CN108695415B - 一种发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其生长方法，属于半导体技术领域。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、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层，所述低温P型半导体层包括依次层叠的第一单层结构、第二单层结构和超晶格结构，所述第一单层结构为掺杂铝的氮化镓层，所述第二单层结构为没有掺杂铝的氮化镓层，所述超晶格结构包括交替层叠的多个第一子层和多个第二子层，每个所述第一子层为掺杂铝的氮化镓层，每个所述第二子层为没有掺杂铝的氮化镓层。本发明通过第一单层结构阻挡缺陷的延伸，同时阻挡电子泄露，超晶格结构有效阻断低温P型半导体层低温生长带来的缺陷，并进一步阻挡电子泄露。

Description

一种发光二极管外延片及其生长方法
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外延片及其生长方法。
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正在被迅速广泛地应用在交通信号灯、城市景观照明、手机背光源等领域。
外延片是LED制备过程中的初级成品。现有的LED外延片包括衬底以及依次层叠在衬底上的缓冲层、N型半导体层、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层。其中，低温P型半导体层和高温P型半导体层提供的空穴，与N型半导体层提供的电子注入有源层进行复合发光。具体地，低温P型半导体层和高温P型半导体层为P型掺杂的氮化镓层，N型半导体层为N型掺杂的氮化镓层。
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：
低温P型半导体层的生长温度低于高温P型半导体层的生长温度，虽然注入有源层的空穴数量很少，但是可以有效缓解高温P型半导体层对有源层的影响。同时也正是由于低温P型半导体层的生长温度较低，使得低温P型半导体层的晶体质量较差，带来较多的缺陷，影响有源层的复合发光，LED的发光效率还有待提高。
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外延片及其生长方法。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、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层，所述低温P型半导体层包括依次层叠的第一单层结构、第二单层结构和超晶格结构，所述第一单层结构为掺杂铝的氮化镓层，所述第二单层结构为没有掺杂铝的氮化镓层，所述超晶格结构包括交替层叠的多个第一子层和多个第二子层，每个所述第一子层为掺杂铝的氮化镓层，每个所述第二子层为没有掺杂铝的氮化镓层。
可选地，各个所述第一子层中铝的掺杂浓度小于或等于所述第一单层结构中铝的掺杂浓度。
优选地，所述电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，所述第一单层结构中铝的掺杂浓度小于所述电子阻挡层中铝的掺杂浓度。
可选地，各个所述第一子层的厚度大于或等于每个所述第二子层的厚度。
优选地，所述超晶格结构的厚度小于或等于所述第一单层结构的厚度。
可选地，所述第一子层的数量与所述第二子层的数量相等，所述第二子层的数量为2个～8个。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层；
其中，所述低温P型半导体层包括依次层叠的第一单层结构、第二单层结构和超晶格结构，所述第一单层结构为掺杂铝的氮化镓层，所述第二单层结构为没有掺杂铝的氮化镓层，所述超晶格结构包括交替层叠的多个第一子层和多个第二子层，每个所述第一子层为掺杂铝的氮化镓层，每个所述第二子层为没有掺杂铝的氮化镓层。
可选地，所述第一单层结构的生长温度低于所述第二单层结构的生长温度。
可选地，所述超晶格结构的生长温度与所述第二单层结构的生长温度相等。
可选地，所述第一单层结构的生长速率大于或等于所述第二单层结构的生长速率。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在低温P型半导体层中原有的氮化镓层之前插入掺杂铝的氮化镓层，铝原子比镓原子小，当铝原子取代镓原子时，外延片的晶格常数变小，禁带宽度变宽，可以阻挡缺陷的延伸；同时掺杂铝的氮化镓层的势垒较高，可以阻挡电子泄露到没有掺杂铝的氮化镓层以及高温P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，从而提高电子与空穴进行辐射复合的效率，进而提升LED的发光效率。而且在低温P型半导体层中原有的氮化镓层之后插入超晶格结构，超晶格结构由掺杂铝的氮化镓层和没有掺杂铝的氮化镓层交替层叠形成，相当于形成了多个阻断层，可以有效阻断低温P型半导体层低温生长带来的缺陷，并进一步阻挡电子跃迁到高温P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，从而进一步提高电子与空穴进行辐射复合的效率，大大提升了LED的发光效率。
