CN113690350B - 微型发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种微型发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述微型发光二极管外延片包括基底、以及依次层叠在所述基底上的缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和电极接触层，所述基底包括依次层叠的衬底、成核层和多孔氮化镓层，所述基底还包括位于所述成核层和所述多孔氮化镓层之间的愈合层，所述愈合层为掺C和H的GaN层。该微型发光二极管外延片可以减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中，保证多量子阱层中In组分的均匀分布，最终可以提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种微型发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
GaN(氮化镓)材料是一种宽带隙(Eg＝3.39eV)半导体材料，具有优良的物理和化学特性，掺人一定比例的In或Al后，其禁带宽度可在0.77～6.28eV的宽广范围内变化，可用于制作从红光到紫外光的发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)等光电子器件，具有广阔的应用前景。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的氮化镓基LED外延片包括蓝宝石衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、N型波导层、多量子阱层和P型波导层。多量子阱层包括交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。N型层的电子和P型层的空穴在多量子阱层复合发光。
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：
由于蓝宝石衬底与GaN材料之间存在较大的晶格失配与热失配，导致GaN外延层内产生了高密度的缺陷，例如穿透位错、点缺陷等，其中Ga空位的产生即为点缺陷的一种。产生的Ga空位会从底层扩散到多量子阱层中，俘获电子，影响多量子阱层中In的分布。同时，晶格失配和热失配而导致的应变会引起压电极化，且多量子阱层中In含量越高极化效应越强，从而会降低量子阱的发光效率。
发明内容
本公开实施例提供了一种微型发光二极管外延片及其制造方法，可以减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中，保证多量子阱层中In组分的均匀分布，最终可以提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种微型发光二极管外延片，所述微型发光二极管外延片包括基底、以及依次层叠在所述基底上的缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和电极接触层，所述基底包括依次层叠的衬底、成核层和多孔氮化镓层，其特征在于，
所述基底还包括位于所述成核层和所述多孔氮化镓层之间的愈合层，所述愈合层为掺C和H的GaN层。
可选地，沿所述外延片的层叠方向，所述愈合层中C和H含量逐渐降低。
可选地，所述愈合层中的C含量由5E17-2E18cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3，所述愈合层中的H含量由2E17-8E17cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3。
可选地，所述愈合层的厚度为0.5-2um。
可选地，所述多孔氮化镓层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5E19-5E20cm-3。
可选地，所述多孔氮化镓层的厚度为20-100nm。
可选地，所述基底还包括位于所述多孔氮化镓层上的插入层，所述插入层为高温生长的掺C和H的GaN层。
可选地，所述插入层中的C含量为6E16-2E17cm-3，H含量为6E16-2E17cm-3。
可选地，所述插入层的厚度为50-200nm。
另一方面，提供了一种微型发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一基底，所述基底包括依次层叠的衬底、成核层、愈合层和多孔氮化镓层，所述愈合层为掺C和H的GaN层；
在所述基底上依次生长缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和电极接触层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在成核层和多孔氮化镓层之间生长一层愈合层，愈合层为掺C和H的GaN层。C可作为双性掺杂剂存在，使得愈合层变为高阻层，从而可以降低GaN外延层中的背景载流子浓度，减少Ga空位的扩散。掺H可以增加原子散射，同样可以减少Ga空位的扩散。因此，通过设置愈合层可以减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中，从而可以保证多量子阱层中In组分的均匀分布，进而可以减少极化效应和缺陷的产生，最终可以提高发光二极管的发光效率。
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微型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一种微型发光二极管外延片的制造方法流程图；
图3是本公开实施例提供的另一种微型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。
图1是本公开实施例提供的一种微型发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管外延片包括基底1、以及依次层叠在基底1上的缓冲层2、N型波导层3、多量子阱层4、P型波导层5和电极接触层6。基底1包括依次层叠的衬底11、成核层12和多孔氮化镓层14。
