CN109860360A - 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述有源层包括多个阱层和多个垒层，所述多个阱层和所述多个垒层交替层叠设置；所述有源层还包括多个GeN层，每个所述阱层和所述阱层相邻的垒层之间插入有一个所述GeN层。本发明通过在每个阱层和阱层相邻的垒层之间插入一个GeN层，可以改善载流子在有源层中的平面扩展能力，提高LED发光的均匀性和一致性。

Description

一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法。

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。衬底用于为外延材料提供生长表面，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光。

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、有源层和P型半导体层的材料通常选择氮化镓基材料。由于衬底材料和氮化镓基材料为异质材料，晶格常数差异较大，因此衬底和N型半导体层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基材料中，并在外延生长过程中不断积累，导致有源层中累积较多的应力和缺陷。由于载流子的传输会受到缺陷的影响，因此有源层中较多的缺陷会造成载流子在有源层中的平面扩展能力较差，载流子的分布不均匀，影响LED发光的均匀性和一致性。

发明内容

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法，能够解决现有技术有源层中较多的缺陷会造成载流子在有源层中的平面扩展能力较差，影响LED发光的均匀性和一致性的问题。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述有源层包括多个阱层和多个垒层，所述多个阱层和所述多个垒层交替层叠设置；所述有源层还包括多个GeN层，每个所述阱层和所述阱层相邻的垒层之间插入有一个所述GeN层。

可选地，所述GeN层的厚度小于所述阱层的厚度。

优选地，所述GeN层的厚度为所述阱层的厚度的1/6～1/3。

更优选地，所述GeN层的厚度为0.5nm～1nm。

另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基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、有源层和P型半导体层；

其中，所述有源层包括多个阱层、多个垒层和多个GeN层，所述多个阱层和所述多个垒层交替层叠设置，每个所述阱层和所述阱层相邻的垒层之间插入有一个所述GeN层。

可选地，所述GeN层的生长温度小于所述阱层的生长温度，且所述GeN层的生长温度大于所述垒层的生长温度。

优选地，所述GeN层的生长温度与所述阱层的生长温度之间的差值，小于所述垒层的生长温度与所述GeN层的生长温度之间的差值。

更优选地，所述GeN层的生长温度与所述阱层的生长温度之间的差值，为所述垒层的生长温度与所述GeN层的生长温度之间的差值的1/10～1/2。

进一步地，所述GeN层的生长温度与所述阱层的生长温度之间的差值为5℃～50℃，所述垒层的生长温度与所述GeN层的生长温度之间的差值为80℃～125℃。

可选地，所述GeN层的生长压力、所述阱层的生长压力、所述垒层的生长压力相等。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在每个阱层和阱层相邻的垒层之间插入一个GeN层，GeN与GaN的晶格不同但晶格匹配度较好，可以降低有源层中的应力和缺陷，改善载流子在有源层中的平面扩展能力，提高LED发光的均匀性和一致性。而且GeN可以提供自由移动的电子，可以有效促进载流子中的电子在有源层中的平面扩展。由于电子的迁移能力比空穴强，有源层中的缺陷影响的主要是载流子中电子的平面扩展能力，因此通过在每个阱层和阱层相邻的垒层之间插入一个GeN层，促进载流子中的电子在有源层中的平面扩展，可以大大改善LED发光的均匀性和一致性。

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氮化镓基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3是本发明实施例提供的一种氮化镓基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氮化镓基发光二极管外延片。图1为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图。参见图1，该氮化镓基发光二极管外延片包括衬底10、N型半导体层20、有源层30和P型半导体层40，N型半导体层20、有源层30和P型半导体层40依次层叠在衬底10上。

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30包括多个阱层31、多个垒层32和多个GeN层33，多个阱层31和多个垒层32交替层叠设置，每个阱层31和阱层31相邻的垒层32之间插入有一个GeN层33。

本发明实施例通过在每个阱层和阱层相邻的垒层之间插入一个GeN层，GeN与GaN的晶格不同但晶格匹配度较好，可以降低有源层中的应力和缺陷，改善载流子在有源层中的平面扩展能力，提高LED发光的均匀性和一致性。而且GeN可以提供自由移动的电子，可以有效促进载流子中的电子在有源层中的平面扩展。由于电子的迁移能力比空穴强，有源层中的缺陷影响的主要是载流子中电子的平面扩展能力，因此通过在每个阱层和阱层相邻的垒层之间插入一个GeN层，促进载流子中的电子在有源层中的平面扩展，可以大大改善LED发光的均匀性和一致性。

具体地，阱层31的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，如In_xGa_1-xN，0＜x＜1；垒层32的材料可以采用未掺杂的氮化镓。

可选地，GeN层33的厚度可以小于阱层31的厚度，避免GeN层太厚造成电子与空穴在GeN层中进行非辐射复合。

优选地，GeN层33的厚度可以为阱层31的厚度的1/6～1/3，如1/5，实现效果好。

更优选地，GeN层33的厚度可以为0.5nm～1nm，如0.8nm，有利于实际生产。

具体地，阱层31的厚度可以为3nm～4nm，优选为3.5nm；垒层32的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm；阱层31的数量与垒层32的数量相同，垒层32的数量可以为5个～11个，优选为8个。

可选地，形成GeN时，Ge源的通入速率可以为500sccm～900sccm(如700sccm)，通入时间可以为2min～5min(如3.5min)；N源的通入速率可以为40L/min～70L/min(如55L/min)，通入时间可以为2min～5min(如3.5min)。控制GeN中Ge组分的含量和厚度，进而控制GeN层提供的电子数量，避免电子与空穴在GeN层中进行非辐射复合。

具体地，衬底10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。N型半导体层20的材料可以采用N型掺杂(如Si)的氮化镓。P型半导体层40的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。