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低温P型半导体层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。
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、缓冲层20、N型半导体层30、有源层40、低温P型半导体层50、电子阻挡层60和高温P型半导体层70，缓冲层20、N型半导体层30、有源层40、低温P型半导体层50、电子阻挡层60和高温P型半导体层70依次层叠在衬底10上。
图2为本发明实施例提供的低温P型半导体层的结构示意图，参见图2，在本实施例中，低温P型半导体层50包括第一单层结构51、第二单层结构52和超晶格结构53，第一单层结构51、第二单层结构52和超晶格结构53依次层叠在有源层40上。第一单层结构51为掺杂铝的氮化镓层。第二单层结构52为没有掺杂铝的氮化镓层。如图2所示，超晶格结构53包括多个第一子层53a和多个第二子层53b，多个第一子层53a和多个第二子层53b交替层叠设置(图2中仅以3个第一子层53a和3个第二子层53b为例，本发明并不限制于此)；每个第一子层53a为掺杂铝的氮化镓层，每个第二子层53b为没有掺杂铝的氮化镓层。
本发明实施例通过在低温P型半导体层中原有的氮化镓层之前插入掺杂铝的氮化镓层，铝原子比镓原子小，当铝原子取代镓原子时，外延片的晶格常数变小，禁带宽度变宽，可以阻挡缺陷的延伸；同时掺杂铝的氮化镓层的势垒较高，可以阻挡电子泄露到没有掺杂铝的氮化镓层以及高温P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，从而提高电子与空穴进行辐射复合的效率，进而提升LED的发光效率。
而且在低温P型半导体层中原有的氮化镓层之后插入超晶格结构，超晶格结构由掺杂铝的氮化镓层和没有掺杂铝的氮化镓层交替层叠形成，相当于形成了多个阻断层，可以有效阻断低温P型半导体层低温生长带来的缺陷，并进一步阻挡电子跃迁到高温P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，从而进一步提高电子与空穴进行辐射复合的效率，大大提升了LED的发光效率。
另外，低温P型半导体层中原有的氮化镓层还是可以起到其本身的作用，一方面为有源层提供少量的空穴，增加注入有源层中与电子进行复合发光的空穴数量，提高LED的发光效率；另一方面有效缓解高温P型半导体层对有源层的影响，有利于提高有源层中电子和空穴的复合发光，提高LED的发光效率。
可选地，各个第一子层53a中铝的掺杂浓度可以小于或等于第一单层结构51中铝的掺杂浓度。第一单层结构51中铝的掺杂浓度较高，可以有效阻挡电子跃迁到低温P型半导体层和高温P型半导体层中与电子进行非辐射复合，从而有利于提高有源层中电子与空穴复合发光的效率，进而提升LED的发光效率。
进一步地，各个第一子层53a中铝的掺杂浓度可以大于或等于第一单层结构51中铝的掺杂浓度的1/3。将各个第一子层中铝的掺杂浓度和第一单层结构中铝的掺杂浓度之间的差距较小，避免第一单层结构中铝的掺杂浓度太高而影响空穴注入有源层中，降低有源层中空穴与电子复合发光的效率，进而降低LED的发光效率。
优选地，电子阻挡层60为P型掺杂的铝镓氮层，第一单层结构51中铝的掺杂浓度可以小于电子阻挡层60中铝的掺杂浓度，避免第一单层结构中铝的掺杂浓度太高而影响空穴注入有源层中，降低有源层中空穴与电子复合发光的效率，进而降低LED的发光效率。
进一步地，第一单层结构51中铝的掺杂浓度可以为电子阻挡层60中铝的掺杂浓度的1/5～1/2。若第一单层结构中铝的掺杂浓度小于电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/5，则可能由于第一单层结构中铝的掺杂浓度太低而无法有效阻挡电子，导致电子跃迁到低温P型半导体层和高温P型半导体层中与电子进行非辐射复合，影响有源层中电子与空穴复合发光的效率，进而降低LED的发光效率；若第一单层结构中铝的掺杂浓度大于电子阻挡层中铝的掺杂浓度的1/2，则可能由于第一单层结构中铝的掺杂浓度太高而影响空穴注入有源层中，降低有源层中空穴与电子复合发光的效率，进而降低LED的发光效率。
具体地，第一单层结构51中铝的掺杂浓度可以为1020/cm3～5*1020/cm3，各个第一子层531中铝的掺杂浓度可以为0.5*1020/cm3～1020/cm3，电子阻挡层60中铝的掺杂浓度可以为5*1020/cm3～2.5*1021/cm3。
可选地，第一子层531的数量与第二子层532的数量相等，第二子层532的数量可以为2个～8个。若第一子层的数量和第二子层的数量小于2个，则可能由于第一子层的数量和第二子层的数量太少而无法有效阻断低温P型半导体层低温生长带来的缺陷，以及阻挡电子跃迁到高温P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，影响有源层中电子与空穴进行辐射复合的效率，降低了LED的发光效率；若第一子层的数量和第二子层的数量大于8个，则可能由于第一子层的数量和第二子层的数量太多而影响空穴注入有源层中，降低有源层中空穴与电子复合发光的效率，进而降低LED的发光效率。
