CN109920889B - 氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法 - 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造方法，属于半导体技术领域。所述氮化镓基发光二极管外延片的P型欧姆接触层由至少一个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层和所述第三子层均为In_xGa_1‑xN层，0≤x＜1，且所述第一子层中掺有Mg，所述第二子层为MgN层，所述第一子层和所述第三子层呈镓极性，所述第二子层呈氮极性。由于氮极性材料相比于镓极性材料具有更低的欧姆接触电阻，因此通过设置第二子层从而可以降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。

Description

氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法

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造方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。

外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、三维成核层、二维恢复层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层和P型欧姆接触层。其中P型欧姆接触层为掺Mg的GaN层。

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：

由于在P型GaN层中受主(Mg)杂质难以电离，会使得Mg难以掺入P型欧姆接触层中，造成P型欧姆接触层的接触电阻偏高，LED的正向开启电压较高，LED的发光效率较低。

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造方法，可以降低P型欧姆接触层的接触电阻，提高LED的发光效率。所述技术方案如下：

一方面，本发明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、以及依次生长在所述衬底上的低温缓冲层、三维成核层、二维恢复层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层和P型欧姆接触层，

所述P型欧姆接触层由多个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层和所述第三子层均为In_xGa_1-xN层，且所述第一子层中掺有Mg，所述第二子层为MgN层，0≤x＜1。

进一步地，所述第二子层和所述第三子层的厚度相等，所述第一子层的厚度大于或等于所述第二子层和所述第三子层的厚度之和。

进一步地，所述第二子层和所述第三子层的厚度为1～2nm，所述第一子层的厚度为3～6nm。

进一步地，所述P型欧姆接触层的厚度为10～150nm。

进一步地，所述第一子层中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

另一方面，本发明提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长低温缓冲层、三维成核层、二维恢复层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层；

在所述P型层上生长P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层由多个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层和所述第三子层均为In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，且所述第一子层中掺有Mg，所述第二子层为MgN层，所述第一子层和所述第三子层呈镓极性，所述第二子层呈氮极性。

进一步地，在所述P型层上生长P型欧姆接触层，包括：

采用氨气作为氮源，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，生长所述P型欧姆接触层；

其中，生长所述第一子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第一摩尔比，生长所述第二子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第二摩尔比，生长所述第三子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第三摩尔比；

所述第一摩尔比与所述第三摩尔比相等，所述第二摩尔比大于第一摩尔比。

进一步地，所述第二摩尔比与所述第一摩尔比的比值大于2。

进一步地，所述第一子层和所述第三子层的生长温度相等，所述第二子层的生长温度大于所述第一子层的生长温度。

进一步地，所述第一子层和所述第三子层的生长压力相等，所述第二子层的生长温度大于所述第一子层的生长温度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将P型欧姆接触层设置成为由至少一个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层。其中，第一子层为掺Mg的In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，第一子层可以起到常规的P型欧姆接触层的作用，降低与后续芯片电极之间的欧姆接触电阻。第二子层为MgN层，第二子层呈氮极性，氮极性材料相比于镓极性材料具有更低的欧姆接触电阻，从而可以降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。进一步地，由于氮极性材料的外延层表面不易控制，因此通过在第二子层后生长第三子层In_xGa_1-xN层，可以利用Mg的记忆效应使第二子层中的Mg扩散到第三子层中，从而保证得到良好的外延层表面，提高晶体质量。

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一种P型欧姆接触层的结构示意图；

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造方法流程图。

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。

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，如图1所示，发光二极管外延片包括衬底1、以及依次生长在衬底1上的低温缓冲层2、三维成核层3、二维恢复层4、未掺杂的GaN层5、N型层6、多量子阱层7、电子阻挡层8、P型层9和P型欧姆接触层10。

图2是本发明实施例提供的一种P型欧姆接触层的结构示意图，如图2所示，P型欧姆接触层10包括多个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层10a、第二子层10b和第三子层10c。第一子层10a和第三子层10c均为In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，且第一子层10a中掺有Mg，第二子层10b为MgN层，第一子层10a和第三子层10c呈镓极性，第二子层10b呈氮极性。

本发明实施例通过将P型欧姆接触层设置成为由至少一个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层。其中，第一子层为掺Mg的In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，第一子层可以起到常规的P型欧姆接触层的作用，降低与后续芯片电极之间的欧姆接触电阻。第二子层为MgN层，第二子层呈氮极性，氮极性材料相比于镓极性材料具有更低的欧姆接触电阻，从而可以降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。进一步地，由于氮极性材料的外延层表面不易控制，因此通过在第二子层后生长第三子层In_xGa_1-xN层，可以利用Mg的记忆效应使第二子层中的Mg扩散到第三子层中，从而保证得到良好的外延层表面，提高晶体质量。

