CN112086542B - 发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种发光二极管外延片及其生长方法，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、过渡层、未掺杂氮化镓层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述缓冲层、所述过渡层、所述未掺杂氮化镓层、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；所述过渡层包括复合层，所述复合层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠在所述缓冲层上；每个所述第一子层为掺杂Si的AlN层，每个所述第二子层为掺杂Mg的AlN层。本公开可以有效提高外延片的晶体质量。
Description
技术领域
本公开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
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子器件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED正在被迅速广泛地得到应用在如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、显示屏等领域。
外延片是LED的基础结构。相关技术中，LED外延片包括衬底、缓冲层、未掺杂氮化镓层、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。衬底提供外延生长的表面，缓冲层提供外延生长的成核中心，未掺杂氮化镓层改善衬底材料和外延材料之间晶格失配产生的应力和缺陷，N型半导体层提供电子，P型半导体提供空穴，有源层进行电子和空穴的复合发光。
衬底的材料采用蓝宝石，缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型半导体层、有源层和P型半导体层的材料采用氮化镓基材料，蓝宝石和氮化镓基材料之间存在较大的晶格失配，晶格失配产生的应力和缺陷会沿着外延生长的方向延伸和积累，造成外延片的晶体质量较差，发光效率较低。设置未掺杂氮化镓层，可以对衬底材料和氮化镓基材料之间晶格失配产生的应力和缺陷起到改善作用，但是改善效果有限，外延片的晶体质量还有待提高。
发明内容
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片及其生长方法，可以有效提高外延片的晶体质量。所述技术方案如下：
一方面，本公开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、过渡层、未掺杂氮化镓层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述缓冲层、所述过渡层、所述未掺杂氮化镓层、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；所述过渡层包括复合层，所述复合层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠在所述缓冲层上；每个所述第一子层为掺杂Si的AlN层，每个所述第二子层为掺杂Mg的AlN层。
可选地，所述第一子层中Si的掺杂浓度小于所述第二子层中Mg的掺杂浓度。
可选地，所述第一子层的厚度小于所述第二子层的厚度。
可选地，所述第一子层的数量为3层～8层，所述第二子层的数量为3层～8层。
可选地，所述过渡层还包括Al层，所述Al层层叠在所述复合层和所述缓冲层之间。
可选地，所述Al层的生长温度大于所述复合层的生长温度。
可选地，所述Al层的生长温度为1100℃～1160℃，所述复合层的生长温度为450℃～600℃。
另一方面，本公开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、过渡层、未掺杂氮化镓层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；
其中，所述过渡层包括复合层，所述复合层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠在所述缓冲层上，每个所述第一子层为掺杂Si的AlN层，每个所述第二子层为掺杂Si的AlN层。
可选地，所述过渡层采用如下方式生长：
在所述缓冲层上生长Al层；
在所述Al层上交替生长第一子层和第二子层，形成复合层；
其中，所述复合层的生长温度小于所述Al层的生长温度。
