CN109920884A - 发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的生长方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述缓冲层、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，所述接触层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，所述第二子层的材料采用不掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。本发明可提高LED整体的发光效率。

Description

发光二极管外延片及其生长方法

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生长方法。

背景技术

发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED正在被迅速广泛地应用在交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等领域。LED的核心组件是芯片，提高芯片的发光效率是LED应用过程中不断追求的目标。

芯片包括外延片和设置在外延片上的电极。现有的LED外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层依次层叠在衬底上。衬底用于提供外延生长的表面，缓冲层用于提供外延生长的成核中心，N型半导体层用于提供复合发光的电子，P型半导体层用于提供复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的复合发光。

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：

为了与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触，通常会在P型半导体层上设置接触层。接触层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓，并且接触层中镁和铟的掺杂浓度均较高。镁的掺杂浓度很高，加上铟作为镁的激活剂，使得接触层中可产生较多的空穴，有利于电流注入，提高LED发光效率。但是铟的掺杂浓度较高同时也会吸收有源层发出的光，导致LED的发光效率降低。

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生长方法，能够解决现有技术LED的发光效率还有待提高的问题。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，所述发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述缓冲层、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，所述接触层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，所述第二子层的材料采用不掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。

可选地，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度，所述第二子层的厚度大于所述第三子层的厚度。

进一步地，所述第一子层的厚度与所述第二子层的厚度之间的差值等于所述第二子层的厚度与所述第三子层的厚度之间的差值。

进一步地，所述第三子层中镁的掺杂浓度为所述第一子层中镁的掺杂浓度的1.5倍～5倍。

可选地，所述第一子层中镁的掺杂浓度沿所述接触层的层叠方向逐渐减小，所述第三子层中镁的掺杂浓度沿所述接触层的层叠方向逐渐减小。

进一步地，相邻两个所述第一子层中镁的掺杂浓度的减小比例等于相邻两个所述第三子层中镁的掺杂浓度的减小比例。

进一步地，所述第三子层中铟的掺杂浓度沿所述接触层的层叠方向逐渐增大。

更进一步地，所述第三子层中铟的掺杂浓度的增大比例与所述第三子层中镁的掺杂浓度的减小比例成反比。

更进一步地，所述复合结构的厚度沿所述接触层的层叠方向逐渐减小。

另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；

其中，所述接触层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，所述第二子层的材料采用不掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用多个由第一子层、第二子层和第三子层组成的复合结构形成接触层，接触层为超晶格结构，可以释放内部晶格失配产生的应力，有利于提高外延片整体的晶体质量。第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，一方面与P型半导体层之间的晶格匹配较好，另一方面可以提供空穴，有利于电流的注入；第二子层的材料采用未掺杂的氮化镓，晶体质量较好，有利于接触层整体的晶体质量和晶格完整性。同时第一子层和第二子层都能降低接触层中整体的铟含量，改善铟吸光的问题。第三子层采用掺杂镁和铟的氮化镓，铟可以作为镁的激活剂，产生大量空穴，有利于与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触。综上所述，外延片的晶体质量、电流的注入以及接触层吸光的情况均有所改善，LED整体的发光效率可以得到提高。

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结构示意图；

图2是本发明实施例提供的接触层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。

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发光二极管外延片。图1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1，该发光二极管外延片包括衬底1、缓冲层2、N型半导体层3、有源层4、P型半导体层5和接触层6，缓冲层2、N型半导体层3、有源层4、P型半导体层5和接触层6依次层叠在衬底1上。

图2为本发明实施例提供的接触层的结构示意图。参见图2，在本实施例中，接触层6包括依次层叠的多个复合结构60，每个复合结构包括依次层叠的第一子层61、第二子层62和第三子层63。第一子层61的材料采用掺杂镁的氮化镓，第二子层62的材料采用不掺杂的氮化镓，第三子层63的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。

本发明实施例通过采用多个由第一子层、第二子层和第三子层组成的复合结构形成接触层，接触层为超晶格结构，可以释放内部晶格失配产生的应力，有利于提高外延片整体的晶体质量。第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，一方面与P型半导体层之间的晶格匹配较好，另一方面可以提供空穴，有利于电流的注入；第二子层的材料采用未掺杂的氮化镓，晶体质量较好，有利于接触层整体的晶体质量和晶格完整性。同时第一子层和第二子层都能降低接触层中整体的铟含量，改善铟吸光的问题。第三子层采用掺杂镁和铟的氮化镓，铟可以作为镁的激活剂，产生大量空穴，有利于与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触。综上所述，外延片的晶体质量、电流的注入以及接触层吸光的情况均有所改善，LED整体的发光效率可以得到提高。

