CN109713097A - 一种led外延结构及其制备方法、led芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，LED外延结构包括：第一子外延结构，位于一衬底上；第二子外延结构，位于所述第一子外延结构上；阻挡层，位于所述第一子外延结构和第二子外延结构之间，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数。本发明通过在第一子外延结构与第二子外延结构之间形成一阻挡层，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数，以提高晶格的质量，使得衬底无需采用图像衬底(PSS)技术来处理，降低了生产成本，同时所述阻挡层还降低LED外延结构形成时所产生的残余的应力，以及外延结构的位错密度，从而提高LED器件的光电特性。

Description

一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体固态发光器件，其利用半导体P-N结作为发光材料，可以直接将电能转换为光能。在各种半导体材料中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有散热好，能够承载大电流，发光强度高，耗电量小，寿命长等优点，使得发光二极管特别是高亮度的蓝光发光二极管和白光二极管在通用照明、景观照明、显示器背光照明、汽车照明中被广泛应用。

如图1所示，以蓝光LED为例，蓝光LED外延结构依次包括蓝宝石衬底10、成核层20、非掺杂GaN层30、N型GaN层40、多量子阱层60、电子阻挡层70和P型GaN层80。而，这种传统结构的GaN材料与蓝宝石衬底间存在较大的晶格失配和热失配，所形成外延结构具有较高的位错密度和残余应力，很大程度上影响了LED器件的光电特性。为了解决上述问题，一方面，本领域通常采用图像衬底(PSS)技术(即，图形化技术)来处理蓝宝石衬底10，以降低外延结构的位错密度，同时缓解外延结构形成时所产生的残余应力；另一方面，在N型GaN层40和多量子阱层60之间形成了一应力调节层50，以缓解多量子阱层60和N型GaN层40之间的应力。但是，由于LED成本的居高不下，以及市场价格的逐渐降低，从而造成竞争力降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED外延结构及其制备方法，以降低LED外延结构的生产成本。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种LED外延结构，包括：

第一子外延结构，位于一衬底上；

第二子外延结构，位于所述第一子外延结构上；

阻挡层，位于所述第一子外延结构和第二子外延结构之间，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数。

可选的，所述阻挡层的厚度范围在10nm～500nm之间，所述SiN层的厚度与所述GaN层的厚度比的范围在1:100～100:1之间。

可选的，所述第一子外延结构包括依次形成于所述衬底上的成核层和非掺杂层。

可选的，所述第二子外延结构包括依次形成于所述阻挡层上的N型掺杂层、应力调节层、多量子阱结构层、电子阻挡层和P型掺杂层，其中，所述应力调节层包括M个周期性交叠的In_yAl_xGa_1-x-yN层和Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，0≤x≤1；0≤y≤1；x+y≤1；M≥1，且为整数。

可选的，所述衬底包括蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、AlGaN衬底、Si衬底或SiC衬底中的一种衬底或几种衬底的复合衬底。

另一方面，本发明还提供了一种LED芯片，包括：

衬底；以及

如上述所述的LED外延结构。

再一方面，本发明还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底，所述衬底上形成有第一子外延结构；

在所述第一子外延结构上形成阻挡层，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数；以及

在所述阻挡层上形成第二子外延结构。

可选的，所述阻挡层通过金属有机化学气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法形成。进一步的，所述阻挡层的生长温度的范围在850℃～1100℃之间，所述阻挡层的压力环境的范围在50torr～600torr之间。更进一步的，所述SiN层的厚度与所述GaN层的厚度比的范围在1:100～100:1之间。

与现有技术相比，本发明提供的一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，所述LED外延结构通过在第一子外延结构与第二子外延结构之间形成一阻挡层，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数，以提高晶格的质量，使得衬底无需采用图像衬底(PSS)技术来处理，降低了生产成本，同时所述阻挡层还降低LED外延结构形成时所产生的残余的应力，以及外延结构的位错密度，从而提高LED器件的光电特性。

