CN109346562A - 一种发光二极管外延片的制备方法及发光二极管外延片 - Google Patents
一种发光二极管外延片的制备方法及发光二极管外延片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制备方法及发光二极管外延片，属于半导体技术领域。方法包括：提供一衬底；在衬底上依次生长N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；采用激光对接触层的表面进行退火处理。本发明通过对接触层的表面进行激光退火处理，可以降低接触层表面的粗糙度，增大接触层与电极之间的接触面积，使得接触层与电极之间能够形成良好的欧姆接触。而接触层与电极之间形成良好的欧姆接触，可以降低接触层与电极的接触电阻，有利于电流从电极注入外延片内，避免电流集聚在电极周围。因此，外延片上的承受的电压较小，可以有效避免N型半导体层和P型半导体层形成的PN结被击穿，极大改善了发光二极管芯片的工作能力。
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的制备方法及发光二极管外延片。
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。氮化镓(GaN)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，使氮化镓(GaN)基LED受到越来越多的关注和研究。
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、N型半导体层、有源层和P型半导体层，N型半导体层、有源层和P型半导体层依次层叠在衬底上。P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光，衬底用于为外延材料提供生长表面。
芯片是LED的核心组件，芯片包括外延片和设置在外延片上电极。为了与电极形成良好的欧姆接触，P型半导体层上还设有接触层。接触层一般为P型或N型的高掺杂层，通过半导体表面重掺杂获得超薄势垒。超薄势垒对载流子无阻挡能力，载流子可以自由穿过势垒，形成很大的隧道电流，从而获得欧姆接触(不产生明显的附加阻挡，电流在接触层上产生的压降小于在器件本身上所产生的压降)。
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：
衬底的材料通常选择蓝宝石，N型半导体层等的材料通常选择氮化镓。蓝宝石和氮化镓为异质材料，晶格常数差异较大，两者之间存在较大的晶格失配。晶格失配产生的应力和缺陷会较多引入氮化镓中，并在外延生长过程中不断积累到接触层。加上接触层中的缺陷浓度很高，高浓度的缺陷使得接触层的表面凹凸不平，使得接触层与电极之间的接触面积较小，接触层与电极之间接触不良，无法形成良好的欧姆接触。从P型电极注入的电流集聚在P型电极周围，外延片上承受的电压较大，很容易造成N型半导体层和P型半导体层形成的PN结被击穿。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法及发光二极管外延片，能够解决现有技术接触层表面粗糙度高，无法与电极形成良好的欧姆接触的问题。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N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；
采用激光对所述接触层的表面进行退火处理。
可选地，所述激光的波长为532nm。
优选地，所述激光的能量密度为3.0J/cm2～3.5J/cm2。
可选地，所述激光的脉宽为15ns～50ns。
优选地，所述激光的频率为90KHz～130KHz。
更优选地，退火处理的时长为2min～15min。
可选地，退火处理时所述接触层所处环境的温度为20℃～28℃。
可选地，退火处理时所述接触层所处环境的压力为标准大气压。
可选地，退火处理时所述接触层处于氮气气氛中。
另一方面，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、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述N型半导体层、所述有源层、所述P型半导体层和所述接触层依次层叠在所述衬底上，所述接触层的表面为经过激光退火处理的表面。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过对接触层的表面进行激光退火处理，可以降低接触层表面的粗糙度，增大接触层与电极之间的接触面积，使得接触层与电极之间能够形成良好的欧姆接触。而接触层与电极之间形成良好的欧姆接触，可以降低接触层与电极的接触电阻，有利于电流从电极注入外延片内，避免电流集聚在电极周围。因此，外延片上的承受的电压较小，可以有效避免N型半导体层和P型半导体层形成的PN结被击穿，极大改善了发光二极管芯片的工作能力。
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制备方法的流程图；
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备方法。图1为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。参见图1，该制备方法包括：
步骤101：提供一衬底。
具体地，衬底的材料可以采用蓝宝石(主要材料为三氧化二铝)，如晶向为[0001]的蓝宝石。
具体地，该步骤101可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，在氢气气氛中对衬底进行6分钟～10分钟(优选为8分钟)的退火处理；
对衬底进行氮化处理。
采用上述步骤对衬底的表面进行清洗，避免杂质掺入外延片中，影响整体的晶体质量，降低LED的发光效率。
步骤102：在衬底上依次生长N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层。