可选地，各个第一子层531的厚度可以大于或等于每个第二子层532的厚度。各个第一子层的厚度较大，可以有效阻断低温P型半导体层低温生长带来的缺陷。
进一步地，各个第一子层531的厚度可以小于或等于每个第二子层532的厚度的3倍，避免各个第一子层的厚度太大而影响空穴注入有源层中，降低有源层中空穴与电子复合发光的效率，进而降低LED的发光效率。
优选地，超晶格结构53的厚度可以小于或等于第一单层结构51的厚度。第一单层结构的厚度较大，可以有效阻挡电子跃迁到低温P型半导体层和高温P型半导体层中与电子进行非辐射复合，从而有利于提高有源层中电子与空穴复合发光的效率，进而提升LED的发光效率。
进一步地，超晶格结构53的厚度可以大于或等于第一单层结构51的厚度的1/3。将超晶格结构的厚度和第一单层结构的厚度之间的差距较小，避免第一单层结构太厚，一方面造成整体的晶体质量太差，另一方面影响空穴注入有源层中，降低有源层中空穴与电子复合发光的效率，进而降低LED的发光效率。
更优选地，第一单层结构51的厚度可以小于第二单层结构52的厚度，以确保低温P型半导体层中原有的氮化镓层本身的作用。
具体地，第一单层结构51的厚度可以为5nm～10nm。第二单层结构52的厚度可以为10nm～50nm。超晶格结构53的厚度可以为3nm～6nm，各个第一子层531的厚度可以为1nm～2nm，各个第二子层532的厚度可以为0.5nm～1nm。
在具体实现时，衬底10可以为蓝宝石衬底。缓冲层20可以包括低温缓冲层和未掺杂氮化镓层；低温缓冲层可以为低温生长的氮化镓层，厚度可以为15nm～30nm；未掺杂氮化镓层可以为生长温度比低温缓冲层高的氮化镓层，厚度可以为2μm～3.5μm。N型半导体层30可以为N型掺杂的氮化镓层，厚度可以为2μm～3μm。有源层40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设置；量子阱可以为铟镓氮层，厚度可以为2nm～3nm；量子垒可以为氮化镓层，厚度可以为8nm～11nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为11个～13个；有源层的厚度可以为130nm～160nm。电子阻挡层的厚度可以为30nm～50nm。高温P型半导体层可以为P型掺杂的氮化镓层，厚度可以为50nm～80nm。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，适用于生长图1所示的发光二极管外延片。图3为本发明实施例提供的发光二极管的生长方法的流程图，参见图3，该生长方法包括：
步骤201：提供一衬底。
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)设备实现发光二极管外延片的生长方法。具体地，采用高纯氢气(H2)、高纯氮气(N2)、以及高纯氢气和高纯氮气的混合气体中的一种作为载气，高纯氨气(NH3)作为氮源，三甲基镓(英文简称：TMGa)和三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMAl)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。
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，反应室温度为1000℃～1100℃，反应室压力为200torr～500torr。
步骤202：在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层。
在本实施例中，低温P型半导体层包括依次层叠的第一单层结构、第二单层结构和超晶格结构，第一单层结构为掺杂铝的氮化镓层，第二单层结构为没有掺杂铝的氮化镓层，超晶格结构包括交替层叠的多个第一子层和多个第二子层，每个第一子层为掺杂铝的氮化镓层，每个第二子层为没有掺杂铝的氮化镓层。
可选地，第一单层结构的生长温度可以低于第二单层结构的生长温度，降低高温对有源层的破坏，有效缓解高温P型半导体层对有源层的影响，有利于有源层中电子和空穴的复合发光效率，进而提升LED的发光效率。
进一步地，第一单层结构的生长温度可以比第二单层结构的生长温度低10℃～30℃。若第一单层结构的生长温度比第二单层结构的生长温度低10℃以下，则可能由于第一单层结构的生长温度较高而无法有效保护有源层，影响有源层中电子和空穴的复合发光效率，降低LED的发光效率；若第一单层结构的生长温度比第二单层结构的生长温度低30℃以上，则可能由于第一单层结构的生长温度太低而影响整体的晶体质量，还是会影响有源层中电子和空穴的复合发光效率，降低LED的发光效率。
可选地，超晶格结构的生长温度可以与第二单层结构的生长温度相等，避免超晶格结构的生长温度太高而破坏有源层，影响有源层中电子和空穴的复合发光效率，降低LED的发光效率。
具体地，第一单层结构的生长温度可以为710℃～740℃，第二单层结构的生长温度可以为740℃～790℃，超晶格结构的生长温度可以为740℃～790℃。
