CN109346575A - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、缓冲层、非故意掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、n型电子阻挡层、应力释放层、具有新量子阱结构的发光层、p型电子阻挡层、p型氮化镓层、p型接触层。本发明创新在于设计了一种新的量子阱生长结构，通过在传统量子阱生长前后插入富铟层，减少了量子阱层铟组分的波动，在较大程度上提高了外延片的发光均匀性，进而提升了LED芯片的光效性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制备技术领域，涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
LED(发光二极管)由于具有亮度高、能耗低、使用寿命长、发光均匀性好等优点成为国家节能领域中优先扶持对象，通过将蓝光LED芯片和荧光粉组合能发出白光而广泛应用于路灯、汽车灯、家用灯等照明领域。随着近年来LED市场产能过剩局面越来越严重，LED外延生长技术要求也越来越高。正常蓝光LED外延片包括蓝宝石衬底、缓冲层、非故意掺杂层以及n 型氮化镓层、有源发光层、p型氮化镓层等，其中发光层包括多个周期的量子阱层(InxGa(1-x)N)和量子垒层(GaN)，量子阱层的生长时间、In/Ga比相同。但量子阱InxGa(1-x)N中In组分浓度受温度影响较大，在量子阱到量子垒的升温以及p型氮化镓层生长过程中会发生铟析出现象，导致量子阱中的铟组分浓度减少，其组分减少量沿外延层生长方向逐渐增加。量子阱层中In组分浓度的差异对发光波长的均匀性及光效产生了较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述LED外延生长过程中量子阱铟组分浓度发生变化、影响发光波长均匀性和光效这一技术难题，提出一种具有新量子阱结构的发光二极管外延片及其制备方法，外延结构包括：蓝宝石衬底、缓冲层、非故意掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、n型电子阻挡层、应力释放层、具有新量子阱结构的发光层、p型电子阻挡层、p型氮化镓层、p型接触层。
本发明的技术方案：
一种发光二极管外延片，以蓝宝石为衬底，其表面依次为缓冲层、非故意掺杂氮化镓层和n型氮化镓层，其中n型氮化镓层，以硅烷(SiH4)为掺杂剂；在n型氮化镓层上再依次生长n型电子阻挡层和应力释放层，其中应力释放层为数个周期的InxGa(1-x)N/GaN超晶格层，0.1≤x≤0.4；在应力释放层上继续外延生长具有新量子阱结构的发光层、p型电子阻挡层、p型氮化镓层和p型接触层，其中新量子阱结构为InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构， t1和t2为量子阱生长时间，随着阱层个数增加而增加，0.1≤x≤0.4；p型电子阻挡层采用AlxGa(1-x)N体结构生长，p型电子阻挡层、p型氮化镓层和p 型接触层均采用二茂镁(Cp2Mg)作为掺杂剂；
所述的缓冲层的厚度为10nm～50nm；
所述的非故意掺杂氮化镓层的厚度为1μm～5μm；
所述的n型氮化镓层的厚度为2μm～10μm；
所述的n型电子阻挡层的厚度为20nm～200nm；
所述的应力释放层的厚度为50nm～500nm，周期数为2～10个；
所述的新量子阱结构的发光层周期数为6～15个，每个周期包括一个量子阱层和一个量子垒层，其中量子阱层为InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构生长，0.1≤x≤0.4，t1、t2为InN层的生长时间，t1为5s～50s，t2为8～80s；量子阱层的厚度为2nm～20nm，量子垒层的厚度为4nm～40nm；
所述的p型电子阻挡层的厚度为10nm～200nm；
所述的p型氮化镓层的厚度为50nm～500nm；
所述的p型接触层的厚度为5nm～100nm；
发光二极管外延片的优选条件：
所述的缓冲层的厚度为15nm～30nm；
所述的非故意掺杂氮化镓层的厚度为1.5μm～4μm；
所述的n型氮化镓层的厚度为3μm～6μm；
