CN108461589A - 一种发光二极管的外延片及其制作方法 - 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作方法，属于光电子制造技术领域。该外延片包括衬底和依次形成在衬底上的AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层，三维岛状层包括形成在AlN缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层，三维岛状AlGaN层与AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间都具有较小的晶格差异，将三维岛状AlGaN层设置在AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间，可以降低三维岛状层与AlN缓冲层之间的晶格失配，有利于提高外延片的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。
目前GaN基LED外延片通常包括衬底和在衬底上依次生长的AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层。LED通电后，载流子(包括n型层的电子和p型层的空穴)会向发光层迁移，并在发光层中复合发光。
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：
三维岛状层为通常为三维岛状GaN层，AlN缓冲层与三维岛状GaN层之间存在较大的晶格失配，从而导致制作的外延片晶体质量较差。
发明内容
为了解决外延片晶体质量较差的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制作方法。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和依次形成在所述衬底上的AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层，所述三维岛状层包括形成在所述AlN缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在所述三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层。
可选地，所述三维岛状AlGaN层的厚度为15～25nm。
可选地，所述三维岛状GaN层的厚度为240～260nm。
可选地，所述AlN缓冲层的厚度为10～30nm。
可选地，所述应力释放层包括交替层叠的InxGa1-xN层和GaN层，0<x＜1。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次外延生长AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层，其中，所述三维岛状层包括形成在所述AlN缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在所述三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层。
可选地，所述三维岛状AlGaN层的生长温度为940～960℃，生长压力为80～120torr。
可选地，在生长所述三维岛状AlGaN层后，所述制作方法还包括：
对所述三维岛状AlGaN层进行退火。
可选地，所述三维岛状AlGaN层的退火温度为1030℃～1070℃，退火压力为390～410torr。
可选地，所述三维岛状GaN层的生长温度为1040℃～1060℃，生长压力为380～420torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将三维岛状层设置为包括形成在所述缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在所述三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层的形式，三维岛状AlGaN层与AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间都具有较小的晶格差异，将三维岛状AlGaN层设置在AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间，可以降低三维岛状层与AlN缓冲层之间的晶格失配，有利于提高外延片的晶体质量。
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的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层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的制作方法的流程图；
图5～11是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图。如图1所示，该外延片包括衬底10和依次形成在衬底10上的AlN缓冲层20、三维岛状层30、u型GaN层40、n型层50、应力释放层60、发光层70和p型层80。
如图1所示，三维岛状层30包括形成在AlN缓冲层20上的三维岛状AlGaN层31和形成在三维岛状AlGaN层31上的三维岛状GaN层32。
本发明实施例通过将三维岛状层设置为包括形成在缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层的形式，三维岛状AlGaN层与AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间都具有较小的晶格差异，将三维岛状AlGaN层设置在AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间，可以降低三维岛状层与AlN缓冲层之间的晶格失配，有利于提高外延片的晶体质量。
可选地，衬底10可以为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。在其他实施例中，也可以为Si衬底和SiC衬底。
AlN缓冲层20的厚度可以为10～30nm，生长的AlN缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若AlN缓冲层的厚度过薄，则会导致AlN缓冲层的表面较为疏松和粗糙，不能为后续结构的生长提供一个好的模板，随着AlN缓冲层厚度的增加，AlN缓冲层的表面逐渐变得较为致密和平整，有利于后续结构的生长，但是若AlN缓冲层的厚度过厚，则会导致AlN缓冲层的表面过于致密，同样不利于后续结构的生长，无法减少外延层中的晶格缺陷。