具体地，N型半导体层的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓(GaN)。有源层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；量子阱的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，如InxGa1-xN，0＜x＜1；量子垒的材料可以采用氮化镓。P型半导体层的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。接触层的材料可以采用P型掺杂(如镁)的铟镓氮或者氮化镓。
进一步地，N型半导体层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3，优选为5*1018cm-3。量子阱的数量和量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为3个～15个(优选为9个)；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)。P型半导体层的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm；P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3，优选为5*1018cm-3。接触层的厚度可以为5nm～300nm，优选为150nm；接触层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1021/cm3～1022/cm3，优选为5*1021cm-3。
具体地，该步骤102可以包括：
第一步，控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在衬底上生长N型半导体层；
第二步，在N型半导体层上生长有源层；量子阱的生长温度为720℃～829℃(优选为770℃)，量子阱的生长压力为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度为850℃～959℃(优选为900℃)，量子垒的生长压力为100torr～500torr(优选为300torr)；
第三步，控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在有源层上生长P型半导体层；
第四步，控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长接触层。
可选地，在第一步之前，该制备方法还可以包括：
在衬底上生长缓冲层。
利用缓冲层缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，并为氮化镓材料外延生长提供成核中心。
相应地，N型半导体层生长在缓冲层上。
具体地，缓冲层的材料可以采用氮化镓(GaN)。
进一步地，缓冲层的厚度可以为15nm～35nm，优选为25nm。
具体地，在衬底上生长缓冲层，可以包括：
控制温度为400℃～600℃(优选为500℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，在衬底上生长缓冲层；
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。
优选地，在衬底上生长缓冲层之后，该制备方法还可以包括：
在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
利用进一步缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，为外延片主体结构提供晶体质量较好的生长表面。
相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
在具体实现时，缓冲层为首先在图形化衬底上低温生长的一层较薄的氮化镓，因此也称为低温缓冲层。再在低温缓冲层进行氮化镓的纵向生长，会形成多个相互独立的三维岛状结构，称为三维成核层；然后在所有三维岛状结构上和各个三维岛状结构之间进行氮化镓的横向生长，形成二维平面结构，称为二维恢复层；最后在二维生长层上高温生长一层较厚的氮化镓，称为本征氮化镓层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和本征氮化镓层统称为未掺杂氮化镓层。
进一步地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。
具体地，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，可以包括：
控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
可选地，在第二步之前，该制备方法还可以包括：
在N型半导体层上生长应力释放层。
利用应力释放层对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力进行释放，提高有源层的晶体质量，有利于电子和空穴在有源层进行辐射复合发光，提高LED的内量子效率，进而提高LED的发光效率。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
具体地，应力释放层的材料可以采用镓铟铝氮(AlInGaN)，可以有效释放蓝宝石和氮化镓晶格失配产生的应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。
优选地，应力释放层中铝组分的摩尔含量可以小于或等于0.2，应力释放层中铟组分的摩尔含量可以小于或等于0.05，以避免造成不良影响。
进一步地，应力释放层的厚度可以为50nm～500nm，优选为250nm。
具体地，在N型半导体层上生长应力释放层，可以包括：
控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上生长应力释放层。
可选地，在第三步之前，该制备方法还可以包括：
在有源层上生长电子阻挡层。
利用电子阻挡层避免电子跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，降低LED的发光效率。
具体地，电子阻挡层的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。
