CN109301041B - 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。制造方法包括：提供一衬底；在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层和电子阻挡层；在电子阻挡层上生长高温P型层，高温P型层包括依次生长的第一子层和第二子层，第一子层和第二子层中均掺有Mg，且第一子层中掺有In，在低温低压的条件下生长第一子层，在高温高压的生长条件下，在第一子层上生长第二子层。该制造方法可以减少高温P型层对多量子阱的破坏，同时又可以提供足够的空穴，保证LED的发光效率。
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。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和高温P型层。高温P型层中掺有Mg，用于提供空穴。为了获取一定量的空穴，通常会在高温环境下生长高温P型层，高温有利于Mg的活化，可以使得高温P型层能够提供更多的空穴。或者，提高高温P型层中Mg的掺杂浓度，以提高空穴的含量。
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：
在高温环境下生长高温P型层，会破坏多量子阱层，使得多量子阱层的晶体质量降低，影响LED的发光效率，而提高高温P型层中Mg的掺杂浓度，会导致高温P型层中Mg的含量较高，从而引起自补偿效应，反而会导致空穴的浓度降低。
发明内容
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，可以减少高温P 型层对多量子阱的破坏，同时又可以提供足够的空穴，保证LED的发光效率。
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的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层和电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长高温P型层，所述高温P型层包括依次生长的第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层中均掺有Mg，且所述第一子层中掺有In，在低温低压的环境下生长所述第一子层，在高温高压的环境下，在所述第一子层上生长所述第二子层；
所述第一子层的生长温度比所述第二子层的生长温度低20～50℃，所述第二子层的生长温度为950～1000℃，所述第一子层中的Mg的掺杂浓度为所述第二子层中的Mg的掺杂浓度的1.5～3倍。
进一步地，所述多量子阱层中包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和 GaN量子垒层，所述第一子层中的In的含量为所述InGaN量子阱层中In的含量的0.05～0.1。
进一步地，所述高温P型层的生长时间为T，所述第一子层的生长时间为 t1，0.25T≤t1≤0.5T。
进一步地，生长完所述第一子层后，将反应室内的温度和压力逐渐升高。
进一步地，所述反应室内的温度和压力逐渐升高的时间为t2，0.1T≤t2≤ 0.2T。
进一步地，所述第一子层的生长压力为100～300torr，所述第二子层的生长压力为300～600torr。
进一步地，生长所述第一子层时，反应室的转速为500～1000r/min，生长所述第二子层时，反应室的转速为1000～1200r/min。
另一方面，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、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和高温P型层，
所述高温P型层包括依次生长的第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层中均掺有Mg，且所述第一子层中掺有In，所述第一子层是在低温低压的环境下生长而成的，所述第二子层是在高温高压的环境下生长而成的；
所述第一子层的生长温度比所述第二子层的生长温度低20～50℃，所述第二子层的生长温度为950～1000℃，所述第一子层中的Mg的掺杂浓度为所述第二子层中的Mg的掺杂浓度的1.5～3倍。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将高温P型层分为第一子层和第二子层，其中第一子层离多量子阱层较近，因此第一子层采用低温生长，可降低高温对多量子阱层的破坏。且第一子层中掺有In，可以降低第一子层中Mg的活化能，进而增加第一子层中空穴的浓度和数量。第一子层中采用低压生长可以保证In的并入效果以减少In的析出。第二子层采用高温高压生长，有利于第二子层中Mg的活化，使得第二子层能够提供较多的空穴，最终可以减少高温P型层对多量子阱的破坏，同时又可以提供足够的空穴，保证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制造方法的方法流程图；
图2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。
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的制造方法，图1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1所示，该制造方法包括：
步骤101、提供一衬底。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
步骤101还可以包括：
控制反应室温度为1050℃，压力为200～500Torr，在纯氢气氛围对蓝宝石衬底进行退火处理5～6min，然后将蓝宝石衬底进行氮化处理。