需要说明的是，第一子层10a和第三子层10c可以为InGaN层或者GaN层，Mg在InGaN材料中的激活能更低，但是极化效应会更大，Mg在GaN材料中的激活能相对要高一些，但是极化效应也相对较小。

可选地，P型欧姆接触层10可以包括n个周期的超晶格结构，1≤n≤8。当P型欧姆接触层10包括多个周期的超晶格结构时，与包括单个周期的超晶格结构的P型欧姆接触层相比，每层MgN层可以设置的更薄，以防止MgN层厚度偏厚，导致表面微粗类的缺陷比较严重，难以控制。

示例性地，3≤n≤8。

进一步地，第二子层10b和第三子层10c的厚度相等，第一子层10a的厚度大于或等于第二子层10b和第三子层10c的厚度之和。将第一子层10a的厚度设置的较厚，则第一子层10a可以起到常规的P型欧姆接触层的作用，提供高浓度的Mg掺In_xGa_1-xN层降低欧姆接触电阻。其次由于氮极性的MgN子层易引发表面微粗类缺陷，需控制其厚度，因此将第二子层10b的厚度设置的较薄。而第三子层10c是未掺杂Mg的In_xGa_1-xN，第二子层10b扩散至第三子层10c的Mg的浓度相对偏低，如果第三子层10c的厚度太厚，可能会导致欧姆接触电阻升高。

可选地，第二子层10b和第三子层10c的厚度为1～2nm，第一子层10a的厚度为3～6nm。

进一步地，P型欧姆接触层10的厚度为10～150nm。P型欧姆接触层10与芯片P电极接触，若P型欧姆接触层10的厚度小于10nm，则会造成电流扩展比较拥挤，若P型欧姆接触层10的厚度大于150nm，则会造成吸光严重，降低出光效率。

进一步地，第一子层10a中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。若第一子层10a中Mg的掺杂浓度低于1×10¹⁸cm^-3，可能会导致欧姆接触电阻升高。

示例性地，第一子层10a中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。

可选地，低温缓冲层2可以为GaN缓冲层，厚度为20～50nm。

可选地，三维成核层3可以为GaN层，厚度为400～600nm。

可选地，二维恢复层4可以为GaN层，厚度为500～800nm。

可选地，未掺杂的GaN层5的厚度为1～2um。

可选地，N型层6可以为掺Si的GaN层，厚度为1～2um。

可选地，发光二极管外延片还可以包括设置在N型层6和多量子阱层7之间的应力释放层61和前级多量子阱层62。

应力释放层61可以由2～8个周期的GaN/InGaN超晶格结构组成。其中，GaN层的厚度可以为10～20nm，InGaN层的厚度可以为1～2nm，InGaN层中的In含量可以为5％～40％。

前级多量子阱层62可以由5～10个周期的In_aGa_1-aN/GaN和超晶格结构组成，0<a<0.5。其中，In_aGa_1-aN层的厚度可以为1～2nm，GaN层的厚度可以为8～20nm。

可选地，多量子阱层7可以包括6～12个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括In_bGa_1-bN阱层和GaN垒层，0.1<b<1。其中In_bGa_1-bN阱层的厚度可以为3～4nm，GaN垒层的厚度可以为9～20nm。

可选地，电子阻挡层8可以为P型Al_zGa_1-zN层，0.1<z<0.6，厚度可以为15～80nm。

可选地，P型层9可以为掺Mg的GaN层，厚度为50～300nm，Mg的掺杂浓度可以为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

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造方法流程图，如图3所示，该制造方法包括：

步骤301、提供一衬底。

其中，衬底可采用[0001]晶向的Al₂O₃蓝宝石衬底。

进一步地，步骤301还可以包括：

将衬底在氢气气氛中退火1～10min，以清洁衬底表面，然后对衬底进行氮化处理，将衬底放置到MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备的反应室内，然后在氢气气氛中退火处理10min，清洁衬底表面，退火温度在1000℃与1200℃之间，压力在200torr～500torr之间。