基底1还包括位于成核层12和多孔氮化镓层14之间的愈合层13，愈合层13为掺C和H的GaN层。
本公开实施例通过在成核层和多孔氮化镓层之间生长一层愈合层，愈合层为掺C和H的GaN层。C可作为双性掺杂剂存在，使得愈合层变为高阻层，从而可以降低GaN外延层中的背景载流子浓度，减少Ga空位的扩散。掺H可以增加原子散射，同样可以减少Ga空位的扩散。因此，通过设置愈合层可以减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中，从而可以保证多量子阱层中In组分的均匀分布，进而可以减少极化效应和缺陷的产生，最终可以提高发光二极管的发光效率。
在本公开实施例中，成核层12可以包括三维生长的GaN层和二维生长的GaN层，三维生长获得岛状的GaN晶格，在二维愈合中湮灭部分位错，减少位错向上延伸，从而有利于提高成核层12的晶体质量。
可选地，沿外延片的层叠方向，愈合层13中C和H含量逐渐降低。通过设置C和H含量逐渐降低，有利于实现晶体质量的缓慢过渡，从而获得高质量的愈合层，进而有利于减少下部Ga空位扩散对多量子阱层造成影响。
可选地，愈合层13中的C含量由5E17-2E18cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3，愈合层13中的H含量由2E17-8E17cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3。
若C和H的含量在初期过高，会导致生长出的愈合层13的晶体质量较差，在后期生长中难以有效保证台阶流生长。若C和H的含量在初期过低，对减少下部Ga空位扩散的效果有限。
可选地，愈合层13的厚度为0.5-2um。
若愈合层13的厚度过厚，一方面会导致资源浪费，增加后期芯片加工成本，另一方面由于衬底和GaN晶格失配会引入应力，过厚又会导致薄膜形貌异常；若愈合层13的厚度过薄，则减少下部Ga空位扩散的效果有限。
可选地，多孔氮化镓层14为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5E19-5E20cm-3。多孔氮化镓层14为具有纳米或微米尺度的多个孔的氮化镓层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
若多孔氮化镓层14中Mg的掺杂浓度过高，会影响GaN原子排布，使GaN晶体质量快速下降，从而导致生长出的多孔氮化镓层14的晶体质量较差。若多孔氮化镓层14中Mg的掺杂浓度过低，又难以实现纳米多孔结构生长。
可选地，多孔氮化镓层14的厚度为20-100nm。
若多孔氮化镓层14的厚度过厚，后续难以有效填平；若多孔氮化镓层14的厚度过薄，又难以达到有效释放应力的目的。
可选地，基底1还包括位于多孔氮化镓层14上的插入层15，插入层15为高温生长的掺C和H的GaN层。
插入层15可以起到与愈合层13同样的效果，进一步减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中。同时，高温生长有利于Ga原子和N原子获得热能进行重排，使得原子排列更倾向于完美晶体结构，获得高质量的GaN层，从而可以进一步减少空位扩散。
同时，插入层15还可以起到填平效果，使得最终得到的基底1的表面更加平坦。且本申请通过在基底中设置两层掺C和H的GaN层，可以起到双重效果，对减少Ga空位的扩散效果更好。
可选地，插入层15中的C含量为6E16-2E17cm-3，H含量为6E16-2E17cm-3。
若插入层15中C和H的含量过大，会导致生长出的插入层15的晶体质量较差；若插入层15中C含量过小，则无法起到较好的减少下部Ga空位扩散的效果。
可选地，插入层15的厚度为50-200nm。
若插入层15的厚度过厚，由于插入层的生长温度过高，又会在薄膜中引入应力，降低多量子阱层的发光效率；若插入层15的厚度过薄，则无法起到较好的减少下部Ga空位扩散的效果，且填平效果也较差。
在本公开实施例中，插入层15表面的粗糙度小于0.2-0.4nm。
可选地，衬底11为蓝宝石衬底，或者SiC衬底。
可选地，缓冲层2为未掺杂的GaN层。缓冲层可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
可选地，N型波导层3为掺Si的InGaN层，厚度为1um～2um。N型波导层3中Si的掺杂浓度为3E18cm-3-8E18cm-3，In的摩尔含量为3％-8％。
可选地，多量子阱层4包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
其中，阱层为InGaN层，厚度为1nm-3.5nm。阱层中In的摩尔含量0.2-0.4。垒层包括依次层叠的AlGaN和GaN层，AlGaN层的厚度1-2nm，Al的摩尔含量为0.15-0.3，GaN层的厚度5-10nm。
可选地，P型波导层5为掺Mg的InGaN层，厚度为200～400nm。P型波导层5中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3-5E19cm-3，In的摩尔含量为1％～4％。
可选地，电极接触层6为本征GaN层，电极接触层6的厚度为2～5nm。
图2是本公开实施例提供的一种微型发光二极管外延片的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一基底。
其中，基底包括依次层叠的衬底、成核层、愈合层和多孔氮化镓层。
示例性地，衬底为蓝宝石衬底，或者SiC衬底。成核层为未掺杂的GaN层，愈合层为掺C和H的GaN层，多孔氮化镓层为掺Mg的GaN层。
步骤202、在基底上依次生长缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和电极接触层。
可选地，缓冲层为未掺杂的GaN层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
可选地，N型波导层为掺Si的InGaN层，厚度为1um～2um。N型波导层中Si的掺杂浓度为3E18cm-3-8E18cm-3，In的摩尔含量为3％-8％。