可选地，第一子层61的厚度可以大于第二子层62的厚度，第二子层62的厚度可以大于第三子层63的厚度。第一子层的厚度最大，有利于与P型半导体层之间形成较好的晶格匹配，提高外延片整体的晶体质量；同时第三子层的厚度最小，有利于获得超薄势垒，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，使得接触层与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触。

进一步地，第一子层61的厚度与第二子层62的厚度之间的差值，可以等于第二子层62的厚度与第三子层63的厚度之间的差值。各个子层之间厚度的差值相同，变化较为平均，可以有效避免剧烈变动所带来的不良影响。

示例性地，第一子层61的厚度可以为2nm～4nm，如3nm，实现效果好。

示例性地，第二子层62的厚度可以为1nm～3nm，如2nm，实现效果好。

示例性地，第三子层63的厚度可以为0.5nm～1.5nm，如1nm，实现效果好。

进一步地，第三子层63中镁的掺杂浓度可以为第一子层61中镁的掺杂浓度的1.5倍～5倍，如3倍。第三子层中镁的掺杂浓度较高，有利于获得超薄势垒，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，使得接触层与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触；同时第一子层和第三子层中镁的掺杂浓度在一定范围内，可以避免两者相差太大而影响接触层整体的晶体质量。

示例性地，第一子层61中镁的掺杂浓度可以为1*10¹⁹/cm³～1*10²⁰/cm³，如5*10¹⁹/cm³；第三子层63中镁的掺杂浓度可以为5*10¹⁹/cm³～6*10²⁰/cm³，如10²⁰/cm³，实现效果好。

可选地，第一子层61中镁的掺杂浓度可以沿接触层6的层叠方向逐渐减小，第三子层63中镁的掺杂浓度可以沿接触层6的层叠方向逐渐减小。考虑到镁的自补偿效率，后续生长的复合结构中镁的掺杂浓度太高不但无法提高空穴数量，反而会因为杂质较多而影响外延片整体的晶体质量。因此，复合结构中镁的掺杂浓度逐渐降低，并不会对空穴数量造成影响，反而可以提高外延片的晶体质量，有利于LED发光效率的提升。

进一步地，相邻两个第一子层61中镁的掺杂浓度的减小比例可以等于相邻两个第三子层63中镁的掺杂浓度的减小比例。第一子层和第三子层采用相同的比例减小镁的掺杂浓度，有利于接触层内部均匀变化，有效避免剧烈变动所带来的不良影响。

进一步地，第三子层63中铟的掺杂浓度可以沿接触层6的层叠方向逐渐增大。铟可以作为镁的激活剂，随着第三子层中镁的掺杂浓度的逐渐减小，第三子层中铟的掺杂浓度相应的逐渐增大，可以有效避免第三子层中空穴数量减少；同时靠近P型半导体层的第三子层中铟的掺杂浓度较低，一方面有利于与P型半导体层形成较好的晶格匹配，另一方面可以减少铟对光的吸收；而远离P型半导体层中铟的掺杂浓度较高，有利于获得超薄势垒，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，从而与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触。

更进一步地，第三子层63中铟的掺杂浓度的增大比例可以与第三子层63中镁的掺杂浓度的减小比例成反比。

示例性地，第三子层63中铟的掺杂浓度可以为5*10¹⁹/cm³～5*10²⁰/cm³，如10²⁰/cm³，实现效果好。

更进一步地，复合结构60的厚度可以沿接触层6的层叠方向逐渐减小。与第三子层中铟的掺杂浓度可以沿接触层的层叠方向逐渐增大配合，一方面减少铟对光的吸收，另一方面有利于获得超薄势垒，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，从而与芯片工艺中的电极或者透明导电层形成良好的欧姆接触。

可选地，多个复合结构60的数量可以为3个～20个，既能利用超晶格结构有效释放晶格失配产生并延伸的应力，也能避免生长时间太长而降低外延片的晶体质量。

示例性地，多个复合结构60的数量可以为3个～10个，如6个，实现效果好。

可选地，衬底1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。缓冲层2的材料可以采用未掺杂的氮化镓或者氮化铝。N型半导体层3的材料可以采用N型掺杂(如硅)掺杂的氮化镓。有源层4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In_xGa_1-xN，0＜x＜1，量子垒的材料可以采用氮化镓。P型半导体层5的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。