所述的n型电子阻挡层的厚度为25nm～100nm；
所述的应力释放层的厚度为60nm～200nm，周期数为3～8个；
所述的新量子阱结构的发光层周期数为8～13个，量子阱层厚度为 3nm～10nm，量子垒层厚度为6nm～20nm，InN生长时间t1为6s～30s，t2为 10～50s。
所述的p型电子阻挡层的厚度为20nm～100nm；
所述的p型氮化镓层的厚度为100nm～300nm；
所述的p型接触层的厚度为10nm～60nm，所述的p型接触层为 InxGa(1-x)N/GaN超晶格结构层，周期数在4～12个。
一种发光二极管外延片的制备方法，步骤如下：
步骤1：在蓝宝石衬底上沉积一层缓冲层；
步骤2：在缓冲层上外延生长非故意掺杂氮化镓层，生长温度为 1000℃～1100℃；
步骤3：在非故意掺杂氮化镓层上生长n型氮化镓层和n型电子阻挡层， n型氮化镓层生长温度在950℃～1050℃，硅掺浓度在1*1018～1*1021/cm3；n 型电子阻挡层生长温度在950℃～1050℃；
步骤4：温度降到800℃～900℃时继续生长应力释放层；
步骤5：在步骤4得到的应力释放层上接着生长具有新量子阱结构的发光层，生长温度在760℃～810℃，生长InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构，生长时间t1与t2随着量子阱个数增加而增加，t1为5s～50s，t2为8～80s，x 在0.1～0.4之间；
步骤6：在步骤5完成后继续生长p型电子阻挡层，生长温度在 800℃～900℃；
步骤7：温度升高到1050℃～1150℃继续生长p型氮化镓层，镁掺浓度在 1*1018～1*1021/cm3；
步骤8：在步骤7生长结束后降温至700℃～780℃后，生长最后一层p 型接触层。
所述的应力释放层为数个周期的InxGa(1-x)N/GaN超晶格结构，周期数在 2～8个。
以下条件作为制备方法的优选条件：
步骤2中生长温度为1050℃～1080℃。
步骤3中生长温度为980℃～1030℃，硅掺浓度在1*1019～1*1020/cm3。
步骤5中量子阱生长温度为780℃～800℃，x在0.2～0.35之间。
所述的生长方法为化合物化学气相沉积法。
本发明的有益效果：本发明创新在于设计了一种新的量子阱生长结构，通过在传统量子阱生长前后插入富铟层，减少了量子阱层铟组分的波动，在较大程度上提高了外延片的发光均匀性，进而提升了LED芯片的光效性能。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
步骤1：在蓝宝石衬底上沉积一层氮化镓层；
步骤2：在氮化镓层上外延生长非故意掺杂氮化镓层，生长温度为 1000℃～1100℃；
步骤3：在非故意掺杂氮化镓层上生长n型氮化镓层和n型电子阻挡层， N型氮化镓层生长温度在950℃～1050℃，硅掺浓度在1*1018～1*1021/cm3；
步骤4：温度降到800℃～900℃时生长2～8个周期的InxGa(1-x)N/GaN超晶格结构应力释放层；
步骤5：在步骤4得到的外延层上接着生长具有新量子阱结构的发光层，生长温度在760℃～810℃之间，量子阱采用InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构，生长时间t1与t2随着量子阱个数增加而增加，t1为5s～30s，t2为10～50s， x在0.1～0.4之间；
步骤6：在步骤5完成后生长p型电子阻挡层，生长温度在800℃～900℃；
步骤7：温度升高到1050℃～1150℃生长p型氮化镓层，镁掺浓度在 1*1018～1*1021/cm3；
步骤8：在步骤7生长结束后降温至700℃～780℃后生长4～12个周期p 型掺杂的InxGa(1-x)N/GaN超晶格结构接触层。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述的发光二极管外延片以蓝宝石为衬底，其表面依次为缓冲层、非故意掺杂氮化镓层和n型氮化镓层，其中n型氮化镓层，以硅烷为掺杂剂；在n型氮化镓层上再依次生长n型电子阻挡层和应力释放层，其中应力释放层为数个周期的InxGa(1-x)N/GaN超晶格层，0.1≤x≤0.4；在应力释放层上继续外延生长具有新量子阱结构的发光层、p型电子阻挡层、p型氮化镓层和p型接触层，其中新量子阱结构为InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构，t1和t2为量子阱生长时间，随着阱层个数增加而增加，0.1≤x≤0.4；p型电子阻挡层采用AlxGa(1-x)N体结构生长，p型电子阻挡层、p型氮化镓层和p型接触层均采用二茂镁作为掺杂剂；