容易知道，第二单层结构的生长温度低于高温P型半导体层的生长温度。
可选地，第一单层结构的生长压力、第二单层结构的生长压力、以及超晶格结构的生长压力可以相等。
具体地，低温P型半导体层的生长压力可以为100torr～250torr。
可选地，第一单层结构的生长速率可以大于或等于第二单层结构的生长速率。由于第一单层结构的生长温度较低，晶体质量较差，因此第一单层结构的生长速率较快，有利于缓解由于第一单层结构的生长温度较低对晶体质量的影响。
进一步地，第一单层结构的生长速率可以小于或等于第二单层结构的生长速率的5倍，避免第一单层结构的生长速率太快而影响到整体的晶体质量。
优选地，超晶格结构的生长速率可以与第二单层结构的生长速率相等，以方便实现。
具体地，第一单层结构的生长速率可以0.8μm/h～1.5μm/h，第二单层结构的生长速率可以为0.2μm/h～0.8μm/h，超晶格结构的生长速率可以为0.2μm/h～0.8μm/h。
具体地，该步骤202可以包括：
控制反应室温度为530℃～560℃，反应室压力为200torr～500torr，在衬底上生长低温缓冲层；
控制反应室温度为1000℃～1100℃，反应室压力为200torr～600torr，在低温缓冲层上生长未掺杂氮化镓层；
控制反应室温度为1000℃～1100℃，反应室压力为200torr～300torr，在未掺杂氮化镓层上生长N型半导体层；
控制反应室压力为200torr，在N型半导体层上交替生长多个量子阱和多个量子垒，生长量子阱时反应室温度为760℃～780℃，生长量子垒时反应室温度为860℃～890℃；
在有源层上生长低温P型半导体层；
控制反应室温度为930℃～970℃，反应室压力为100torr，在低温P型半导体层上生长电子阻挡层；
控制反应室温度为940℃～980℃，反应室压力为200torr～600torr，在电子阻挡层上生长高温P型半导体层。
在具体实现时，缓冲层生长在蓝宝石的[0001]面上。
可选地，在该步骤202之后，该生长方法还可以包括：
在氮气气氛下，持续处理高温P型半导体层20min～30min，形成P型接触层。
其中，反应室温度为650℃～750℃。
通过采用上述方式活化高温P型半导体层中掺杂的镁，使镁活化后产生更多的空穴，避免由于不活化而导致与P型电极之间的欧姆接触较差，造成LED芯片的亮度低、电压高。
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 (9)

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、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层，其特征在于，所述低温P型半导体层包括依次层叠的第一单层结构、第二单层结构和超晶格结构，所述第一单层结构为掺杂铝的氮化镓层，所述第二单层结构为没有掺杂铝的氮化镓层，所述超晶格结构包括交替层叠的多个第一子层和多个第二子层，每个所述第一子层为掺杂铝的氮化镓层，每个所述第二子层为没有掺杂铝的氮化镓层；各个所述第一子层中铝的掺杂浓度小于或等于所述第一单层结构中铝的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，所述第一单层结构中铝的掺杂浓度小于所述电子阻挡层中铝的掺杂浓度。
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，各个所述第一子层的厚度大于或等于每个所述第二子层的厚度。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格结构的厚度小于或等于所述第一单层结构的厚度。
5.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，所述第一子层的数量与所述第二子层的数量相等，所述第二子层的数量为2个～8个。
6.一种发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、低温P型半导体层、电子阻挡层和高温P型半导体层；
其中，所述低温P型半导体层包括依次层叠的第一单层结构、第二单层结构和超晶格结构，所述第一单层结构为掺杂铝的氮化镓层，所述第二单层结构为没有掺杂铝的氮化镓层，所述超晶格结构包括交替层叠的多个第一子层和多个第二子层，每个所述第一子层为掺杂铝的氮化镓层，每个所述第二子层为没有掺杂铝的氮化镓层；各个所述第一子层中铝的掺杂浓度小于或等于所述第一单层结构中铝的掺杂浓度。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述第一单层结构的生长温度低于所述第二单层结构的生长温度。
8.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述超晶格结构的生长温度与所述第二单层结构的生长温度相等。
9.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述第一单层结构的生长速率大于或等于所述第二单层结构的生长速率。
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