衬底(英文：Patterned Sapphire Substrate，简称：PSS)，PSS上各个图形之间基于工艺限制会存在一定的差异，因而导致外延片各个区域的晶体质量存在差异，造成多量子阱中铟原子的分布不均匀，最终影响到外延片的光电性能的一致性。
发明内容
为了解决现有技术蓝宝石的热导率较低，最终影响到外延片的光电性能的一致性的问题，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缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，所述发光二极管外延片还包括导热薄膜，所述导热薄膜设置在所述衬底和所述缓冲层之间，所述导热薄膜的组成物质包括碳单质，所述碳单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的90％以上。
可选地，所述碳单质包括金刚石和石墨，所述金刚石的原子个数超过所述碳单质的原子个数的50％。
优选地，所述导热薄膜的组成物质还包括硅单质，所述硅单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的5％～10％。
可选地，所述导热薄膜的厚度为2nm～30nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
采用脉冲激光沉积技术在衬底上形成导热薄膜，所述导热薄膜的组成物质包括碳单质，所述碳单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的90％以上；
采用气相外延技术在所述导热薄膜上依次生长缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层。
可选地，所述采用脉冲激光沉积技术在衬底上形成导热薄膜，包括：
提供一设有石墨靶的真空室；
将所述衬底放入所述真空室内，对所述真空室进行抽真空；
向所述真空室内通入氢气，控制真空室内的温度为200℃～600℃，压力为10Pa～150Pa；
采用激光对所述石墨靶进行溅射，在所述衬底上形成所述导热薄膜，所述导热薄膜中的碳单质包括金刚石和石墨，所述金刚石的原子个数超过所述碳单质的原子个数的50％。
优选地，所述石墨靶中掺有硅单质，所述硅单质的原子个数占所述石墨靶的原子个数的5％～10％。
优选地，所述制备方法还包括：
当向所述真空室内通入氢气时，向所述真空室内通入含硅元素的气体。
优选地，所述石墨靶与所述衬底之间的距离为4.5cm～6.5cm。
可选地，所述导热薄膜的厚度为2nm～30nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底上先形成碳单质的原子个数在90％以上的导热薄膜，再在导热薄膜上依次层叠缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，由于碳单质的导热性很好，因此预先在衬底上形成的导热薄膜可以使外延片上各个区域的温度分布均匀，避免导热薄膜上生长的缓冲层等由于温度分布不均匀而导致各个区域的晶体质量之间存在差异，有利于多量子阱中铟原子的均匀分布，最终改善外延片的光电性能的一致性。而且碳单质在衬底上形成的是薄膜，不会影响后续缓冲层等的形成。
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。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，图1为本发明实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图，参见图1，该发光二极管外延片包括衬底10以及依次层叠在衬底10上的导热薄膜20、缓冲层30、N型半导体层40、多量子阱层50和P型半导体层60。
在本实施例中，导热薄膜20的组成物质包括碳单质，所述碳单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的90％以上。
本发明实施例通过在衬底上先形成碳单质的原子个数在90％以上的导热薄膜，再在导热薄膜上依次层叠缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，由于碳单质的导热性很好，因此预先在衬底上形成的导热薄膜可以使外延片上各个区域的温度分布均匀，避免导热薄膜上生长的缓冲层等由于温度分布不均匀而导致各个区域的晶体质量之间存在差异，有利于多量子阱中铟原子的均匀分布，最终改善外延片的光电性能的一致性。而且碳单质在衬底上形成的是薄膜，不会影响后续缓冲层等的形成。
可选地，碳单质可以包括金刚石和石墨，金刚石的原子个数超过碳单质的原子个数的50％(优选为90％)。金刚石和石墨都是常见的碳单质，形成简单方便，因此碳单质包括金刚石和石墨，不会造成生产成本太高；同时金刚石的导热性能优于石墨，金刚石的原子个数超过一半，有利于温度分布均匀，以达到最佳效果。
在实际应用中，金刚石的原子个数越多，导热薄膜的导热性能越好，温度分布越均匀，因此会尽可能提高导热薄膜中金刚石的原子个数，但受限于目前的工艺技术，金刚石的原子个数最多达到碳单质的原子个数的90％，此时温度分布均匀的效果达到最佳。
具体地，导热薄膜20可以包括类金刚石膜。类金刚石(英文：Diamond-likeCarbon，简称：DLC)膜是含有金刚石相的非晶碳膜，其中的碳原子大部分处于金刚石的sp3杂化态，少部分处于石墨的sp2杂化态，其性质主要由sp3键含量及分布状态决定。由于含有一定数量的sp3键，类金刚石膜具有一系列类似于金刚石的性质，如热导率高。
优选地，导热薄膜20的组成物质还可以包括硅单质，硅单质的原子个数占导热薄膜的原子个数的5％～10％(优选为6％)。通过在导热薄膜中掺硅，有利于在形成导热薄膜时增加导热薄膜中金刚石的原子个数，进而提高温度分布均匀的效果。
具体地，导热薄膜20的厚度可以为2nm～30nm(优选为28nm)。若导热薄膜的厚度小于2nm，则可能由于导热薄膜的厚度太小而无法达到使温度分布均匀的效果；若导热薄膜的厚度大于30nm，则可能由于导热薄膜的厚度太大而影响后续缓冲层等的外延生长。