需要说明的是，外延层中的低温缓冲层、三维成核层、二维恢复层、未掺杂的GaN层、N型层、应力释放层、前级多量子阱层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层以及P型欧姆接触层均可以采用MOCVD法生长。在具体实现时，通常是将衬底放在石墨托盘上送入MOCVD设备的反应室中进行外延材料的生长，因此上述生长过程中控制的温度和压力实际上是指反应室内的温度和压力。具体地，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三乙基硼作为硼源，氨气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。

步骤302、在衬底上生长低温缓冲层。

其中，低温缓冲层可以为GaN缓冲层。

示例性地，将反应室内温度调整至400℃～600℃，压力调整至100～300torr，生长20～50nm的低温缓冲层。

步骤303、在低温缓冲层上生长三维成核层。

在本实施例中，三维成核层可以为GaN层。

示例性地，将反应室温度调节至1000～1080℃，反应室压力控制在250～550torr，生长厚度为400～600nm的三维成核层，生长时间为10～30min。

步骤304、在三维成核层上生长二维恢复层。

在本实施例中，二维恢复层可以为GaN层。

示例性地，将反应室温度调节至1050～1150℃，反应室压力控制在100～500torr，生长厚度为500～800nm的二维恢复层，生长时间为20～40min。

步骤305、在二维恢复层上生长未掺杂的GaN层。

示例性地，将反应室温度调节至1050～1200℃，反应室压力控制在100～500torr，生长厚度为1～2um的未掺杂的GaN层。

步骤306、在未掺杂的GaN层上生长N型层。

在本实施例中，N型层可以为掺Si的GaN层，Si掺杂浓度可以为10¹⁸cm^-3～10²⁰cm^-3。

示例性地，将反应室温度调节至1050～1200℃，反应室压力控制在100～500torr，生长厚度为1～3um的N型层。

步骤307、在N型层上生长应力释放层。

在本实施例中，应力释放层可以由2～8个周期的GaN/InGaN超晶格结构组成。其中，GaN层的厚度可以为10～20nm，InGaN层的厚度可以为1～2nm，InGaN层中的In含量可以为5％～40％。

示例性地，将反应室温度调节至750～920℃，反应室压力控制在100～300torr，生长应力释放层。

步骤308、在应力释放层上生长前级多量子阱层。

其中，前级多量子阱层可以由5～10个周期的In_aGa_1-aN/GaN和超晶格结构组成，0<a<0.5。其中，In_aGa_1-aN层的厚度可以为1～2nm，GaN层的厚度可以为8～20nm。

具体地，步骤308可以包括：

将反应室温度调节至770℃～835℃，反应室压力控制在100～300torr，生长In_aGa_1-aN层。

将反应室温度调节至820℃～920℃，反应室压力控制在100～300torr，生长GaN层。

步骤309、前级多量子阱层上生长多量子阱层。

其中，多量子阱层可以包括6～12个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括In_bGa_1-bN阱层和GaN垒层，0.1<b<1。其中In_bGa_1-bN阱层的厚度可以为3～4nm，GaN垒层的厚度可以为9～20nm。

具体地，步骤309可以包括：

将反应室温度调节至750～830℃，反应室压力控制在100～500torr，生长In_bGa_{1- b}N阱层。

将反应室温度调节至850～900℃，反应室压力控制在100～200torr，生长GaN垒层。

步骤310、在多量子阱层上生长电子阻挡层。

在本实施例中，电子阻挡层可以为P型Al_zGa_1-zN层，厚度可以为15～80nm，0.1<z<0.6。

示例性地，将反应室温度调节至900～1000℃，反应室压力控制在100～500torr，生长电子阻挡层。

步骤311、在电子阻挡层上生长P型层。

在本实施例中，P型层可以为P型GaN层，厚度为50～300nm，Mg的掺杂浓度可以为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

示例性地，将反应室温度调节至900～1000℃，反应室压力控制在100～600torr，生长P型层。

步骤312、在P型层上生长P型欧姆接触层。

其中，P型欧姆接触层包括多个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层。第一子层和第三子层均为In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，且第一子层中掺有Mg，第二子层为MgN层，第一子层和第三子层呈镓极性，第二子层呈氮极性。

可选地，P型欧姆接触层可以包括n个周期的超晶格结构，1≤n≤8。

示例性地，3≤n≤8。

进一步地，第二子层和第三子层的厚度相等，第一子层的厚度大于或等于第二子层和第三子层的厚度之和。

可选地，第二子层和第三子层的厚度为1～2nm，第一子层的厚度为3～6nm。

进一步地，P型欧姆接触层的厚度为10～150nm。

进一步地，第一子层中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

示例性地，第一子层中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

进一步地，步骤312可以包括：

采用氨气作为氮源，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，生长P型欧姆接触层。

可选地，氨气的流量为100～300L/min。若氨气的流量小于100L/min，会导致第二子层无法呈氮极性。

生长第一子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第一摩尔比，生长第二子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第二摩尔比，生长第三子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第三摩尔比。