附图说明

图1为一种外延结构的剖面结构示意图；

图2为本发明一实施例的LED外延结构的剖面结构示意图；

图3为本发明一实施例的LED外延结构的制备方法的流程示意图；

图4a为本发明一实施例所提供的衬底的剖面结构示意图；

图4b为本发明一实施例的形成阻挡层后的剖面结构示意图。

附图标记说明：

图1中：

10-衬底；20-成核层；30-非掺杂GaN层；40-N型GaN层；50-应力调节层；

60-多量子阱层；70-电子阻挡层；80-P型GaN层；

图2-4b中：

100-衬底；

200-第一子外延结构；210-成核层；220-非掺杂层；

300-阻挡层；310-SiN层；320-GaN层；

400-第二子外延结构；410-N型掺杂层；420-应力调节层；430-多量子阱结构层；440-电子阻挡层；450-P型掺杂层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2为本实施例的LED外延结构的剖面结构示意图。如图2所示，本实施例提供了一种LED外延结构，该外延结构可以是白光LED的外延结构、蓝光LED的外延结构、绿光LED的外延结构或紫外光LED的外延结构。

所述LED外延结构包括第一子外延结构200，所述第一子外延结构200位于一衬底100上。所述衬底例如是蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、AlGaN衬底、Si衬底或SiC衬底中的一种衬底或几种衬底的复合衬底。所述第一子外延结构200包括依次形成于所述衬底100上的成核层210和非掺杂层220，所述成核层210的材料包括GaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或几种组合，所述非掺杂层220的材料包括GaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或几种组合。

所述LED外延结构还包括第二子外延结构400，所述第二子外延结构400位于所述第一子外延结构200上。所述第二子外延结构400包括依次形成于所述第一子外延结构200上的N型掺杂层410、应力调节层420、多量子阱结构层430、电子阻挡层440和P型掺杂层450。所述N型掺杂层410例如是掺杂有Si离子的GaN、AlGaN和AlInGaN中的一种或几种组合。所述应力调节层420包括M个周期层叠的第一势阱层和第一势垒层(图中未示出)，M≥1，且为整数。所述第一势阱层为In_yAl_xGa_1-x-yN，第一势垒层为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1，以通过第一势阱层中含In的组分和/或第一势垒层中含Al的组分变化来缓解多量子阱结构层430、电子阻挡层440和P型掺杂层450形成时所产生的应力。所述多量子阱结构层430包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层(图中未示出)，所述多量子阱结构层430可以由1～40组周期性的第二势阱层和第二势垒层组成，所述第二势阱层和所述第二势垒层均为In_bAl_aGa_1-a-bN，其中，0≤a≤1；0≤b≤1；a+b≤1。所述第二势垒层的厚度大于所述第二势阱层的厚度，例如所述第二势垒层的厚度范围在4nm～7nm之间，所述第二势阱层的厚度范围在2nm～4nm之间。所述电子阻挡层440例如是P型电子阻挡层，用于阻挡量子阱内的电子进入P型掺杂层450，以增大电子在量子阱区与空穴的复合效率，即可以提高量子阱的内量子效率。所述电子阻挡层440为P型AlGaN、P型InAlGaN和P型AlGaN/GaN中的至少一种，所述电子阻挡层440可以为超晶格结构，所述电子阻挡层440的厚度为10nm～70nm，Mg掺杂浓度为1e17cm^-3～1.5e20cm^-3。所述P型掺杂层450例如是掺杂有P型离子(例如是Mg离子)GaN、AlGaN和AlInGaN中的一种或几种组合，所述P型掺杂层450的厚度为10nm～100nm，所述P型掺杂层450的Mg掺杂浓度为1e17cm^-3～1.5e21cm^-3。

所述LED外延结构还包括阻挡层300，所述阻挡层300位于所述第一子外延结构200和第二子外延结构400之间，所述阻挡层300包括N个周期性交叠的SiN层310和GaN层320，其中，N≥1，且N为整数。所述SiN层310和GaN层320能够减少由于衬底100与N型掺杂层410之间的晶格常数差导致的晶格失配度，能够增强所述第二子外延结构400的晶体性能，所述SiN层310和GaN层320还能够改善大电流下的电子泄露，以及缓解第二子外延结构400形成时所产生的应力，从而提高了LED的光电特性。其中，所述SiN层310位于所述第一子外延结构200上，且所述SiN层310与第一子外延结构200相互接触；或者，所述GaN层320位于所述第一子外延结构200上，且所述GaN层320与第一子外延结构200相互接触。所述阻挡层300的厚度范围在10nm～500nm之间，所述SiN层310的厚度与所述GaN层320的厚度比的范围包括1:100～100:1，所述SiN层310的厚度范围在0.5nm～20nm之间，所述GaN层320的厚度范围在50nm～500nm之间。