在实际应用中，导热薄膜的厚度越大，导热性能越好，温度分布越均匀，因此会尽可能提高导热薄膜的厚度，但是导热薄膜的厚度太大，有可能会导致后续缓冲层无法在导热薄膜上进行外延生长，将导热薄膜的厚度限定为28nm，既能得到较好的温度分布均匀效果，也能确保缓冲层能在导热薄膜上顺利生长。
具体地，衬底10可以为蓝宝石衬底，优选为PSS。缓冲层30可以为氮化铝层或者氮化镓层。N型半导体层40可以为N型掺杂的氮化镓层，P型半导体层60可以为P型掺杂的氮化镓层。多量子阱层50可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠，量子阱可以为铟镓氮层，量子垒可以为氮化镓层或者铝镓氮层。
更具体地，缓冲层30的厚度可以为15nm～35nm(优选为25nm)。N型半导体层40的厚度可以为1μm～5μm(优选为3μm)，N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3(优选为5*1018cm-3)；P型半导体层60的厚度可以为100nm～800nm(优选为400nm)。量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm(优选为3nm)，量子垒的厚度可以为9nm～20nm(优选为15nm)；量子垒的数量与量子阱的数量相同，量子阱的数量可以为3个～15个(优选为8个)。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层70，未掺杂氮化镓层70设置在缓冲层30和N型半导体层40之间，以进一步缓解蓝宝石衬底和N型半导体层之间的晶格失配，为N型半导体层等的生长提高晶体质量较好的底层。
具体地，未掺杂氮化镓层70的厚度可以为0.1μm～2μm(优选为1μm)。
可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层80，电子阻挡层80设置在多量子阱层50和P型半导体层60之间，以避免电子跃迁到P型半导体层中进行非辐射复合。
具体地，电子阻挡层80可以为P型掺杂的铝镓氮层，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5(优选y＝0.3)。
更具体地，电子阻挡层80的厚度可以为50nm～150nm(优选为100nm)。
可选地，如图1所示。该发光二极管外延片还可以包括P型接触层90，P型接触层90设置在P型氮化镓层60上。
具体地，P型接触层90可以为P型掺杂的铟镓氮层。
更具体地，P型接触层90的厚度可以为5nm～300nm(优选为150nm)。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于制备图1所示的发光二极管外延片。图2为本发明实施例提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图，参见图2，该制备方法包括：
步骤201：采用脉冲激光沉积(英文：Pulsed Laser Deposition，简称：PLD)技术在衬底上形成导热薄膜，导热薄膜的组成物质包括碳单质，碳单质的原子个数占导热薄膜的原子个数的90％以上。
可选地，该步骤201可以包括：
提供一设有石墨靶的真空室；
将衬底放入所述真空室内，对真空室进行抽真空；
向真空室内通入氢气，控制真空室内的温度为200℃～600℃(优选为400℃)，压力为10Pa～150Pa(优选为80Pa)；
采用激光对石墨靶进行溅射，在衬底上形成所述导热薄膜，导热薄膜中的碳单质包括金刚石和石墨，金刚石的原子个数超过碳单质的原子个数的50％。
通过控制通入的载气、以及真空室内的温度和压力，有利于激光对石墨靶溅射之后在衬底上形成金刚石，使导热薄膜中金刚石的原子个数超过石墨。
优选地，石墨靶与衬底之间的距离可以为4.5cm～6.5cm(优选为5.5cm)。实验证实，石墨靶与衬底之间的距离在4.5cm～6.5cm之间时，导热薄膜质量的形成速率较为合适，得到的导热薄膜的质量较好，其中金刚石的原子个数较多。
在本实施例的一种实现方式中，石墨靶中可以掺有硅单质，硅单质的原子个数占石墨靶的原子个数的5％～10％(优选为6％)。通过在石墨靶中掺杂硅，从而使导热薄膜中也掺硅，进而有利于提高导热薄膜中金刚石的原子个数。
在本实施例的另一种实现方式中，该制备方法还可以包括：
当向真空室内通入氢气时，向真空室内通入含硅元素的气体。
通过在载气中加入含硅元素的气体，从而使导热薄膜中也掺硅，进而有利于提高导热薄膜中金刚石的原子个数。
在具体实现时，该步骤201可以采用美国光谱物理公司生产的Spitfire ProXP型Ti实现，其采用Sapphire飞秒脉冲激光器通过透镜聚焦烧蚀石墨靶，产生碳等离子体，碳等离子体定向膨胀发射，在衬底上形成导热薄膜。具体地，激光的中心波长可以为800nm，脉冲宽度可以为120fs，频率可以为1kHz，透镜的焦距可以为0.5m，激光通过透镜射到石墨靶上的入射角度可以为55°，真空室可以为直径450mm的球体。
步骤202：采用气相外延技术在导热薄膜上依次生长缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层。
具体地，该步骤202可以包括：
第一步，在导热薄膜上生长缓冲层。
具体地，缓冲层的生长温度可以为400℃～600℃(优选为500℃)，生长压力可以为400torr～600torr(优选为500torr)。
第二步，在缓冲层上生长N型半导体层。
具体地，N型半导体层的生长温度可以为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，生长压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)。
第三步，在N型半导体层上生长多量子阱层。
具体地，量子阱的生长温度可以为720℃～829℃(优选为770℃)，生长压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度可以为850℃～959℃(优选为900℃)，生长压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)。