可选地，多量子阱层包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
其中，阱层为InGaN层，厚度为1nm-3.5nm。阱层中In的摩尔含量0.2-0.4。垒层包括依次层叠的AlGaN和GaN层，AlGaN层的厚度1-2nm，Al的摩尔含量为0.15-0.3，GaN层的厚度5-10nm。
可选地，P型波导层为掺Mg的InGaN层，厚度为200～400nm。P型波导层中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3～5E19cm-3，In的摩尔含量为1％～4％。
电极接触层为本征GaN层，厚度为2～5nm。
本公开实施例通过在成核层和多孔氮化镓层之间生长一层愈合层，愈合层为掺C和H的GaN层。C可作为双性掺杂剂存在，使得愈合层变为高阻层，从而可以降低GaN外延层中的背景载流子浓度，减少Ga空位的扩散。掺H可以增加原子散射，同样可以减少Ga空位的扩散。因此，通过设置愈合层可以减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中，从而可以保证多量子阱层中In组分的均匀分布，进而可以减少极化效应和缺陷的产生，最终可以提高发光二极管的发光效率。
本公开实施例说明了微型发光二极管外延片在生长各层时的具体生长步骤，图3是本公开实施例提供的另一种微型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、提供一基底。
其中，基底包括依次层叠的衬底、成核层、愈合层、多孔氮化镓层和插入层。
示例性地，衬底为蓝宝石衬底，或者SiC衬底。成核层为未掺杂的GaN层，愈合层为掺C和H的GaN层，多孔氮化镓层为掺Mg的GaN层。插入层为高温生长的掺C和H的GaN层。
可选地，沿外延片的层叠方向，愈合层中C和H含量逐渐降低。
通过设置C和H含量逐渐降低，有利于实现晶体质量的缓慢过渡，从而获得高质量的愈合层，进而有利于减少下部Ga空位扩散对多量子阱层造成影响。
可选地，愈合层中的C含量由5E17-2E18cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3，愈合层中的H含量由2E17-8E17cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3。
若C和H的含量在初期过高，会导致生长出的愈合层的晶体质量较差，在后期生长中难以有效保证台阶流生长。若C和H的含量在初期过低，对减少下部Ga空位扩散的效果有限。
可选地，愈合层的厚度为0.5-2um。
若愈合层的厚度过厚，一方面会导致资源浪费，增加后期芯片加工成本，另一方面由于衬底和GaN晶格失配会引入应力，过厚又会导致薄膜形貌异常；若愈合层的厚度过薄，则减少下部Ga空位扩散的效果有限。
可选地，多孔氮化镓层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5E19-5E20cm-3。
多孔氮化镓层具有纳米或微米尺度的多个孔的氮化镓层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
若多孔氮化镓层中Mg的掺杂浓度过高，会影响GaN原子排布，使GaN晶体质量快速下降，从而导致生长出的多孔氮化镓层的晶体质量较差。若多孔氮化镓层中Mg的掺杂浓度过低，又难以实现纳米多孔结构生长。
可选地，多孔氮化镓层的厚度为20-100nm。
若多孔氮化镓层的厚度过厚，后续难以有效填平；若多孔氮化镓层的厚度过薄，又难以达到有效释放应力的目的。
可选地，插入层中的C含量为6E16-2E17cm-3，H含量为6E16-2E17cm-3。
插入层可以起到与愈合层同样的效果，进一步减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中。同时，高温生长有利于Ga原子和N原子获得热能进行重排，使得原子排列更倾向于完美晶体结构，获得高质量的GaN层，从而可以进一步减少空位扩散。
同时，插入层还可以起到填平效果，使得最终得到的基底的表面更加平坦。且本申请通过在基底中设置两层掺C和H的GaN层，可以起到双重效果，对减少Ga空位的扩散效果更好。
若插入层中C和H的含量过大，会导致生长出的插入层的晶体质量较差；若插入层中C含量过小，则无法起到较好的减少下部Ga空位扩散的效果。
可选地，插入层的厚度为50-200nm。
若插入层的厚度过厚，由于插入层的生长温度过高，又会在薄膜中引入应力，降低多量子阱层的发光效率；若插入层的厚度过薄，则无法起到较好的减少下部Ga空位扩散的效果，且填平效果也较差。
在本公开实施例中，插入层表面的粗糙度小于0.2-0.4nm。
示例性地，步骤301可以包括：
控制反应室温度为500～900℃，压力为200～500Torr(优选为400～500Torr)，在衬底上生长成核层；
控制反应室温度为850～1050℃，压力为200～500Torr(优选为200～300)，在成核层上生长愈合层；
控制反应室温度为900～1100℃，压力为200～500Torr(优选为300～500Torr)，在愈合层上生长多孔氮化镓层；
控制反应室温度为1150～1250℃，压力为200～500Torr(优选为200～400Torr)，在多孔氮化镓层上生长插入层。
进一步地，步骤301还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，在氢气气氛中对衬底进行6分钟～10分钟退火处理；
对衬底进行氮化处理。
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。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的制造方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为氮源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，即Si源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，即Mg源。反应室压力为100-600torr。
