CN108695416B - 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。外延片包括衬底以及层叠在衬底上的缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，有源层包括n个量子阱和(n+1)个量子垒，n≥2且n为整数，n个量子阱和(n+1)个量子垒交替层叠设置，每个量子阱为铟镓氮层，最靠近N型半导体层的量子垒为氮化镓层，除最靠近N型半导体层的量子垒之外的所有量子垒均为复合结构，所有相邻两个量子阱之间的量子垒的复合结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，第一子层和第五子层均为氮化镓层，第二子层为铝镓氮层，第三子层为N型掺杂的氮化镓层，第四子层为铟镓氮层。本发明可提高LED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备方法。
背景技术
GaN基Ⅲ族氮化物材料，是具有优异的物理化学性能的宽禁带化合物半导体材料。尤其是GaN材料，在发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)、激光器、功率器件、紫外光探测器等领域被大量研究和广泛应用。在LED领域，InGaN蓝绿光技术已经商品化，有加速替代传统照明的趋势。
外延片是发光二极管制备过程中的初级成品，目前GaN基蓝绿光发光二极管外延片包括衬底以及依次层叠在衬底上的缓冲层、N型层、有源层和P型层。其中，有源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。N型半导体层提供的电子和P型半导体层提供的空穴注入多量子阱层后，被量子垒限定在量子阱中进行辐射复合发光，但是现有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层叠在所述衬底上的缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述有源层包括n个量子阱和(n+1)个量子垒，n≥2且n为整数，所述n个量子阱和所述(n+1)个量子垒交替层叠设置，每个所述量子阱为铟镓氮层，最靠近所述N型半导体层的量子垒为氮化镓层，除最靠近所述N型半导体层的量子垒之外的所有量子垒均为复合结构，所有相邻两个所述量子阱之间的量子垒的复合结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，所述第一子层和所述第五子层均为氮化镓层，所述第二子层为铝镓氮层，所述第三子层为N型掺杂的氮化镓层，所述第四子层为铟镓氮层。
可选地，最靠近所述P型半导体层的量子垒的复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，或者最靠近所述P型半导体层的量子垒的复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第六子层，所述第六子层为氮化铝层。
可选地，每个所述第四子层中铟组分的含量小于所述量子阱层中铟组分的含量。
优选地，各个所述第四子层中铟组分的含量为所述量子阱层中铟组分的含量的1/20～1/30。
可选地，所有所述第二子层中铝组分的含量相等，或者所有所述第二子层中铝组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层增加。
可选地，每个所述第三子层中N型掺杂剂的掺杂浓度小于所述N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度。
优选地，各个所述第三子层中N型掺杂剂的掺杂浓度为所述N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度的1/40～1/60。
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：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；
其中，所述有源层包括n个量子阱和(n+1)个量子垒，n≥2且n为整数，所述n个量子阱和所述(n+1)个量子垒交替层叠设置，每个所述量子阱为铟镓氮层，最靠近所述N型半导体层的量子垒为氮化镓层，除最靠近所述N型半导体层的量子垒之外的所有量子垒均为复合结构，所有相邻两个所述量子阱之间的量子垒的复合结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，所述第一子层和所述第五子层均为氮化镓层，所述第二子层为铝镓氮层，所述第三子层为N型掺杂的氮化镓层，所述第四子层为铟镓氮层。
可选地，最靠近所述N型半导体层的量子垒的生长温度、各个所述第一子层的生长温度、以及各个所述第五子层的生长温度相等，且每个所述第五子层的生长温度高于所述量子阱的生长温度。
优选地，各个所述第二子层的生长温度、各个所述第三子层的生长温度、以及各个所述第四子层的生长温度相等，且每个所述第四子层的生长温度高于所述第五子层的生长温度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将所有相邻两个量子阱之间的量子垒改为复合结构，复合结构的两侧均为氮化镓层，可以避免量子阱中的铟析出；同时复合结构中的铝镓氮层的能带较高，形成较高的势垒，可以将电子和空穴限制在量子阱中，增加电子和空穴辐射复合的概率，进而提高LED的发光效率；而复合结构中的铟镓氮层可以调整复合结构整体的晶格常数，改善与量子阱之间的晶格失配，提高有源层的晶体质量，进一步提高LED的发光效率。另外，复合结构中的N型掺杂的氮化镓层可以降低量子垒的电阻，避免电流在量子阱/垒处聚集而被击穿，提高LED的抗静电能力。
