CN113451459B - 发光二极管、外延结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光二极管、外延结构及其制作方法。该发光二极管外延结构，通过设置量子阱准备层，且量子阱准备层包括第一交替生长层和第二交替生长层，均通过氮化镓和氮化铟镓交替生长，从而有效的改善了高铟组分下氮化铟镓量子阱的晶体质量，提升了发光效率，并进一步改善了光分布的均匀性。

Description

发光二极管、外延结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种发光二极管、外延结构及其制作方法。

背景技术

在现有氮化铟镓InGaN蓝光量子阱中，In组分一般需要15-20％，而InGaN黄绿光量子阱中，In含量则更是需要高达25-35％。就目前主流的MOCVD(Metal-organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)外延工艺，生长高铟In组分、高质量的InGaN量子阱的难度依然很大，所带来的缺陷为非辐射复合提供了通道，严重恶化了长波长LED的晶体质量、发光效率及电光转换效率。

因此，如何提升发光二极管的晶体质量，提升发光效率以及电光转换效率，是亟需解决的问题。

发明内容

鉴于上述相关技术的不足，本发明的目的在于提供一种发光二极管、外延结构及其制作方法，旨在解决相关技术中，发光二极管的晶体质量差，发光效率及电光转换效率低的问题。

一种发光二极管外延结构，所述发光二极管外延结构，沿靠近衬底到远离衬底的方向依次包括：缓冲层、非掺杂层、电子注入层、量子阱准备层、量子发光层、电子阻挡层以及空穴注入层；其中，所述量子阱准备层中，沿靠近所述衬底到远离所述衬底的方向，依次包括第一交替生长层、掺杂层以及第二交替生长层；所述第一交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，所述掺杂层为氮化镓层，所述第二交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成。

上述发光二极管外延结构，通过设置量子阱准备层，且量子阱准备层包括第一交替生长层和第二交替生长层，均通过氮化镓和氮化铟镓交替生长，从而有效的改善了高铟组分下氮化铟镓量子阱的晶体质量，提升了发光效率，并进一步改善了光分布的均匀性。

在一些实施例中，生长所述第一交替生长层和第二交替生长层的载气均为纯氮气。

在一些实施例中，所述第一交替生长层中，生长氮化镓和氮化铟镓的生长温度大于等于900℃，生长压力大于等于300mbar。

在一些实施例中，所述第一交替生长层中，所述氮化镓和氮化铟镓的生长厚度均为1～5nm。

在一些实施例中，所述第一交替生长层中，所述氮化铟镓中的铟组分占比为2～5％。

在一些实施例中，所述第二交替生长层中，生长氮化镓和氮化铟镓的生长温度大于等于850℃，生长压力大于等于300mbar。

在一些实施例中，所述第二交替生长层中，所述氮化镓和氮化铟镓的生长厚度均为5～10nm。

在一些实施例中，所述第二交替生长层中，所述氮化铟镓中的铟组分占比为5～10％。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种发光二极管，所述发光二极管包括上述的发光二极管外延结构。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种发光二极管外延结构制作方法，包括：

在衬底上，依次形成缓冲层、非掺杂层以及电子注入层；

在电子注入层的表面形成量子阱准备层；所述量子阱准备层沿靠近所述衬底到远离所述衬底的方向，依次包括第一交替生长层、掺杂层以及第二交替生长层；所述第一交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，所述掺杂层为氮化镓层，所述第二交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成；

在所述量子阱准备层上，依次形成量子发光层、电子阻挡层以及空穴注入层。

上述发光二极管外延层结构的制作方法，通过设置量子阱准备层，且量子阱准备层包括第一交替生长层和第二交替生长层，均通过氮化镓和氮化铟镓交替生长，从而有效的改善了高铟组分下氮化铟镓量子阱的晶体质量，提升了发光效率，并进一步改善了光分布的均匀性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的发光二极管外延结构示意图；

图2为本发明实施例提供的发光二极管外延结构中量子阱准备层结构示意图；

图3为本发明实施例提供的V形坑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的发光二极管外延结构制作方法流程图；