进一步地，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm，优选为100nm。
具体地，在有源层上生长电子阻挡层，可以包括：
控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上生长电子阻挡层。
优选地，在有源层上生长电子阻挡层之前，该制备方法还可以包括：
在有源层上生长低温P型层。
利用低温P型层避免电子阻挡层较高的生长温度造成有源层中的铟原子析出，影响发光二极管的发光效率。
相应地，电子阻挡层生长在低温P型层上。
具体地，低温P型层的材料可以为与P型半导体层的材料相同。在本实施例中，低温P型层的材料可以为P型掺杂的氮化镓。
进一步地，低温P型层的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
具体地，在有源层上生长低温P型层，可以包括：
控制温度为600℃～850℃(优选为750℃)，压力为100torr～600torr(优选为300torr)，在有源层上生长低温P型层。
步骤103：采用激光对接触层的表面进行退火处理。
本发明实施例通过对接触层的表面进行激光退火处理，可以降低接触层表面的粗糙度，增大接触层与电极之间的接触面积，使得接触层与电极之间能够形成良好的欧姆接触。而接触层与电极之间形成良好的欧姆接触，可以降低接触层与电极的接触电阻，有利于电流从电极注入外延片内，避免电流集聚在电极周围。因此，外延片上的承受的电压较小，可以有效避免N型半导体层和P型半导体层形成的PN结被击穿，极大改善了发光二极管芯片的工作能力。
可选地，激光的波长可以为532nm。
通过将激光的波长限定为532nm，可以采用常规激光器产生所需的激光，实现成本较低。
优选地，激光的能量密度可以为3.0J/cm2～3.5J/cm2，优选为3.2J/cm2。
如果激光的能量密度小于3.0J/cm2，则可能由于激光的能量密度较小而造成激光退火处理的效果不明显，无法有效降低接触层表面的粗糙度；如果激光的能量密度大于3.5J/cm2，则可能由于激光的能量密度较大而影响到接触层内杂质的分布，对接触层的内部结构造成损伤。
更优选地，激光束的直径可以为5μm～50μm，以实现激光的能量密度为3.0J/cm2～3.5J/cm2。
可选地，激光的脉宽可以为15ns～50ns。
如果激光的脉宽小于15ns，则可能由于激光的脉宽较小而造成激光退火处理的效果不明显，无法有效降低接触层表面的粗糙度；如果激光的脉宽大于50ns，则可能由于激光的脉宽较大而造成退火不均匀，处理效果不理想。
优选地，激光的频率可以为90KHz～130KHz。
如果激光的频率小于90KHz，则可能由于激光的频率较低而造成激光退火处理的效果不明显，无法有效降低接触层表面的粗糙度；如果激光的频率大于130KHz，则可能由于激光的频率较高而造成退火不均匀，处理效果不理想。
更优选地，退火处理的时长可以为2min～15min。
如果退火处理的时长小于2min，则可能由于退火处理的时间较短而造成激光退火处理的效果不明显，无法有效降低接触层表面的粗糙度；如果退火处理的时长大于15min，则可能由于退火处理的时间较长而影响到接触层内杂质的分布，对接触层的内部结构造成损伤。
可选地，退火处理时接触层所处环境的温度可以为20℃～28℃，常温下即可实现，实现成本较低。
可选地，退火处理时接触层所处环境的压力可以为标准大气压，常压下即可实现，实现成本较低。
可选地，退火处理时接触层可以处于氮气气氛中，实现成本较低，而且实现效果较好。
需要说明的是，在上述步骤之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温，结束外延工艺生长。
控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应腔中的温度、压力，如型号为VeecoK465i C4的金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称：MOCVD)设备中的温度、压力。实现时以高纯氢气、或者高纯氮气、或者氢气和氮气的混合气体作为载气，高纯氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，硅烷作为N型掺杂剂，二茂镁作为P型掺杂剂。
图1所示的制备方法的一种具体实现方式可以包括：
步骤201：控制温度为1100℃，压力为300torr，在衬底上生长厚度为3μm的N型半导体层，N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤202：控制压力为300torr，在N型半导体层上生长有源层，有源层包括交替生长的10个量子阱和10个量子垒；量子阱的厚度为3nm，量子阱的生长温度为770℃；量子垒的厚度为15nm，量子垒的生长温度为900℃。
步骤203：控制温度为960℃，压力为200torr，在有源层上生长厚度为450nm的P型半导体层，P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤204：控制温度为950℃，压力为200torr，在P型半导体层上生长厚度为150nm的接触层。
步骤205：采用激光对接触层的表面进行退火处理，激光的波长可以为532nm，激光的能量密度可以为3.0J/cm2。
将得到的外延片制成芯片，与没有进行激光退火处理相比，芯片的光效提高了2％～3％。
图1所示的制备方法的另一种具体实现方式可以包括：
步骤301：控制温度为1100℃，压力为300torr，在衬底上生长厚度为3μm的N型半导体层，N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤302：控制压力为300torr，在N型半导体层上生长有源层，有源层包括交替生长的10个量子阱和10个量子垒；量子阱的厚度为3nm，量子阱的生长温度为770℃；量子垒的厚度为15nm，量子垒的生长温度为900℃。
步骤303：控制温度为960℃，压力为200torr，在有源层上生长厚度为450nm的P型半导体层，P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤304：控制温度为950℃，压力为200torr，在P型半导体层上生长厚度为150nm的接触层。