如图2所示，本实施例还提供了一种LED芯片，包括衬底和上述的LED外延结构。其中，所述衬底例如是蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、AlGaN衬底、Si衬底或SiC衬底中的一种衬底或几种衬底的复合衬底。本实施例的衬底100为蓝宝石衬底。所述衬底100无需采用图像衬底(PSS)技术的处理，其降低了LED外延结构的生产成本。

图3为本实施例的LED外延结构的制备方法的流程示意图。如图3所示，本实施例还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一衬底，所述衬底上形成有第一子外延结构；

步骤S2：在所述第一子外延结构上形成阻挡层，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数；以及

步骤S3：在所述阻挡层上形成第二子外延结构。

下面结合图2～4b对本发明实施例的一种LED外延结构的制备方法进行详细说明。

图4a为本实施例所提供的衬底的剖面结构示意图。如图4a所示，首先执行步骤S1，提供一衬底100，所述衬底100上形成有第一子外延结构200。所述第一子外延结构200包括依次形成于所述衬底100上的成核层210和非掺杂层220。

图4b为本实施例形成阻挡层后的剖面结构示意图。如图4b所示，接着执行步骤S2，在所述第一子外延结构200上形成阻挡层300，所述阻挡层300包括N个周期性交叠的SiN层310和GaN层320，其中，N≥1，且N为整数。

在本步骤中，所述阻挡层300例如是通过金属有机化学气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法形成。在本实施例中，所述阻挡层300通过金属有机化学气相沉积方法生长而成。所述阻挡层300的生长温度的范围在850℃～1100℃之间，所述阻挡层300的压力环境的范围在50torr～600torr(托)之间。其中，所述SiN层310例如是通入NH3(氨气)和SiH4(甲硅烷)，所述GaN层320例如是通入NH3(氨气)和TMGa(三甲基镓)。所述SiN层310和GaN层320中任一个均可以位于所述第一子外延结构200上，换言之，在所述第一子外延结构200上依次形成SiN层310和GaN层320的N个周期性交叠结构，或者，在所述第一子外延结构200上依次形成GaN层32和SiN层310的N个周期性交叠结构。

如图2所示，接着执行步骤S3，在所述阻挡层300上形成第二子外延结构400。所述第二子外延结构400包括依次形成于所述阻挡层300上的N型掺杂层410、应力调节层420、多量子阱结构层430、电子阻挡层440和P型掺杂层450。

综上所述，本发明提供了一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，所述LED外延结构通过在第一子外延结构与第二子外延结构之间形成一阻挡层，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数，以提高晶格的质量，使得衬底无需采用图像衬底(PSS)技术来处理，降低了生产成本，同时所述阻挡层还降低LED外延结构形成时所产生的残余的应力，以及外延结构的位错密度，从而提高LED的光电特性。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种LED外延结构，其特征在于，包括：

第一子外延结构，位于一衬底上；

第二子外延结构，位于所述第一子外延结构上；

阻挡层，位于所述第一子外延结构和第二子外延结构之间，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数。

2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述阻挡层的厚度范围在10nm～500nm之间，所述SiN层的厚度与所述GaN层的厚度比的范围在1:100～100:1之间。

3.如权利要求1-2中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一子外延结构包括依次形成于所述衬底上的成核层和非掺杂层。

4.如权利要求1-2中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二子外延结构包括依次形成于所述阻挡层上的N型掺杂层、应力调节层、多量子阱结构层、电子阻挡层和P型掺杂层，其中，所述应力调节层包括M个周期性交叠的In_yAl_xGa_1-x-yN层和Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，0≤x≤1；0≤y≤1；x+y≤1；M≥1，且为整数。

5.如权利要求1-2中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，所述衬底包括蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、AlGaN衬底、Si衬底或SiC衬底中的一种衬底或几种衬底的复合衬底。

6.一种LED芯片，其特征在于，包括：

衬底；以及

如权利要求1～5中任一项所述的LED外延结构。

7.一种LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一衬底，所述衬底上形成有第一子外延结构；

在所述第一子外延结构上形成阻挡层，所述阻挡层包括N个周期性交叠的SiN层和GaN层，其中，N≥1，且N为整数；以及

在所述阻挡层上形成第二子外延结构。

8.如权利要求7中任一项所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述阻挡层通过金属有机化学气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法形成。

9.如权利要求8中任一项所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述阻挡层的生长温度的范围在850℃～1100℃之间，所述阻挡层的压力环境的范围在50torr～600torr之间。

10.如权利要求9中任一项所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述SiN层的厚度与所述GaN层的厚度比的范围在1:100～100:1之间。