在本实施例中，可以采用Veeco K465i or C4 MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，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。
步骤102、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衬底的[0001]面上。
在本实施例中，低温GaN层即低温缓冲层，厚度为15～30nm。生长低温缓冲层时，反应室温度为530～560℃，反应室压力控制在200～500torr。
步骤103、在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，高温GaN层即高温缓冲层，高温缓冲层可以为不掺杂的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104、在高温缓冲层上生长N型层。
具体地，N型层可以为掺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105、在N型层上生长多量子阱层。
具体地，多量子阱层可以包括交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。其中，InGaN量子阱层的厚度为2～3nm，GaN量子垒层的厚度为8～11nm。InGaN 量子阱层和GaN量子垒层的层数为11～13，InGaN量子阱层和GaN量子垒层的总厚度为130～160nm。
具体地，生长多量子阱层时，反应室压力控制在200torr。生长InGaN量子阱层时，反应室温度为760～780℃。生长GaN量子垒层时，反应室温度为 860～890℃。
步骤106、在多量子阱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107、在电子阻挡层上生长高温P型层。
在本实施例中，高温P型层包括依次生长的第一子层和第二子层，第一子层和第二子层中均掺有Mg，且第一子层中掺有In，在低温低压的环境下生长第一子层，在高温高压的环境下，在第一子层上生长第二子层。
进一步地，第一子层中的In的含量为InGaN量子阱层中In的含量的 0.05～0.1。若低于0.05，会因为第一子层中In的含量较少而减弱In对Mg的激活作用。若大于0.1，则In的含量较高同样也会影响到第一子层的晶体质量。
进一步地，高温P型层的生长时间为T，第一子层的生长时间为t1，0.25T ≤t1≤0.5T。若t1小于0.25T，会因为生长时间较短，导致第一子层中In组分较少，In对Mg的激活作用减少，从而影响到了空穴的数量。若t1大于0.5T，会因为生长时间较短而第一子层的生长温度又较低而影响到第一子层的晶体质量。
进一步地，生长完第一子层后，将反应室内的温度和压力逐渐升高至高温高压环境，可以保证高温P型层的晶体质量。
进一步地，反应室内的温度和压力逐渐升高的时间为t2，0.1T≤t2≤0.2T。既可保证对Mg的激活效率又不影响晶体质量。
进一步地，第一子层的生长温度比第二子层的生长温度低20～50℃。若低于 20℃，则第一子层对多量子阱的破坏还是较大。若高于50℃，又会因为第一子层的温度较低而影响到整个高温P型层的晶体质量。
优选地，第一子层的生长温度比第二子层的生长温度低30～50℃，可保证高温P型层的晶体质量和减少对多量子阱的破坏。
可选地，第二子层的生长温度可以为950℃～1000℃。
进一步地，第一子层的生长压力为100～300torr。若第一子层的生长压力低于100torr，会因为生长压力太低而影响到Mg的掺杂效果。若第一子层的生长压力高于300torr，又会因为压力较高而影响In的并入效果。
优选地，第一子层的生长压力为150-300torr，可保证第一子层中In的并入效果和Mg的掺杂效果。
进一步地，生长第一子层时，反应室的转速为500～1000r/min。若转速低于 500r/min，会因为转速太低而影响到Mg的掺杂效果。若转速大于1000r/min，又起不到低转速的效果。
优选地，生长第一子层时，反应室的转速为600～1000r/min，此时Mg的掺杂效果较好。
进一步地，第二子层的生长压力为300～600torr。若第二子层的生长压力低于300torr，或高于600torr会影响到Mg的掺杂效果。
优选地，第二子层的生长压力为400～600torr。
进一步地，生长第二子层时，反应室的转速为1000～1200r/min，可保证Mg 的掺杂效果而提供较多的空穴。
进一步地，第一子层中Mg的掺杂浓度为第二子层中Mg的掺杂浓度的1.5～3 倍。若低于1.5倍，会因为第一子层中Mg的含量不够而影响到空穴数量的增加。若高于3倍，又会因为第一子层中Mg的含量较高而导致自补偿效果。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至600～900℃，在氮气气氛进行退火处理10min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
本发明实施例通过将高温P型层分为第一子层和第二子层，其中第一子层离多量子阱层较近，因此第一子层采用低温生长，可降低高温对多量子阱层的破坏。且第一子层中掺有In，可以降低第一子层中Mg的活化能，进而增加第一子层中空穴的浓度和数量。第一子层中采用低压生长可以保证In的并入效果以减少In的析出。第二子层采用高温高压生长，有利于第二子层中Mg的活化，使得第二子层能够提供较多的空穴，最终可以减少高温P型层对多量子阱的破坏，同时又可以提供足够的空穴，保证LED的发光效率。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，如图2所示，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和高温P型层7。