图5为本发明实施例提供的发光二极管外延结构制作方法细化流程图。

附图标记说明：

100-衬底；200-缓冲层；300-非掺杂层；400-电子注入层；500-量子阱准备层；510-第一交替生长层；520-掺杂层；530-第二交替生长层；600-量子发光层；700-电子阻挡层；800-空穴注入层。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

现有方案中，在现有InGaN蓝光量子阱中，In组分一般需要15-20％，而InGaN黄绿光量子阱中，铟In含量则需要高达25-35％。就目前主流的MOCVD外延工艺，生长高In组分、高质量的InGaN量子阱的难度依然很大，主要原因在于生长高In组分InGaN量子阱通常要求更低的生长温度，在这种情况下，氨气NH₃难以裂解，原子迁移率降低，导致活性氮源不足，点缺陷增多。同时，随着In组分增加，InGaN/GaN量子阱垒间晶格失配和热失配更大，在外延生长的过程中，这种压应力累积到一定程度后会导致InGaN量子阱生长模式的转变，InGaN量子阱很难在GaN垒上进行台阶流式生长，而是倾向于在InGaN岛上同质岛状生长，形成沿着台阶流分布的二维岛状结构，造成InGaN量子阱生长表面粗糙。此外，这种压应力累积到一定程度后还会导致InGaN量子阱中产生大量的失配位错/堆垛层错，InGaN量子阱中的金属In很容易在其表面偏析形成富In团簇，甚至In滴，这些缺陷为非辐射复合提供了通道，严重恶化了长波长LED的晶体质量、发光效率及电光转换效率。

基于此，本发明希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

本实施例所示例的发光二极管外延结构，请参考图1，该发光二极管外延结构，沿靠近衬底100到远离衬底100的方向依次包括：缓冲层200、非掺杂层300、电子注入层400、量子阱准备层500、量子发光层600、电子阻挡层700以及空穴注入层800；其中，量子阱准备层500中，沿靠近衬底100到远离衬底100的方向，依次包括第一交替生长层510、掺杂层520以及第二交替生长层530；第一交替生长层510为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，掺杂层520为氮化镓层，第二交替生长层530为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成。

本实施例中的发光二极管外延结构为多层结构，在衬底100上形成；最靠近衬底100的是缓冲层(Buffer)200，其具体材质可以是氮化镓形核层；在缓冲层200上，所形成的是非掺杂层300，具体而言可以是高温非掺杂的氮化镓层u-GaN；在非掺杂层300上方，所形成的是电子注入层400，该电子注入层400具体可以是硅掺杂的氮化镓电子注入层n-GaN，即N型半导体层；然后，在电子注入层400的上方，形成量子阱准备层500，该量子阱准备层500为多层结构，其上方进一步形成量子发光层600，其材质组分可以是氮化镓和氮化铟镓混合层；量子发光层600上方是电子阻挡层700，电子阻挡层700的组成可以是p型氮化铝镓，即p-AlGaN；最后，在电子阻挡层700上，形成有空穴注入层800p-GaN，即P型半导体层。N型半导体层和P型半导体层上的电子和空穴注入到量子发光层600实现辐射复合发光。

本实施例中，量子阱准备层500为多层结构，其包括三层，请参考图2，沿靠近衬底100到远离衬底100的方向，该量子阱准备层500的层结构依次包括第一交替生长层510、掺杂层520以及第二交替生长层530；第一交替生长层510为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，掺杂层520为氮化镓层，第二交替生长层530为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成。也就是说，第一交替生长层510和第二交替生长层530都是通过氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，从而可以有效的改善高铟In组分的情况下，氮化铟镓量子阱的晶体质量，提升发光效率和改善光分布的均匀性。

在一些实施例中，第一交替生长层510和第二交替生长层530的生长周期均大于等于25。也就是说，在第一交替生长层510和第二交替生长层530中的氮化镓和氮化铟镓的交替生长的周期，不小于15。而对于第一交替生长层510而言，其氮化镓和氮化铟镓的交替生长的周期，一般而言不小于25。