进一步地，缓冲层2的厚度可以为15nm～30nm，优选为25nm。N型半导体层3的厚度可以为2μm～3μm，优选为2.5μm；N型半导体层3中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3，优选为5*10¹⁸cm^-3。量子阱的厚度可以为2nm～3nm，优选为2.5nm；量子垒的厚度可以为8nm～11nm，优选为9.5nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为11个～13个，优选为12个；有源层4的厚度可以为130nm～160nm，优选为145nm。P型半导体层5的厚度可以为50nm～80nm，优选为65nm；P型半导体层6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，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层7，未掺杂氮化镓层7设置在缓冲层2和N型半导体层3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，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2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7。

进一步地，未掺杂氮化镓层7的厚度可以为2μm～3.5μm，优选为2.75μm。

可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括应力释放层8，以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。

可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层91，电子阻挡层91设置在有源层4和P型半导体层5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91的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，如Al_yGa_1-yN，0.15＜y＜0.25。

进一步地，电子阻挡层91的厚度可以为30nm～50nm，优选为40nm。

优选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括低温P型层92，低温P型层92设置在有源层4和电子阻挡层91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92的材料可以为与P型半导体层5的材料相同。在本实施例中，低温P型层92的材料可以为P型掺杂的氮化镓。

进一步地，低温P型层92的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温P型层92中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，优选为10¹⁹/cm³。

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，适用于生长图1所示的发光二极管外延片。图3为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。参见图3，该生长方法包括：

步骤201：提供一衬底。

可选地，该步骤201可以包括：

控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在氢气气氛中对衬底进行5分钟～6分钟(优选为5.5分钟)退火处理。

通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。

步骤202：在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层。

在本实施例中，接触层包括依次层叠的多个复合结构，每个复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，第二子层的材料采用不掺杂的氮化镓，第三子层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。

可选地，该步骤202可以包括：

第一步，控制温度为530℃～560℃(优选为545℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在衬底上生长缓冲层；

第二步，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N型半导体层；

第三步，在N型半导体层上生长有源层；其中，量子阱的生长温度为760℃～780℃(优选为770℃)，压力为200torr；量子垒的生长温度为860℃～890℃(优选为875℃)，压力为200torr；

第四步，控制温度为940℃～980℃(优选为960℃)，压力为200torr～600torr(优选为400torr)，在有源层上生长P型半导体层；

第五步，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，在第三步之前，该生长方法还可以包括：

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200torr～600torr(优选为400torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。

可选地，在第四步之前，该生长方法还可以包括：

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。

可选地，在第五步之前，该生长方法还可以包括：

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930℃～970℃(优选为950℃)，压力为100torr，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，该生长方法还可以包括：

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。

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，如Veeco K465i MOCVD或者Veeco C4MOCVD。实现时以氢气、或者氮气、或者氢气和氮气的混合气体作为载气，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，硅烷作为硅源，二茂镁作为镁源。

通过改变接触层的个别参数(如第一子层、第二子层和第三子层的厚度差)，保证接触层的其它参数(如第一子层中镁的掺杂浓度、第三子层中镁和铟的掺杂浓度，复合结构的数量等)、其它层的所有参数(如缓冲层的厚度、N型半导体层的厚度、N型半导体层中硅的掺杂浓度等)，形成多种发光二极管外延片的样品。将这些样品与采用现有接触层的发光二极管外延片均制成芯片进行测试，测试结果如下表一所示：

表一

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，所述发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层，所述缓冲层、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，所述接触层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，所述第二子层的材料采用不掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。

2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度，所述第二子层的厚度大于所述第三子层的厚度。

3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度与所述第二子层的厚度之间的差值等于所述第二子层的厚度与所述第三子层的厚度之间的差值。

4.根据权利要求2或3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第三子层中镁的掺杂浓度为所述第一子层中镁的掺杂浓度的1.5倍～5倍。

5.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中镁的掺杂浓度沿所述接触层的层叠方向逐渐减小，所述第三子层中镁的掺杂浓度沿所述接触层的层叠方向逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，相邻两个所述第一子层中镁的掺杂浓度的减小比例等于相邻两个所述第三子层中镁的掺杂浓度的减小比例。

7.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第三子层中铟的掺杂浓度沿所述接触层的层叠方向逐渐增大。

8.根据权利要求7所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第三子层中铟的掺杂浓度的增大比例与所述第三子层中镁的掺杂浓度的减小比例成反比。

9.根据权利要求7所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合结构的厚度沿所述接触层的层叠方向逐渐减小。

10.一种发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层、P型半导体层和接触层；

其中，所述接触层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层的材料采用掺杂镁的氮化镓，所述第二子层的材料采用不掺杂的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂镁和铟的氮化镓。