可选地，三维岛状AlGaN层31的厚度可以为15～25nm。在本实施例中，三维岛状AlGaN层31的厚度为20nm。三维岛状AlGaN层31太薄对减小AlN缓冲层20和三维岛状层30之间的晶格失配作用不明显，三维岛状AlGaN层31太厚则会延长生长周期。
可选地，三维岛状GaN层32的厚度可以为240～260nm。在本实施例中，三维岛状GaN层32的厚度为250nm。
可选地，u型GaN层40的厚度可以为0.3～0.7μm，在本实施例中，u型GaN层40的厚度为0.5μm。
可选地，n型层50为n型GaN层，n型层50的厚度可以为0.8～1.2μm，在本实施例中，n型层50的厚度为1μm。
n型层50中的Si的掺杂浓度可以为1019～9×1019cm-3。
如图1所示，应力释放层60包括交替层叠的InxGa1-xN层61和GaN层62，0<x＜1。InxGa1-xN层61的层数和GaN层62的层数均可以为5～10层(图1中仅示例性地示出了其中的2层InxGa1-xN层61和2层GaN层62)，其中，直接生长在n型层50上的为一层InxGa1-xN层61。通过多层InxGa1-xN层61和多层GaN层62的交替层叠，可以逐渐降低外延片中的应力，有利于后续发光层的生长，提高最终的外延片的晶体质量。
图2是本发明实施例提供的一种发光层的结构示意图，如图2所示，发光层70可以包括交替层叠的10～15个周期的InyGa1-yN层71和GaN层72，0<y<1，其中，InyGa1-yN层71的厚度可以为2～4nm，GaN层72的厚度可以为9～20nm，本实施例中，InyGa1-yN层71的厚度为3nm，GaN层72的厚度为11nm。
需要说明的是，图2中所示出的InyGa1-yN层71和GaN层72的层数仅为示意，并不用以限制其各自的层数。
可选地，p型层80可以包括依次层叠的p型AlGaN电子阻挡层81、p型GaN层82和p型GaN接触层83，p型层80的厚度可以为100～300nm，在本实施例中，p型层80的厚度为200nm。
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法流程图，用于制作如图1所示的外延片，如图3所示，该制作方法包括：
S11：提供一衬底。
本实施例中，选用蓝宝石衬底。
S12：在衬底上依次外延生长AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层。
其中，三维岛状层包括形成在AlN缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层。
本发明实施例通过将三维岛状层设置为包括形成在缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层的形式，三维岛状AlGaN层与AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间都具有较小的晶格差异，将三维岛状AlGaN层设置在AlN缓冲层和三维岛状GaN层之间，可以降低三维岛状层与AlN缓冲层之间的晶格失配，有利于提高外延片的晶体质量。
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的制作方法的流程图，下面结合附图5～11对图4提供的制作方法进行详细说明：
S21：提供一衬底。
实现时，该衬底可以是蓝宝石衬底，蓝宝石衬底是一种常见的衬底，技术成熟，成本低。
在步骤S21中，可以对蓝宝石衬底进行预处理，具体可以包括在氢气气氛中对蓝宝石衬底进行退火8分钟，退火温度为1000～1200℃，再对蓝宝石衬底进行氮化处理。
在其他实施例中，也可以为Si衬底和SiC衬底。
S22：在衬底上外延生长AlN缓冲层。
如图5所示，在衬底10上生长有AlN缓冲层20。
其中，AlN缓冲层20的厚度可以为10～30nm，生长的AlN缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若AlN缓冲层的厚度过薄，则会导致AlN缓冲层的表面较为疏松和粗糙，不能为后续结构的生长提供一个好的模板，随着AlN缓冲层厚度的增加，AlN缓冲层的表面逐渐变得较为致密和平整，有利于后续结构的生长，但是若AlN缓冲层的厚度过厚，则会导致AlN缓冲层的表面过于致密，同样不利于后续结构的生长，无法减少外延层中的晶格缺陷。
S23：在AlN缓冲层上生长三维岛状AlGaN层。
如图6所示，在AlN缓冲层20上生长有三维岛状AlGaN层31。
三维岛状AlGaN层31的厚度可以为15～25nm，本实施例中，AlN缓冲层20上生长有厚度为20nm的三维岛状AlGaN层31。
三维岛状AlGaN层31可以在高温低压环境下生长。
具体地，三维岛状AlGaN层的生长温度可以为940～960℃，生长压力为80～120torr。采用高温低压环境生长三维岛状AlGaN层，有利于Al的并入，从而有利于三维岛状AlGaN层的生长。在本实施例中，三维岛状AlGaN层的生长温度为950℃，生长压力为100torr。
在生长三维岛状AlGaN层后，还可以对三维岛状AlGaN层进行退火。
具体地，三维岛状AlGaN层的退火温度可以为1030℃～1070℃，退火压力可以为390～410torr。本实施例中所采用的退火温度为1050℃，退火压力为400torr。
实现时，可以停止向反应腔中通入MO源，将反应腔内的温度逐渐升高至1050℃，将压力逐渐增大至400torr。通过在高温高压下退火，有利于去除在低温下生长三维岛状AlGaN层时产生的多晶和C杂质，有利于进一步提高晶体质量。
退火过程可以持续1～3分钟，本实施例中的退火过程持续时间为2分钟。
S24：在三维岛状AlGaN层上生长三维岛状GaN层。
如图7所示，在三维岛状AlGaN层31上生长有三维岛状GaN层32。
三维岛状GaN层32的厚度可以为240～260nm，本实施例中，三维岛状AlGaN层31上生长有厚度为250nm的三维岛状GaN层32。
三维岛状GaN层32可以在高温高压环境下生长。
具体地，三维岛状GaN层的生长温度可以为1040℃～1060℃，生长压力为380～420torr，在本实施例中，三维岛状GaN层的生长温度为1050℃，生长压力为400torr。高温高压环境下有利于三维岛状GaN层的三维生长。
S25：在三维岛状GaN层上生长u型GaN层。