在一些实施例中，生长第一交替生长层510和第二交替生长层530的载气均为纯氮气。

在一些实施例中，第一交替生长层510中，生长氮化镓和氮化铟镓的生长温度大于等于900℃，生长压力大于等于300mbar(毫巴)，也就是30000Pa(帕)，或者是30kPa(千帕)。

在一些实施例中，第一交替生长层510中，氮化镓和氮化铟镓的生长厚度均为1～5nm。

在一些实施例中，第一交替生长层510中，氮化铟镓中的铟组分占比为2～5％。

在一些实施例中，第二交替生长层530中，生长氮化镓和氮化铟镓的生长温度大于等于850℃，生长压力大于等于300mbar。第二交替生长层530中的氮化镓和氮化铟镓的生长温度略低于第一交替生长层510中的氮化镓和氮化铟镓的生长温度。

在一些实施例中，第二交替生长层530中，氮化镓和氮化铟镓的生长厚度均为5～10nm。第二交替生长层530中的氮化镓和氮化铟镓的生长厚度，大于第一交替生长层510中的氮化镓和氮化铟镓的生长厚度。

在一些实施例中，第二交替生长层530中，氮化铟镓中的铟组分占比为5～10％。第二交替生长层530中的氮化铟镓中的铟组分占比，大于第一交替生长层510中的氮化铟镓中的铟组分占比。

夹杂在第一交替生长层510和第二交替生长层530中的掺杂层520，其可以是重掺杂的氮化镓层，其载气可以是纯氢气，生长温度大于等于1000℃，生长压力大于400mbar；在该高掺杂的氮化镓层中，硅Si的掺杂浓度为1×10¹⁸atom/cm³(每立方厘米原子数)～5×10¹⁸atom/cm³，生长厚度为5-15nm。

具体的，采用本发明实施例中的量子阱准备层500的结构，可以得到以下效果：

第一交替生长层510采用低In含量生长出的InGaN/GaN超晶格结构具有更好的晶体质量，以此层作为多量子准备层在有效地降低非辐射复合的同时提高高In组分下InGaN量子阱的发光效率；

第二交替生长层530采用高In含量生长出的InGaN/GaN超晶格结构，绝大部分来源于n-GaN中的穿透位错在低温生长准备层的过程中会演变为V形坑，请参考图3，这类V形坑贯穿于后续生长的InGaN量子阱，可以有效地屏蔽位错和促进空穴注入(位错在外延生长过程中趋向于演化为V形坑，而V形坑(10-11)侧壁量子阱的有效带隙比(0001)面平台量子阱的更大，因此，在位错周围形成数百个meV大小的势垒，有效地避免了载流子被附近其它位错捕获)，从而提高高In组分下InGaN量子阱的发光效率；

第一交替生长层510和第二交替生长层530要实现以上两点效益还需要搭配两者之间的掺杂层520，通过在第一交替生长层510和第二交替生长层530之间生长一层重掺杂的GaN层，可以有效地消除第一交替生长层510和第二交替生长层530间的异质结势垒，从而达到获得高In组分下较低的工作电压、高的发光效率和高电光转换效率的目的。

本发明实施例还提供一种发光二极管，该发光二极管包括上述实施例中的发光二极管外延结构，也就是说，该发光二极管的外延结构，为本发明实施例中所公开的发光二极管外延结构。

本发明实施例还提供了一种发光二极管外延结构制作方法，请参考图4，包括：

S401.在衬底100上，依次形成缓冲层200、非掺杂层300以及电子注入层400；

S402.在电子注入层400的表面形成量子阱准备层500；量子阱准备层500沿靠近衬底100到远离衬底100的方向，依次包括第一交替生长层510、掺杂层520以及第二交替生长层530；第一交替生长层510为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，掺杂层520为氮化镓层，第二交替生长层530为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成；