步骤305：采用激光对接触层的表面进行退火处理，激光的波长可以为532nm，激光的能量密度可以为3.2J/cm2。
将得到的外延片制成芯片，与没有进行激光退火处理相比，芯片的光效提高了3％～5％。
图1所示的制备方法的又一种具体实现方式可以包括：
步骤401：控制温度为1100℃，压力为300torr，在衬底上生长厚度为3μm的N型半导体层，N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤402：控制压力为300torr，在N型半导体层上生长有源层，有源层包括交替生长的10个量子阱和10个量子垒；量子阱的厚度为3nm，量子阱的生长温度为770℃；量子垒的厚度为15nm，量子垒的生长温度为900℃。
步骤403：控制温度为960℃，压力为200torr，在有源层上生长厚度为450nm的P型半导体层，P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤404：控制温度为950℃，压力为200torr，在P型半导体层上生长厚度为150nm的接触层。
步骤405：采用激光对接触层的表面进行退火处理，激光的波长可以为532nm，激光的能量密度可以为3.3J/cm2。
将得到的外延片制成芯片，与没有进行激光退火处理相比，芯片的光效提高了2％～3％。
图1所示的制备方法的又一种具体实现方式可以包括：
步骤501：控制温度为1100℃，压力为300torr，在衬底上生长厚度为3μm的N型半导体层，N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤502：控制压力为300torr，在N型半导体层上生长有源层，有源层包括交替生长的10个量子阱和10个量子垒；量子阱的厚度为3nm，量子阱的生长温度为770℃；量子垒的厚度为15nm，量子垒的生长温度为900℃。
步骤503：控制温度为960℃，压力为200torr，在有源层上生长厚度为450nm的P型半导体层，P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度为5*1018cm-3。
步骤504：控制温度为950℃，压力为200torr，在P型半导体层上生长厚度为150nm的接触层。
步骤505：采用激光对接触层的表面进行退火处理，激光的波长可以为532nm，激光的能量密度可以为3.5J/cm2。
将得到的外延片制成芯片，与没有进行激光退火处理相比，芯片的光效提高了1％～2％。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，适用于采用图1所示的制备方法制备而成。图2为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，参见图2，该发光二极管外延片该发光二极管外延片包括衬底10、N型半导体层20、有源层30、P型半导体层40和接触层50，N型半导体层20、有源层30、P型半导体层40和接触层50依次层叠在衬底10上。
在本实施例中，接触层50的表面为经过激光退火处理的表面。
可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括缓冲层61，缓冲层61设置在衬底10和N型半导体层20之间。
优选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层62，未掺杂氮化镓层62设置在缓冲层61和N型半导体层20之间。
可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括应力释放层70，应力释放层70设置在N型半导体层20和有源层30之间。
可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层81，电子阻挡层81设置在有源层30和P型半导体层40之间。
优选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括低温P型层82，低温P型层82设置在有源层30和电子阻挡层81之间。
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N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；
采用激光对所述接触层的表面进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述激光的波长为532nm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述激光的能量密度为3.0J/cm2～3.5J/cm2。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述激光的脉宽为15ns～50ns。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述激光的频率为90KHz～130KHz。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，退火处理的时长为2min～15min。
7.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，退火处理时所述接触层所处环境的温度为20℃～28℃。
8.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，退火处理时所述接触层所处环境的压力为标准大气压。
9.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，退火处理时所述接触层处于氮气气氛中。
10.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述N型半导体层、所述有源层、所述P型半导体层和所述接触层依次层叠在所述衬底上，其特征在于，所述接触层的表面为经过激光退火处理的表面。
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