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有源层的结构示意图；
图3a是本发明实施例提供的一种复合结构的结构示意图；
图3b是本发明实施例提供的另一种复合结构的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的有源层的能带示意图；
图5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以及层叠在衬底10上的缓冲层20、N型半导体层30、有源层40和P型半导体层50。图2为本发明实施例提供的有源层的结构示意图，参见图2，有源层40包括n个量子阱41和(n+1)个量子垒42，n≥2且n为整数，n个量子阱41和(n+1)个量子垒42交替层叠设置。
在本实施例中，每个量子阱41为铟镓氮层，最靠近N型半导体层30的量子垒42为氮化镓层，除最靠近N型半导体层30的量子垒42之外的所有量子垒42均为复合结构。图3a为本发明实施例提供的一种复合结构的结构示意图，参见图3a，所有相邻两个量子阱41之间的量子垒的复合结构包括依次层叠的第一子层42a、第二子层42b、第三子层42c、第四子层42d和第五子层42e。第一子层42a和第五子层42e均为氮化镓层，第二子层42b为铝镓氮层，第三子层42c为N型掺杂的氮化镓层，第四子层42d为铟镓氮层。
图4为本发明实施例提供的有源层的能带示意图，参见图4，量子阱41的能带最低，第二子层42b的能带最高，第四子层42d的能带高于量子阱41的能带，最靠近N型半导体层30的量子垒42、第一子层42a、第三子层42c、以及第五子层42e的能带相同并且都在第二子层42b的能带和第四子层42d的能带之间。
本发明实施例通过将大部分量子垒改为复合结构，复合结构的两侧均为氮化镓层，可以避免量子阱中的铟析出；同时复合结构中的铝镓氮层的能带较高，形成较高的势垒，可以将电子和空穴限制在量子阱中，增加电子和空穴辐射复合的概率，进而提高LED的发光效率；而复合结构中的铟镓氮层可以调整复合结构整体的晶格常数，改善与量子阱之间的晶格失配，提高有源层的晶体质量，进一步提高LED的发光效率。另外，复合结构中的N型掺杂的氮化镓层可以降低量子垒的电阻，避免电流在量子阱/垒处聚集而被击穿，提高LED的抗静电能力。
具体地，量子阱41的厚度可以为2.5nm～3.5nm，如3nm；第一子层42a的厚度可以为0.3nm～1nm，如0.6nm；第二子层42b的厚度可以为0.1nm～0.5nm，如0.25nm；第三子层42c的厚度可以为8nm～12nm，如10nm；第四子层42d的厚度可以为0.1nm～0.5nm，如0.25nm；第二氮化镓层42e的厚度可以为0.3nm～1nm，如0.6nm。
具体地，8≤n≤12，如n＝10。
在本实施例的一种实现方式中，如图3a所示，最靠近P型半导体层50的量子垒42的复合结构可以包括依次层叠的第一子层42a、第二子层42b、第三子层42c、第四子层42d和第五子层42e，与其它量子垒的复合结构一样，实现简单方便。
在本实施例的另一种实现方式中，图3b为本发明实施例提供的另一种复合结构的结构示意图，参见图3b，最靠近P型半导体层50的量子垒42的复合结构可以包括依次层叠的第一子层42a、第二子层42b、第三子层42c、第四子层42d和第六子层42f，第六子层42f可以为氮化铝层，最后一层从氮化镓层改为氮化铝层，可以有效避免电子跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，影响LED的发光效率。
具体地，第六子层42f的厚度可以为1nm～2nm。
可选地，每个第四子层42d中铟组分的含量可以小于量子阱层41中铟组分的含量，电子和空穴不会在第四子层中进行辐射复合，只是起到匹配量子阱晶格的作用。
优选地，各个第四子层42d中铟组分的含量可以为量子阱层41中铟组分的含量的1/20～1/30，如1/25，此时达到的效果最佳。
具体地，量子阱层41中铟组分的含量可以为6％～10％，如8％；第四子层42d中铟组分的含量可以为0.1％～0.5％，如0.3％。
在本实施例的一种实现方式中，所有第二子层42b中铝组分的含量可以相等，实现简单方便。
在本实施例的另一种实现方式中，所有第二子层42b中铝组分的含量可以沿该发光二极管外延片的层叠方向逐层增加，从而有效避免电子跃迁到P型半导体层中与电子进行非辐射复合。
具体地，第二子层42b中铝组分的含量可以为0.1％～0.3％，如0.2％，或者从0.1％逐层增加至0.3％。
可选地，每个第三子层42c中N型掺杂剂的掺杂浓度可以小于N型半导体层30中N型掺杂剂的掺杂浓度，不会由于提供的电子数量太多而跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，只是起到降低量子垒电阻的作用。
优选地，各个第三子层42c中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为N型半导体层30中N型掺杂剂的掺杂浓度的1/40～1/60，如1/50，此时效果达到最佳。