可选地，所述Al层的生长温度为1100℃～1160℃，所述复合层的生长温度为450℃～600℃。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在缓冲层和未掺杂氮化镓层增设过渡层，过渡层包括掺杂Si的AlN层和掺杂Mg的AlN层交替层叠而成的复合层，AlN层可以引入一定的压应变，抵消缓冲层产生的张应力，从而有效减少外延片内延伸和积累的应力。AlN层中掺杂的Si原子会进入到三维岛状结构之间的空隙，将三维岛状结构填平，并在填平的过程中，利用相邻两个三维岛状结构提供不同方向的作用力，将外延片内的应力抵消，从而进一步减小外延片内延伸和积累的应力。掺杂Mg的AlN层和掺杂Si的AlN层交替层叠，一方面可以利用生成的MgN促进三维生长，使得复合层可以持续进行三维生长；另一方面，可以有效避免复合层中Si的掺杂浓度过高而对晶体结构的完整性造成破坏，有利于保护外延片的晶体质量。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的过渡层的结构示意图；
图3是本公开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
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片。图1为本公开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10、缓冲层20、过渡层100、未掺杂氮化镓层30、N型半导体层40、有源层50和P型半导体层60，缓冲层20、过渡层100、未掺杂氮化镓层30、N型半导体层40、有源层50和P型半导体层60依次层叠在衬底10上。
图2为本公开实施例提供的过渡层的结构示意图。参见图2，过渡层100包括复合层110，复合层110包括多个第一子层111和多个第二子层112，多个第一子层111和多个第二子层112交替层叠在缓冲层20上。每个第一子层111为掺杂Si的AlN层，每个第二子层112为掺杂Mg的AlN层。
在实际应用中，衬底材料和外延材料之间存在较大的晶格失配，晶格失配产生的应力和缺陷会沿着外延生长的方向延伸和积累。外延材料和生长温度的不同都会造成压力的不同，缓冲层的生长温度较低，产生的是张应力。本公开实施例通过在缓冲层和未掺杂氮化镓层增设过渡层，过渡层包括掺杂Si的AlN层和掺杂Mg的AlN层交替层叠而成的复合层，AlN层可以引入一定的压应变，抵消缓冲层产生的张应力，从而有效减少外延片内延伸和积累的应力。
首先在图形化衬底上低温生长的一层较薄的氮化镓，本公开实施例中称为缓冲层。再在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；本公开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。本公开实施例通过在缓冲层和未掺杂氮化镓层增设过渡层，过渡层倾向于进行纵向生长，形成多个相互独立的三维岛状结构。过渡层包括掺杂Si的AlN层和掺杂Mg的AlN层交替层叠而成的复合层，AlN层中掺杂的Si原子会进入到三维岛状结构之间的空隙，将三维岛状结构填平，并在填平的过程中，利用相邻两个三维岛状结构提供不同方向的作用力，将外延片内的应力抵消，从而进一步减小外延片内延伸和积累的应力。
掺杂Mg的AlN层和掺杂Si的AlN层交替层叠，一方面可以利用生成的MgN促进三维生长，使得复合层可以持续进行三维生长，与掺杂Si的AlN层配合，通过在三维生长过程中进行填平，释放外延片内的应力。另一方面，可以有效避免复合层中Si的掺杂浓度过高而对晶体结构的完整性造成破坏，有利于保护外延片的晶体质量。
综上，本公开实施例通过在缓冲层和未掺杂氮化镓层增设过渡层，过渡层包括掺杂Si的AlN层和掺杂Mg的AlN层交替层叠而成的复合层，AlN层可以引入一定的压应变，抵消缓冲层产生的张应力，从而有效减少外延片内延伸和积累的应力。AlN层中掺杂的Si原子会进入到三维岛状结构之间的空隙，将三维岛状结构填平，并在填平的过程中，利用相邻两个三维岛状结构提供不同方向的作用力，将外延片内的应力抵消，从而进一步减小外延片内延伸和积累的应力。掺杂Mg的AlN层和掺杂Si的AlN层交替层叠，一方面可以利用生成的MgN促进三维生长，使得复合层可以持续进行三维生长；另一方面，可以有效避免复合层中Si的掺杂浓度过高而对晶体结构的完整性造成破坏，有利于保护外延片的晶体质量。
可选地，第一子层111中Si的掺杂浓度小于第二子层112中Mg的掺杂浓度。
在实际应用中，Mg的活化效率较低，不容易形成MgN。本公开实施例通过第一子层111中Si的掺杂浓度小于第二子层112中Mg的掺杂浓度，第二子层112中Mg的掺杂浓度较高，有利于形成MgN维持复合层的三维生长，与第一子层111配合较好，通过在三维生长过程中进行填平，释放外延片内的应力。
示例性地，第一子层111中Si的掺杂浓度为2*1017/cm3～8*1017/cm3，第二子层112中Mg的掺杂浓度为1*1018/cm3～8*1018/cm3。
优选地，第一子层111中Si的掺杂浓度为2*1017/cm3～5*1017/cm3，第二子层112中Mg的掺杂浓度为1*1018/cm3～5*1018/cm3。