S403.在量子阱准备层500上，依次形成量子发光层600、电子阻挡层700以及空穴注入层800。

具体的，本发明实施例中的发光二极管外延结构的具体制作方法，请参考图5，其包括：

S501.在衬底上生长低温GaN形核层(Buffer)；

S502.在低温GaN形核层上生长高温非掺杂的GaN层(u-GaN)；

S503.在非掺杂的高温GaN层上生长硅掺杂的GaN电子注入层(n-GaN)；

S504.在硅掺杂的GaN电子注入层上生长量子阱准备层；

S505.在量子阱准备层上生长多量子发光层(InGaN/GaN)；

S506.在多量子发光层上生长电子阻挡层(p-AlGaN)；

S507.在电子阻挡层上生长空穴注入层(p-GaN)。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性或非易失性、可移除或不可移除的介质。计算机可读存储介质包括但不限于RAM(Random Access Memory，随机存取存储器),ROM(Read-Only Memory，只读存储器),EEPROM(Electrically Erasable Programmable read only memory，带电可擦可编程只读存储器)、闪存或其他存储器技术、CD-ROM(Compact Disc Read-Only Memory，光盘只读存储器)，数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。

本发明实施例中的计算机可读存储介质可用于存储一个或者多个计算机程序，其存储的一个或者多个计算机程序可被处理器执行，以实现上述发光二极管外延结构的具体制作方法的至少一个步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机程序(或称计算机软件)，该计算机程序可以分布在计算机可读介质上，由可计算装置来执行，以实现上述发光二极管外延结构的具体制作方法的至少一个步骤；并且在某些情况下，可以采用不同于上述实施例所描述的顺序执行所示出或描述的至少一个步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读装置，该计算机可读装置上存储有如上所示的计算机程序。本发明实施例中该计算机可读装置可包括如上所示的计算机可读存储介质。

可见，本领域的技术人员应该明白，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件(可以用计算装置可执行的计算机程序代码来实现)、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。

此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、计算机程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种发光二极管外延结构，其特征在于，所述发光二极管外延结构，沿靠近衬底到远离衬底的方向依次包括：缓冲层、非掺杂层、电子注入层、量子阱准备层、量子发光层、电子阻挡层以及空穴注入层；其中，所述量子阱准备层中，沿靠近所述衬底到远离所述衬底的方向，依次包括第一交替生长层、掺杂层以及第二交替生长层；所述第一交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，所述掺杂层为氮化镓层，所述第二交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成；所述第一交替生长层中，所述氮化铟镓中的铟组分占比为2～5％。

2.如权利要求1所述的发光二极管外延结构，其特征在于，生长所述第一交替生长层和第二交替生长层的载气均为纯氮气。

3.如权利要求1或2所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述第一交替生长层中，生长氮化镓和氮化铟镓的生长温度大于等于900℃，生长压力大于等于300mbar。

4.如权利要求1或2所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述第一交替生长层中，所述氮化镓和氮化铟镓的生长厚度均为1～5nm。

5.如权利要求1或2所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述第二交替生长层中，生长氮化镓和氮化铟镓的生长温度大于等于850℃，生长压力大于等于300mbar。

6.如权利要求1或2所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述第二交替生长层中，所述氮化镓和氮化铟镓的生长厚度均为5～10nm。

7.如权利要求1或2所述的发光二极管外延结构，其特征在于，所述第二交替生长层中，所述氮化铟镓中的铟组分占比为5～10％。

8.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括如权利要求1-7任一项所述的发光二极管外延结构。

9.一种发光二极管外延结构制作方法，其特征在于，包括：

在衬底上，依次形成缓冲层、非掺杂层以及电子注入层；

在电子注入层的表面形成量子阱准备层；所述量子阱准备层沿靠近所述衬底到远离所述衬底的方向，依次包括第一交替生长层、掺杂层以及第二交替生长层；所述第一交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成，所述掺杂层为氮化镓层，所述第二交替生长层为氮化镓和氮化铟镓以超晶格的方式交替生长形成；所述第一交替生长层中，所述氮化铟镓中的铟组分占比为2～5％；

在所述量子阱准备层上，依次形成量子发光层、电子阻挡层以及空穴注入层。

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