具体地，N型半导体层30中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1019cm-3～9*1019cm-3，如5*1019cm-3；第三子层42c中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1.5*1017cm-3～2.2*1018cm-3，如6*1017cm-3。
具体地，衬底10可以为蓝宝石衬底、Si衬底和SiC衬底中的一种。缓冲层20可以为氮化铝层或者氮化镓层。N型半导体层30可以为N型掺杂的氮化镓层，P型半导体层50可以为P型掺杂的氮化镓层。
更具体地，缓冲层20的厚度可以为15nm～35nm，如30nm。N型半导体层30的厚度可以为1μm～3μm，如1μm。P型半导体层50的厚度可以为100nm～400nm，如200nm。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层，未掺杂氮化镓层设置在缓冲层和N型半导体层之间，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，未掺杂氮化镓层的厚度可以为0.1μm～2μm，如0.5μm。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括应力释放层，应力释放层设置在N型半导体层和有源层之间，以释放底层异质衬底生长产生的应力，提高后续生长的有源层的生长质量，进而提高LED的发光效率。
具体地，应力释放层可以包括多个铟镓氮层和多个氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置。
更具体地，应力释放层的铟镓氮层中铟组分的含量可以为0.05％～0.15％，如0.1％；应力释放层的铟镓氮层的厚度可以为5nm～15nm，如10nm；应力释放层的氮化镓层的厚度可以为30nm～70nm，如50nm；应力释放层的铟镓氮层的数量可以与应力释放层的氮化镓层的数量相等，应力释放层的氮化镓层的数量可以为任意大于1的正整数，如5。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层，电子阻挡层设置在有源层和P型半导体层之间，以避免注入有源层进行辐射复合的电子跃迁到P型半导体层中进行非辐射复合，影响LED的发光效率。
具体地，电子阻挡层可以为P型掺杂的铝镓氮层，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5，如y＝0.3。
更具体地，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm，如100nm。
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5为本发明实施例提供的制备方法的流程图，参见图5，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、N型半导体层、有源层和P型半导体层。
其中，有源层包括n个量子阱和(n+1)个量子垒，n≥2且n为整数，n个量子阱和(n+1)个量子垒交替层叠设置，每个量子阱为铟镓氮层，最靠近N型半导体层的量子垒为氮化镓层，除最靠近N型半导体层的量子垒之外的所有量子垒均为复合结构，所有相邻两个量子阱之间的量子垒的复合结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，第一子层和第五子层均为氮化镓层，第二子层为铝镓氮层，第三子层为N型掺杂的氮化镓层，第四子层为铟镓氮层。
可选地，最靠近N型半导体层的量子垒的生长温度、各个第一子层的生长温度、以及各个第五子层的生长温度可以相等，且每个第五子层的生长温度可以高于量子阱的生长温度，在避免影响量子阱生长的情况下提高有源层的晶体质量。
优选地，各个第二子层的生长温度、各个第三子层的生长温度、以及各个第四子层的生长温度可以相等，且每个第四子层的生长温度可以高于第五子层的生长温度，尽可能提高有源层的晶体质量。
具体地，量子阱的生长温度与发光波长相关，可以根据实际情况进行选定，如800℃；最靠近N型半导体层的量子垒的生长温度、第一子层的生长温度、以及第五子层的生长温度可以比量子阱的生长温度高20℃～40℃，如825℃；第二子层的生长温度、第三子层的生长温度、以及第四子层的生长温度可以比量子阱的生长温度高50℃～80℃，如865℃。
具体地，有源层的生长压力可以为100torr～500torr，如300torr。
具体地，该步骤202可以包括：
控制温度为400℃～600℃(如500℃)，压力为400torr～600torr(如500torr)，在衬底上生长缓冲层；
控制温度为1000℃～1200℃(如1100℃)，压力为400Torr～600Torr(如500torr)，持续时间为5分钟～20分钟(如8分钟)，对缓冲层进行原位退火处理；
控制温度为1050℃～1100℃(如1100℃)，压力为100torr～500torr(如300torr)，在缓冲层上生长N型半导体层；
在N型半导体层上生长有源层；
控制温度为850℃～1080℃(如960℃)，压力为100torr～300torr(如200torr)，在有源层上生长P型半导体层。
可选地，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000℃～1100℃(如1100℃)，压力为100torr～500torr(如300torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