可选地，第一子层111的厚度小于第二子层112的厚度。
在实际应用中，Mg的活化效率较低，不容易形成MgN。本公开实施例通过第一子层111的厚度小于第二子层112的厚度，第二子层112的厚度较大，有利于形成MgN维持复合层的三维生长，与第一子层111配合较好，通过在三维生长过程中进行填平，释放外延片内的应力。
示例性地，第一子层111的厚度为1nm～6nm，第二子层112的厚度为1.5nm～8nm。
优选地，第一子层111的厚度为1nm～4nm，第二子层112的厚度为2nm～5nm。
可选地，第一子层111的数量为3层～8层，第二子层112的数量为3层～8层。
本公开实施例一方面可以利用生成的MgN促进三维生长，使得过渡层倾向于进行纵向生长，形成多个相互独立的三维岛状结构；另一方面，AlN层中掺杂的Si原子会进入到三维岛状结构之间的空隙，将三维岛状结构填平，并在填平的过程中，利用相邻两个三维岛状结构提供不同方向的作用力，将外延片内的应力抵消。通过掺杂Mg的AlN层和掺杂Si的AlN层交替层叠3次～8次，可以维持在三维生长过程中填平释放应力的效果，从而有效改善衬底材料和氮化镓基材料之间晶格失配产生的应力和缺陷；同时兼顾生产效率和实现成本，在有限的交替次数下保证改善效果。
优选地，第一子层111的数量为3层～5层，第二子层112的数量为3层～5层。
可选地，过渡层100还包括Al层120，Al层120层叠在复合层110和缓冲层20之间。
本公开实施例通过在复合层110和缓冲层20之间层叠Al层120层，Al层120层可以抑制N极性面的产生，有利于提高外延片的晶体质量。
可选地，Al层120的生长温度大于复合层110的生长温度。
本公开实施例通过Al层120的生长温度大于复合层110的生长温度，Al层120的生长温度较大，有利于Al原子均匀铺设在缓冲层20上；复合层110的生长温度减小，有利于减小AlN层中杂质的掺杂浓度，保护晶体结构的完整性。
可选地，Al层120的生长温度为1100℃～1160℃，复合层110的生长温度为450℃～600℃。
Al层120的生长温度高达1100℃～1160℃，Al原子活跃，可以均匀铺设在缓冲层20上。复合层110的生长温度抵制450℃～600℃，可以有效抑制杂质的掺杂，保证晶体结构的完整性。
优选地，Al层120的生长温度为1100℃～1140℃，复合层110的生长温度为480℃～550℃。
可选地，Al层120的厚度为3nm～10nm。
优选地，Al层120的厚度为4nm～8nm。
在本公开实施例中，衬底10为蓝宝石平片衬底，如晶向为[0001]的蓝宝石。缓冲层20的材料采用氮化镓；缓冲层20的厚度为10nm～30nm。未掺杂氮化镓层30的厚度为2μm～3.5μm。N型半导体层40的材料采用N型掺杂(如硅)的氮化镓；N型半导体层40中Si的掺杂浓度为1018/cm3～1019/cm3，N型半导体层40的厚度为2μm～3μm。有源层50包括交替层叠的量子阱和量子垒，量子阱的材料采用氮化铟镓(InGaN)，如InzGa1-zN，0＜z＜1，量子垒的材料采用氮化镓；量子阱的厚度为3nm～4nm；量子垒的厚度为9nm～20nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量为6个～12个。P型半导体层60的材料采用P型掺杂(如镁)的氮化镓；P型半导体层60中Mg的掺杂浓度为1018/cm3～1019/cm3，P型半导体层60的厚度为50nm～80nm。
可选地，如图1所示，该氮化镓发光二极管外延片还包括电子阻挡层70，电子阻挡层70设置在有源层50和P型半导体层60之间。
通过在有源层和P型半导体层之间设置电子阻挡层，避免电子跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，降低有源层中空穴的注入效率。
示例性地，电子阻挡层70的材料采用掺杂Mg的AlzGa1-zN，0.15＜z＜0.25，电子阻挡层70的厚度为30nm～50nm。
优选地，如图1所示，该氮化镓发光二极管外延片还包括低温P型层80，低温P型层80的材料采用掺杂Mg的GaN，低温P型层80设置在有源层50和电子阻挡层70之间。
通过在有源层和电子阻挡层之间设置低温P型层，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。
更优选地，低温P型层80中Mg的掺杂浓度与P型半导体层60中Mg的掺杂浓度相同，低温P型层80的厚度为10nm～50nm。
可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还包括接触层90，接触层90设置在P型半导体层60上。
通过在P型半导体层60上设置接触层90，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。