如图8所示，在三维岛状GaN层32上生长有u型GaN层40。u型GaN层40的厚度可以为0.3～0.7μm，在本实施例中，u型GaN层40的厚度为0.5μm。
u型GaN层40的生长温度可以为1080～1120℃，生长压力可以为100torr～500torr。本实施例中，u型GaN层40的生长温度为1100℃，生长压力为300torr。
S26：在u型GaN层上生长n型层。
如图9所示，在u型GaN层40上生长有n型层50。
实现时，n型层50为n型GaN层，n型层50的厚度可以为0.8～1.2μm，在本实施例中，n型层50的厚度为1μm。n型层50中的Si的掺杂浓度可以为1019～9×1019cm-3。
n型层50的生长温度可以为1050～1100℃，生长压力可以为100torr～500torr。
需要说明的是，n型层50还可以采用其他掺杂，例如Ge。
S27：在n型层上生长应力释放层。
如图10所示，在n型层50上生长有应力释放层60。
应力释放层60包括交替层叠的InxGa1-xN层61和GaN层62，直接生长在n型层50上的为一层InxGa1-xN层61，0<x＜1(图10中仅示例性地示出了其中的2层InxGa1-xN层61和2层GaN层62)。InxGa1-xN层61的层数和GaN层62的层数均可以为5～10层，通过多层InxGa1-xN层61和多层GaN层62的交替层叠，可以逐渐降低外延片中的应力，有利于后续发光层的生长，提高最终的外延片的晶体质量。
InxGa1-xN层61和GaN层62的生长温度均可以为830～870℃，本实施例中，InxGa1-xN层61和GaN层62的生长温度均控制在850℃。
S28：在应力释放层上生长发光层。
如图11所示，在应力释放层60上生长有发光层70。
具体地，发光层70可以包括交替层叠的10～15个周期的InyGa1-yN层71和GaN层72，其中，0<y<1。
可选地，InyGa1-yN层71的厚度可以为2～4nm，GaN层72的厚度可以为9～20nm，本实施例中，InyGa1-yN层71的厚度为3nm，GaN层72的厚度为11nm。
实现时，InyGa1-yN层71的生长温度可以为780～820℃，生长压力可以为100～500torr。GaN层72的生长温度可以为910～950℃，生长压力可以为100～500torr。在本实施例中，InyGa1-yN层71的生长温度设置为800℃，GaN层72的生长温度设置为930℃，InyGa1-yN层71和GaN层72的生长压力均为300torr。
需要说明的是，图11中所示出的InyGa1-yN层71和GaN层72的层数仅为示意，并不用以限制其各自的层数。
S29：在发光层上生长p型层。
参照图1，在发光层70上生长有p型层80。
可选地，p型层80为复合层，具体地，p型层80可以包括依次层叠的p型AlGaN电子阻挡层81、p型GaN层82和p型GaN接触层83。
p型AlGaN电子阻挡层81的生长温度可以为850～1080℃，生长压力可以为200～500torr。
p型GaN层82的生长温度可以为850～1080℃，生长压力可以为100～300torr。
p型GaN接触层83的生长温度可以为850～1080℃，生长压力可以为100～300torr。
在完成p型层80的生长后，可以在氨气气氛中进行退火处理，退火温度为650～850℃，退火处理时间为5～15分钟。
p型层80的厚度可以为100～300nm，在本实施例中，p型层80的厚度为200nm。
在完成步骤S29后可以对外延片进行后续加工，以完成LED芯片的制作。
在具体实现时，本发明实施例可以采用高纯H2或者N2作为载气，分别采用TEGa或TMGa、TMAl、TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源，并可以分别采用SiH4和Cp2Mg作为n型和p型掺杂剂，还可以采用TeESi(四乙基硅)和Si2H6作为Si源，可以采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片的生长。
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，其特征在于，所述外延片包括衬底和依次形成在所述衬底上的AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层，所述三维岛状层包括形成在所述AlN缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在所述三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述三维岛状AlGaN层的厚度为15～25nm。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述三维岛状GaN层的厚度为240～260nm。
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AlN缓冲层的厚度为10～30nm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述应力释放层包括交替层叠的InxGa1-xN层和GaN层，0<x＜1。
6.一种发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次外延生长AlN缓冲层、三维岛状层、u型GaN层、n型层、应力释放层、发光层和p型层，其中，所述三维岛状层包括形成在所述AlN缓冲层上的三维岛状AlGaN层和形成在所述三维岛状AlGaN层上的三维岛状GaN层。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述三维岛状AlGaN层的生长温度为940～960℃，生长压力为80～120torr。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，在生长所述三维岛状AlGaN层后，所述制作方法还包括：
对所述三维岛状AlGaN层进行退火。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述三维岛状AlGaN层的退火温度为1030℃～1070℃，退火压力为390～410torr。
10.根据权利要求6～9任一项所述的制作方法，其特征在于，所述三维岛状GaN层的生长温度为1040℃～1060℃，生长压力为380～420torr。
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