进一步地，N型半导体层20的厚度可以为1μm～3μm，优选为2μm；N型半导体层20中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，优选为10¹⁹/cm³。P型半导体层40的厚度可以为100nm～500nm，如300nm；P型半导体层40中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，如10¹⁹/cm³。

可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括缓冲层51，缓冲层51设置在衬底10和N型半导体层20之间，以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。

具体地，缓冲层51的材料可以采用氮化镓。

进一步地，缓冲层51的厚度可以为15nm～35nm，优选为25nm。

优选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层52，未掺杂氮化镓层52设置在缓冲层51和N型半导体层20之间，以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。

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52的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。

可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层61，电子阻挡层61设置在有源层30和P型半导体层40之间，以避免电子跃迁到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61的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓，如Al_yGa_1-yN，0.1＜y＜0.5。

进一步地，电子阻挡层61的厚度可以为50nm～150nm，优选为100nm。

优选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括低温P型层62，低温P型层62设置在有源层30和电子阻挡层61之间，以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。

具体地，低温P型层62的材料可以为与P型半导体层40的材料相同。在本实施例中，低温P型层62的材料可以为P型掺杂的氮化镓。

进一步地，低温P型层62的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温P型层62中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，优选为10¹⁹/cm³。

可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括接触层70，接触层70设置在P型半导体层40上，以与芯片制作工艺中形成的电极或者透明导电薄膜之间形成欧姆接触。

具体地，接触层70的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓或者氮化镓。

进一步地，接触层70的厚度可以为5nm～300nm，优选为100nm；接触层70中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为10²¹/cm³～10²²/cm³，优选为5*10²¹/cm³。

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，适用于制备图1所示的氮化镓基发光二极管外延片。图3为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法的流程图。参见图3，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N型半导体层、有源层和P型半导体层。

其中，有源层包括多个阱层、多个垒层和多个GeN层，多个阱层和多个垒层交替层叠设置，每个阱层和阱层相邻的垒层之间插入有一个GeN层。

可选地，GeN层的生长温度可以小于阱层的生长温度，且GeN层的生长温度可以大于垒层的生长温度。GeN层的生长温度在阱层的生长温度和垒层的生长温度之间，有利于避免垒层的高温生长造成阱层中的铟解析，对阱层起到保护作用。

优选地，GeN层的生长温度与阱层的生长温度之间的差值，可以小于垒层的生长温度与GeN层的生长温度之间的差值。GeN层的生长温度更接近阱层的生长温度，对阱层的保护效果较好。

更优选地，GeN层的生长温度与阱层的生长温度之间的差值，可以为垒层的生长温度与GeN层的生长温度之间的差值的1/10～1/2，如1/4，实现效果好。

进一步地，GeN层的生长温度与阱层的生长温度之间的差值可以为5℃～50℃，如25℃；垒层的生长温度与GeN层的生长温度之间的差值可以为80℃～125℃，如100℃，有利于实际生产。

具体地，阱层的生长温度可以为720℃～829℃，优选为760℃；垒层的生长温度可以为850℃～959℃，优选为900℃；GeN层的生长温度可以为750℃～850℃，优选为800℃。

可选地，GeN层的生长压力、阱层的生长压力、垒层的生长压力可以相等。GeN层形成时采用的载气、阱层形成时采用的载气、垒层形成时采用的载气也可以相同。生长压力和采用的载气相同，可以方便实现。

具体地，有源层的生长压力可以为100torr～500torr，优选为300torr。

具体地，该步骤202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；

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。

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。

相应地，N型半导体层生长在缓冲层上。

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)，对缓冲层进行5分钟～10分钟(优选为8分钟)的原位退火处理。

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。

相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。

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。

相应地，有源层生长在应力释放层上。

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。

相应地，P型半导体层生长在电子阻挡层上。

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。

相应地，电子阻挡层生长在低温P型层上。

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。

可选地，在第三步之后，该制备方法还可以包括：

在P型半导体层上生长接触层。

具体地，在P型半导体层上生长接触层，可以包括：

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。

需要说明的是，在上述外延生长结束之后，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。

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，具体为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备的反应腔。实现时以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氨气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，硅源选用硅烷，锗源选用四甲基锗，镁源选用二茂镁。

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 (10)

1.一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述有源层包括多个阱层和多个垒层，所述多个阱层和所述多个垒层交替层叠设置；其特征在于，所述有源层还包括多个GeN层，每个所述阱层和所述阱层相邻的垒层之间插入有一个所述GeN层。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述GeN层的厚度小于所述阱层的厚度。

3.根据权利要求2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述GeN层的厚度为所述阱层的厚度的1/6～1/3。

4.根据权利要求3所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述GeN层的厚度为0.5nm～1nm。

5.一种氮化镓基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、有源层和P型半导体层；

其中，所述有源层包括多个阱层、多个垒层和多个GeN层，所述多个阱层和所述多个垒层交替层叠设置，每个所述阱层和所述阱层相邻的垒层之间插入有一个所述GeN层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述GeN层的生长温度小于所述阱层的生长温度，且所述GeN层的生长温度大于所述垒层的生长温度。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述GeN层的生长温度与所述阱层的生长温度之间的差值，小于所述垒层的生长温度与所述GeN层的生长温度之间的差值。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述GeN层的生长温度与所述阱层的生长温度之间的差值，为所述垒层的生长温度与所述GeN层的生长温度之间的差值的1/10～1/2。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述GeN层的生长温度与所述阱层的生长温度之间的差值为5℃～50℃，所述垒层的生长温度与所述GeN层的生长温度之间的差值为80℃～125℃。

10.根据权利要求5～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述GeN层的生长压力、所述阱层的生长压力、所述垒层的生长压力相等。