可选地，该制备方法还可以包括：
控制温度为830℃～880℃(如850℃)，压力为100torr～400torr(如200torr)，在N型半导体层生长应力释放层。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
可选地，该制备方法还可以包括：
控制温度为400℃～1200℃(如800℃)，压力为100torr～500torr(如300torr)，在有源层上生长电子阻挡层。
相应地，P型半导体层生长在电子阻挡层上。
需要说明的是，在本实施例中，控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应腔，如金属有机化学气相沉积设备(Metal organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)中的温度、压力。实现时，采用高纯氢气(H2)或者氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(英文简称：TMGa)或三乙基镓(英文简称：TEGa)作为镓源，氨气(NH3)作为氮源，三甲基铟(英文简称：TMIn)作为铟源，三甲基铝(英文简称：TMAl)作为铝源，N型掺杂剂选用四乙基硅(英文简称：TeESi)或者硅烷(Si2H6)，P型掺杂剂选用二茂镁。
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层叠在所述衬底上的缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述有源层包括n个量子阱和(n+1)个量子垒，n≥2且n为整数，所述n个量子阱和所述(n+1)个量子垒交替层叠设置，每个所述量子阱为铟镓氮层，最靠近所述N型半导体层的量子垒为氮化镓层，其特征在于，除最靠近所述N型半导体层的量子垒之外的所有量子垒均为复合结构，所有相邻两个所述量子阱之间的量子垒的复合结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，所述第一子层和所述第五子层均为氮化镓层，所述第二子层为铝镓氮层，所述第三子层为N型掺杂的氮化镓层，所述第四子层为铟镓氮层；
最靠近所述P型半导体层的量子垒的复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第六子层，所述第六子层为氮化铝层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每个所述第四子层中铟组分的含量小于所述量子阱层中铟组分的含量。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述第四子层中铟组分的含量为所述量子阱层中铟组分的含量的1/20～1/30。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所有所述第二子层中铝组分的含量相等，或者所有所述第二子层中铝组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层增加。
5.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，每个所述第三子层中N型掺杂剂的掺杂浓度小于所述N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述第三子层中N型掺杂剂的掺杂浓度为所述N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度的1/40～1/60。
7.一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：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；
其中，所述有源层包括n个量子阱和(n+1)个量子垒，n≥2且n为整数，所述n个量子阱和所述(n+1)个量子垒交替层叠设置，每个所述量子阱为铟镓氮层，最靠近所述N型半导体层的量子垒为氮化镓层，除最靠近所述N型半导体层的量子垒之外的所有量子垒均为复合结构，所有相邻两个所述量子阱之间的量子垒的复合结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第五子层，所述第一子层和所述第五子层均为氮化镓层，所述第二子层为铝镓氮层，所述第三子层为N型掺杂的氮化镓层，所述第四子层为铟镓氮层；最靠近所述P型半导体层的量子垒的复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层和第六子层，所述第六子层为氮化铝层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，最靠近所述N型半导体层的量子垒的生长温度、各个所述第一子层的生长温度、以及各个所述第五子层的生长温度相等，且每个所述第五子层的生长温度高于所述量子阱的生长温度。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，各个所述第二子层的生长温度、各个所述第三子层的生长温度、以及各个所述第四子层的生长温度相等，且每个所述第四子层的生长温度高于所述第五子层的生长温度。
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