示例性地，接触层90的材料采用掺杂Mg的氮化铟镓或者氮化镓，接触层90的厚度为5nm～100nm，接触层90中P型掺杂剂的掺杂浓度为1021/cm3～1022/cm3。
本公开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为本公开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包括：
在氢气气氛中，高温处理衬底5min～6min。
在上述过程中，反应室内的温度为1000℃～1100℃，反应室内的压力为200torr～500torr。
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、过渡层、未掺杂氮化镓层、N型半导体层、有源层和P型半导体层。
在本公开实施例中，过渡层包括复合层，复合层包括多个第一子层和多个第二子层，多个第一子层和多个第二子层交替层叠在缓冲层上，每个第一子层为掺杂Si的AlN层，每个第二子层为掺杂Si的AlN层。
可选地，过渡层采用如下方式生长：
在缓冲层上生长Al层；
在Al层上交替生长第一子层和第二子层，形成复合层；
其中，复合层的生长温度小于Al层的生长温度。
本公开实施例通过先铺设Al层，一方面可以抑制N极性面的产生，有利于提高晶体质量；另一方面可以利用较高的生长温度促使Al原子均匀分布在缓冲层20上，进而可以利用较低的生长温度抑制杂质的掺杂浓度。
可选地，Al层的生长温度为1100℃～1160℃，复合层的生长温度为450℃～600℃。
可选地，缓冲层采用如下方式生长：
控制温度为530℃～560℃，压力为200torr～500torr，在衬底上生长缓冲层。
可选地，未掺杂氮化镓层采用如下方式生长：
控制温度为1000℃～1100℃，压力为200torr～600torr，在过渡层上生长未掺杂氮化镓层。
可选地，N型半导体层采用如下方式生长：
控制温度为1000℃～1100℃，压力为150torr～300torr，在未掺杂氮化镓层上生长N型半导体层。
可选地，有源层采用如下方式生长：
控制压力为200torr，在N型半导体层上生长有源层；量子阱的生长温度为760℃～780℃，量子垒的生长温度为860℃～890℃。
可选地，P型半导体层采用如下方式生长：
控制温度为940℃～980℃，压力为200torr～600torr，在有源层上生长P型半导体层。
可选地，在P型半导体层生长之前，该生长方法还包括：
控制温度为930℃～970℃，压力为100torr，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。
可选地，在电子阻挡层生长之前，该生长方法还包括：
控制温度为600℃～850℃，压力为100torr～600torr，在有源层上生长低温P型层。
可选地，在P型半导体层生长之后，该生长方法还包括：
控制温度为850℃～1000℃，压力为100torr～300torr，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℃，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15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。实现时，采用氢气、或者氮气、或者氢气和氮气的混合气体作为载气，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，硅烷作为硅源，二茂镁作为镁源。
下面为本公开实施例提供的生长方法的一种发光二极管外延片的一种实现方式，包括：
步骤301：在氢气气氛中，高温处理衬底5min～6min。
步骤302：控制温度为530℃～560℃，压力为200torr～500torr，在衬底上生长缓冲层，缓冲层的厚度为10nm～30nm。
步骤303：控制温度为1100℃～1160℃，在缓冲层上生长Al层。
步骤304：控制温度为450℃～600℃，在Al层上交替生长第一子层和第二子层，形成复合层，复合层和Al层组成过渡层。
步骤305：控制温度为1000℃～1100℃，压力为200torr～600torr，在过渡层上生长未掺杂氮化镓层。
步骤306：控制温度为1000℃～1100℃，压力为150torr～300torr，在未掺杂氮化镓层上生长N型半导体层。
步骤307：控制压力为200torr，在N型半导体层上生长有源层；量子阱的生长温度为760℃～780℃，量子垒的生长温度为860℃～890℃。
步骤308：控制温度为940℃～980℃，压力为200torr～600torr，在有源层上生长P型半导体层。
下面为本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的另一种实现方式，包括：
步骤401：在氢气气氛中，高温处理衬底5min～6min。
步骤402：控制温度为530℃～560℃，压力为200torr～500torr，在衬底上生长缓冲层。