第一摩尔比与第三摩尔比相等，第二摩尔比大于第一摩尔比，以保证在生长第二子层时，能够提供足够的氮原子使得第二子层呈氮极性。

可选地，第二摩尔比与第一摩尔比的比值大于2。

进一步地，第一子层和第三子层的生长温度相等，第二子层的生长温度大于第一子层的生长温度。第二子层的生长温度更高，有助于加快氨气的裂解速率，提供更多的氮原子，形成具有氮极性的MgN层，同时还可以提高第二子层的晶体质量。

可选地，第一子层和第三子层的生长温度为850℃～1000℃。若第一子层的生长温度过高，可能会影响第一子层中Mg的掺杂效率，若第一子层和第三子层的生长温度过低，则会影响P型欧姆接触层的晶体质量。

可选地，第二子层的生长温度为950℃～1200℃。

进一步地，第一子层和第三子层的生长压力相等，第二子层的生长温度大于第一子层的生长温度。第二子层的生长压力更高，有助于加快氨气的裂解速率，提供更多的氮原子，形成具有氮极性的MgN层，同时还可以提高第二子层的晶体质量。

可选地，第一子层和第三子层的生长压力为100torr～300torr。若第一子层的生长压力过低，会影响第一子层中Mg的掺杂效率。若第一子层和第三子层的生长压力过高，可能会影响外延表面的晶体质量。

可选地，第二子层的生长压力为300torr～600torr。

在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至650～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。

本发明实施例通过将P型欧姆接触层设置成为由至少一个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层。其中，第一子层为掺Mg的In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，第一子层可以起到常规的P型欧姆接触层的作用，降低与后续芯片电极之间的欧姆接触电阻。第二子层为MgN层，第二子层呈氮极性，氮极性材料相比于镓极性材料具有更低的欧姆接触电阻，从而可以降低LED的工作电压，提高LED的发光效率。进一步地，由于氮极性材料的外延层表面不易控制，因此通过在第二子层后生长第三子层In_xGa_1-xN层，可以利用Mg的记忆效应使第二子层中的Mg扩散到第三子层中，从而保证得到良好的外延层表面，提高晶体质量。

以上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、以及依次生长在所述衬底上的低温缓冲层、三维成核层、二维恢复层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层和P型欧姆接触层，其特征在于，

所述P型欧姆接触层由至少一个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层和所述第三子层均为In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，且所述第一子层中掺有Mg，所述第二子层为MgN层，所述第一子层和所述第三子层呈镓极性，所述第二子层呈氮极性。

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，所述第二子层和所述第三子层的厚度相等，所述第一子层的厚度大于或等于所述第二子层和所述第三子层的厚度之和。

3.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层和所述第三子层的厚度为1～2nm，所述第一子层的厚度为3～6nm。

4.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述P型欧姆接触层的厚度为10～150nm。

5.根据权利要求1或2所述的氮化镓基发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3。

6.一种氮化镓基发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长低温缓冲层、三维成核层、二维恢复层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层；

在所述P型层上生长P型欧姆接触层，所述P型欧姆接触层由至少一个周期的超晶格结构组成，每个超晶格结构均包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层和所述第三子层均为In_xGa_1-xN层，0≤x＜1，且所述第一子层中掺有Mg，所述第二子层为MgN层，所述第一子层和所述第三子层呈镓极性，所述第二子层呈氮极性。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，进一步地，在所述P型层上生长P型欧姆接触层，包括：

采用氨气作为氮源，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，生长所述P型欧姆接触层；

其中，生长所述第一子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第一摩尔比，生长所述第二子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第二摩尔比，生长所述第三子层时，氨气的摩尔体积与镓源的摩尔质量之比为第三摩尔比；

所述第一摩尔比与所述第三摩尔比相等，所述第二摩尔比大于第一摩尔比。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第二摩尔比与所述第一摩尔比的比值大于2。

9.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层和所述第三子层的生长温度相等，所述第二子层的生长温度大于所述第一子层的生长温度。

10.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层和所述第三子层的生长压力相等，所述第二子层的生长温度大于所述第一子层的生长温度。

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