所述的缓冲层的厚度为10nm～50nm；
所述的非故意掺杂氮化镓层的厚度为1μm～5μm；
所述的n型氮化镓层的厚度为2μm～10μm；
所述的n型电子阻挡层的厚度为20nm～200nm；
所述的应力释放层的厚度为50nm～500nm，周期数为2～10个；
所述的新量子阱结构的发光层周期数为6～15个，每个周期包括一个量子阱层和一个量子垒层，其中量子阱层为InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构生长，0.1≤x≤0.4，t1、t2为InN层的生长时间，t1为5s～50s，t2为8～80s；量子阱层的厚度为2nm～20nm，量子垒层的厚度为4nm～40nm；
所述的p型电子阻挡层的厚度为10nm～200nm；
所述的p型氮化镓层的厚度为50nm～500nm；
所述的p型接触层的厚度为5nm～100nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，
所述的缓冲层的厚度为15nm～30nm；
所述的非故意掺杂氮化镓层的厚度为1.5μm～4μm；
所述的n型氮化镓层的厚度为3μm～6μm；
所述的n型电子阻挡层的厚度为25nm～100nm；
所述的应力释放层的厚度为60nm～200nm，周期数为3～8个；
所述的新量子阱结构的发光层周期数为8～13个，量子阱层厚度为3nm～10nm，量子垒层厚度为6nm～20nm，InN生长时间t1为6s～30s，t2为10～50s；
所述的p型电子阻挡层的厚度为20nm～100nm；
所述的p型氮化镓层的厚度为100nm～300nm；
所述的p型接触层的厚度为10nm～60nm，为InxGa(1-x)N/GaN超晶格结构层，周期数在4～12个。
3.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：在蓝宝石衬底上沉积一层缓冲层；
步骤2：在缓冲层上外延生长非故意掺杂氮化镓层，生长温度为1000℃～1100℃；
步骤3：在非故意掺杂氮化镓层上生长n型氮化镓层和n型电子阻挡层，n型氮化镓层生长温度在950℃～1050℃，硅掺浓度在1*1018～1*1021/cm3；n型电子阻挡层生长温度在950℃～1050℃；
步骤4：温度降到800℃～900℃时继续生长应力释放层；
步骤5：在步骤4得到的应力释放层上接着生长具有新量子阱结构的发光层，生长温度在760℃～810℃，生长InN(t1)/InxGa(1-x)N/InN(t2)三明治结构，生长时间t1与t2随着量子阱个数增加而增加，t1为5s～50s，t2为8～80s，x在0.1～0.4之间；
步骤6：在步骤5完成后继续生长p型电子阻挡层，生长温度在800℃～900℃；
步骤7：温度升高到1050℃～1150℃继续生长p型氮化镓层，镁掺浓度在1*1018～1*1021/cm3；
步骤8：在步骤7生长结束后降温至700℃～780℃后，生长最后一层p型接触层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中生长温度为1050℃～1080℃。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤3中生长温度为980℃～1030℃，硅掺浓度在1*1019～1*1020/cm3。
6.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，步骤5中新量子阱结构的发光层的生长温度为780℃～800℃，x在0.2～0.35之间。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤5中新量子阱结构的发光层的生长温度为780℃～800℃，x在0.2～0.35之间。
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