步骤403：控制温度为450℃～600℃，在缓冲层上交替生长第一子层和第二子层，形成复合层，复合层组成过渡层。
步骤404：控制温度为1000℃～1100℃，压力为200torr～600torr，在过渡层上生长未掺杂氮化镓层。
步骤405：控制温度为1000℃～1100℃，压力为150torr～300torr，在未掺杂氮化镓层上生长N型半导体层。
步骤406：控制压力为200torr，在N型半导体层上生长有源层；量子阱的生长温度为760℃～780℃，量子垒的生长温度为860℃～890℃。
步骤407：控制温度为940℃～980℃，压力为200torr～600torr，在有源层上生长P型半导体层。
下面为相关技术提供的一种发光二极管外延片的生长方法，包括：
步骤501：在氢气气氛中，高温处理衬底5min～6min。
步骤502：控制温度为530℃～560℃，压力为200torr～500torr，在衬底上生长缓冲层。
步骤503：控制温度为1000℃～1100℃，压力为200torr～600torr，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
步骤504：控制温度为1000℃～1100℃，压力为150torr～300torr，在未掺杂氮化镓层上生长N型半导体层。
步骤505：控制压力为200torr，在N型半导体层上生长有源层；量子阱的生长温度为760℃～780℃，量子垒的生长温度为860℃～890℃。
步骤506：控制温度为940℃～980℃，压力为200torr～600torr，在有源层上生长P型半导体层。
对比上述三种实现方式形成外延片的晶体质量发现，第一种实现方式形成外延片的晶体质量优于第二种实现方式形成外延片的晶体质量，第二种实现方式形成外延片的晶体质量优于第三种实现方式形成外延片的晶体质量。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括衬底(10)、缓冲层(20)、过渡层(100)、未掺杂氮化镓层(30)、N型半导体层(40)、有源层(50)和P型半导体层(60)，所述缓冲层(20)、所述过渡层(100)、所述未掺杂氮化镓层(30)、所述N型半导体层(40)、所述有源层(50)和所述P型半导体层(60)依次层叠在所述衬底(10)上；所述过渡层(100)包括复合层(110)，所述复合层(110)包括多个第一子层(111)和多个第二子层(112)，所述多个第一子层(111)和所述多个第二子层(112)交替层叠在所述缓冲层(20)上；每个所述第一子层(111)为掺杂Si的AlN层，每个所述第二子层(112)为掺杂Mg的AlN层。
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(111)中Si的掺杂浓度小于所述第二子层(112)中Mg的掺杂浓度。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层(111)的厚度小于所述第二子层(112)的厚度。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层(111)的数量为3层～8层，所述第二子层(112)的数量为3层～8层。
5.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述过渡层(100)还包括Al层(120)，所述Al层(120)层叠在所述复合层(110)和所述缓冲层(20)之间。
6.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Al层(120)的生长温度大于所述复合层(110)的生长温度。
7.根据权利要求6所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述Al层(120)的生长温度为1100℃～1160℃，所述复合层(110)的生长温度为450℃～600℃。
8.一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、过渡层、未掺杂氮化镓层、N型半导体层、有源层和P型半导体层；
其中，所述过渡层包括复合层，所述复合层包括多个第一子层和多个第二子层，所述多个第一子层和所述多个第二子层交替层叠在所述缓冲层上，每个所述第一子层为掺杂Si的AlN层，每个所述第二子层为掺杂Mg的AlN层。
9.根据权利要求8所述的生长方法，其特征在于，所述过渡层采用如下方式生长：
在所述缓冲层上生长Al层；
在所述Al层上交替生长第一子层和第二子层，形成复合层；
其中，所述复合层的生长温度小于所述Al层的生长温度。
10.根据权利要求9所述的生长方法，其特征在于，所述Al层的生长温度为1100℃～1160℃，所述复合层的生长温度为450℃～600℃。
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