步骤302、在基底上生长缓冲层。
可选地，缓冲层为未掺杂的GaN层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
其中，缓冲层的厚度为200-1000nm。
示例性地，步骤302可以包括：
控制反应室温度为950-1100℃，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在多孔GaN层上生长未掺杂GaN层，气氛为氮气氛围。
步骤303、在缓冲层上生长N型波导层。
其中，N型波导层为掺Si的InGaN层，厚度为1um～2um。N型波导层中Si的掺杂浓度为3E18cm-3～8E18cm-3，In的摩尔含量为3％～8％。
示例性地，控制反应室温度为700-850℃，压力为100torr-300Torr，在缓冲层上生长N型波导层，气氛为氮氢混合气气氛，氮气和氢气的流量比为1：1～1：0。
步骤304、在N型波导层上生长多量子阱层。
可选地，多量子阱层包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
其中，阱层为InGaN层，厚度为1nm-3.5nm。阱层中In的摩尔含量0.2-0.4。垒层包括依次层叠的AlGaN和GaN层，AlGaN层的厚度1-2nm，Al的摩尔含量为0.15-0.3，GaN层的厚度5-10nm。
在本公开实施例中，多量子阱层包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
示例性地，控制反应室温度为650℃～800℃，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在N型波导层上生长多量子阱层。
步骤305、在多量子阱层上生长P型波导层。
可选地，P型波导层为掺Mg的InGaN层，厚度为200～400nm。P型波导层中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3～5E19cm-3，In的摩尔含量为1％～4％。
示例性地，控制反应室温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在多量子阱层上生长P型波导层。
步骤306、在P型波导层上生长电极接触层。
其中，电极接触层为本征GaN层，厚度为2～5nm。
示例性地，控制反应室温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在P型波导层上生长电极接触层。
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。
本公开实施例通过在成核层和多孔氮化镓层之间生长一层愈合层，愈合层为掺C和H的GaN层。C可作为双性掺杂剂存在，使得愈合层变为高阻层，从而可以降低GaN外延层中的背景载流子浓度，减少Ga空位的扩散。掺H可以增加原子散射，同样可以减少Ga空位的扩散。因此，通过设置愈合层可以减少Ga空位从底层扩散到多量子阱层中，从而可以保证多量子阱层中In组分的均匀分布，进而可以减少极化效应和缺陷的产生，最终可以提高发光二极管的发光效率。
以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种微型发光二极管外延片，所述微型发光二极管外延片包括基底、以及依次层叠在所述基底上的缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和电极接触层，所述基底包括依次层叠的衬底、成核层和多孔氮化镓层，其特征在于，
所述基底还包括位于所述成核层和所述多孔氮化镓层之间的愈合层，所述愈合层为掺C和H的GaN层。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，沿外延片的层叠方向，所述愈合层中C和H含量逐渐降低。
3.根据权利要求2所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述愈合层中的C含量由5E17-2E18cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3，所述愈合层中的H含量由2E17-8E17cm-3逐渐降低至1E16-1E17cm-3。
4.根据权利要求1所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述愈合层的厚度为0.5-2um。
5.根据权利要求1所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述多孔氮化镓层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5E19-5E20cm-3。
6.根据权利要求5所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述多孔氮化镓层的厚度为20-100nm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述基底还包括位于所述多孔氮化镓层上的插入层，所述插入层为高温生长的掺C和H的GaN层。
8.根据权利要求7所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述插入层中的C含量为6E16-2E17cm-3，H含量为6E16-2E17cm-3。
9.根据权利要求7所述的微型发光二极管外延片，其特征在于，所述插入层的厚度为50-200nm。
10.一种微型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：
提供一基底，所述基底包括依次层叠的衬底、成核层、愈合层和多孔氮化镓层，所述成核层为未掺杂的GaN层，所述愈合层为掺C和H的GaN层，所述多孔氮化镓层为掺Mg的GaN层；
在所述基底上依次生长缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和电极接触层。
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