高温P型层7包括依次生长的第一子层71和第二子层72，第一子层71和第二子层72中均掺有Mg，且第一子层71中掺有In，第一子层71是在低温低压的环境下生长而成的，第二子层72是在高温高压的环境下生长而成的。
本发明实施例通过将高温P型层分为第一子层和第二子层，其中第一子层离多量子阱层较近，因此第一子层采用低温生长，可降低高温对多量子阱层的破坏。且第一子层中掺有In，可以降低第一子层中Mg的活化能，进而增加第一子层中空穴的浓度和数量。第一子层中采用低压生长可以保证In的并入效果以减少In的析出。第二子层采用高温高压生长，有利于第二子层中Mg的活化，使得第二子层能够提供较多的空穴，最终可以减少高温P型层对多量子阱的破坏，同时又可以提供足够的空穴，保证LED的发光效率。
需要说明的是，在本实施例中，高温P型层7还可以包括设置在第一子层 71和第二子层72之间的过渡层73，该过渡层73的生长温度和生长压力逐渐升高。
具体地，过渡层73的生长环境由第一子层71的低温低压逐渐升高至第二子层72的高温高压。
进一步地，高温P型层7的厚度可以为200～300nm，其中第一子层71的厚度可以为80～100nm，第二子层72的厚度可以为100-150nm，过渡层73的厚度可以为20～50nm。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，低温缓冲层2可以为GaN层，厚度为15～30nm。
可选地，高温缓冲层3可以为不掺杂的GaN层，厚度为2～3.5um。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为2～3um。
可选地，多量子阱层5可以包括交替生长的InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52。其中，InGaN量子阱层51的厚度为2～3nm，GaN量子垒层52的厚度为8～11nm。InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52的层数可以为11～13，InGaN 量子阱层51和GaN量子垒层52的总厚度可以为130～160nm。
进一步地，第一子层71中的In的含量为InGaN量子阱层51中In的含量的 0.05～0.1。若低于0.05，会因为第一子层71中In的含量较少而减弱In对Mg的激活作用。若大于0.1，则In的含量较高同样也会影响到第一子层71的晶体质量。
可选地，电子阻挡层6可以为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)，厚度为30～50nm。
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 (8)
1.一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；
在所述衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层和电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长高温P型层，所述高温P型层包括依次生长的第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层中均掺有Mg，且所述第一子层中掺有In，在低温低压的环境下生长所述第一子层，在高温高压的环境下，在所述第一子层上生长所述第二子层；
所述第一子层的生长温度比所述第二子层的生长温度低20～50℃，所述第二子层的生长温度为950～1000℃，所述第一子层中的Mg的掺杂浓度为所述第二子层中的Mg的掺杂浓度的1.5～3倍。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述多量子阱层中包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述第一子层中的In的含量为所述InGaN量子阱层中In的含量的0.05～0.1。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述高温P型层的生长时间为T，所述第一子层的生长时间为t1，0.25T≤t1≤0.5T。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，生长完所述第一子层后，将反应室内的温度和压力逐渐升高。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述反应室内的温度和压力逐渐升高的时间为t2，0.1T≤t2≤0.2T。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力为100～300torr，所述第二子层的生长压力为300～600torr。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，生长所述第一子层时，反应室的转速为500～1000r/min，生长所述第二子层时，反应室的转速为1000～1200r/min。
8.一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、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和高温P型层，其特征在于，
所述高温P型层包括依次生长的第一子层和第二子层，所述第一子层和所述第二子层中均掺有Mg，且所述第一子层中掺有In，所述第一子层是在低温低压的环境下生长而成的，所述第二子层是在高温高压的环境下生长而成的；
所述第一子层的生长温度比所述第二子层的生长温度低20～50℃，所述第二子层的生长温度为950～1000℃，所述第一子层中的Mg的掺杂浓度为所述第二子层中的Mg的掺杂浓度的1.5～3倍。
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