第四步，在多量子阱层上生长P型半导体层。
具体地，P型半导体层的生长温度可以为850℃～1080℃(优选为960℃)，生长压力可以为100torr～300torr(优选为200torr)。
可选地，在第一步之前，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，将衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理，以清洁衬底的表面。
可选地，在第一步之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为400Torr～600Torr(优选为500torr)，持续时间为5分钟～10分钟(优选为8分钟)，对缓冲层进行原位退火处理。
可选地，在第一步之后，该制备方法还可以包括：
在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
具体地，未掺杂氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，生长压力可以为100torr～500torr(优选为300torr)。
相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
可选地，在第三步之后，该制备方法还可以包括：
在多量子阱层上生长电子阻挡层。
电子阻挡层的生长温度可以为850℃～1080℃(优选为960℃)，生长压力可以为200torr～500torr(优选为350torr)。
相应地，P型半导体层生长在电子阻挡层上。
可选地，在第四步之后，该制备方法还可以包括：
在P型半导体层上生长P型接触层。
具体地，P型接触层的生长温度可以为850℃～1050℃(优选为950℃)，生长压力可以为100torr～300torr(优选为200torr)。
可选地，在第四步之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为650℃～850℃(优选为750℃)，持续时间为5分钟～15分钟(优选为10分钟)，在氮气气氛中进行退火处理。
需要说明的是，生长温度和生长压力均是指控制生长外延片的反应腔中的温度、压力。实现时以三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
本发明实施例通过在衬底上先形成碳单质的原子个数在90％以上的导热薄膜，再在导热薄膜上依次层叠缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，由于碳单质的导热性很好，因此预先在衬底上形成的导热薄膜可以使外延片上各个区域的温度分布均匀，避免导热薄膜上生长的缓冲层等由于温度分布不均匀而导致各个区域的晶体质量之间存在差异，有利于多量子阱中铟原子的均匀分布，最终改善外延片的光电性能的一致性。而且碳单质在衬底上形成的是薄膜，不会影响后续缓冲层等的形成。
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缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括导热薄膜，所述导热薄膜设置在所述衬底和所述缓冲层之间，所述导热薄膜的组成物质包括碳单质，所述碳单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的90％以上；所述碳单质包括金刚石和石墨，所述金刚石的原子个数超过所述碳单质的原子个数的50％；所述导热薄膜的组成物质还包括硅单质，所述硅单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的5％～10％。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述导热薄膜的厚度为2nm～30nm。
3.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
采用脉冲激光沉积技术在衬底上形成导热薄膜，所述导热薄膜的组成物质包括碳单质，所述碳单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的90％以上；所述碳单质包括金刚石和石墨，所述金刚石的原子个数超过所述碳单质的原子个数的50％；所述导热薄膜的组成物质还包括硅单质，所述硅单质的原子个数占所述导热薄膜的原子个数的5％～10％；
采用气相外延技术在所述导热薄膜上依次生长缓冲层、N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述采用脉冲激光沉积技术在衬底上形成导热薄膜，包括：
提供一设有石墨靶的真空室；
将所述衬底放入所述真空室内，对所述真空室进行抽真空；
向所述真空室内通入氢气，控制真空室内的温度为200℃～600℃，压力为10Pa～150Pa；
采用激光对所述石墨靶进行溅射，在所述衬底上形成所述导热薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述石墨靶中掺有硅单质，所述硅单质的原子个数占所述石墨靶的原子个数的5％～10％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
当向所述真空室内通入氢气时，向所述真空室内通入含硅元素的气体。
7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨靶与所述衬底之间的距离为4.5cm～6.5cm。
8.根据权利要求3～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述导热薄膜的厚度为2nm～30nm。
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