CN114220890A - 外延片及其制作方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外延片及其制作方法和应用。所述外延片包括依次形成的缓冲层、插入层和第一半导体层；其中，所述插入层包括：形成在所述缓冲层上的第一AlInN层，以及形成在所述第一AlInN层上的第二AlInN层，所述第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，且所述第二AlInN层与第一半导体层晶格匹配。本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片，在缓冲层和第一半导体层之间生长AlInN插入层取代传统高温非故意掺杂氮化物层，在提升外延片生长质量的同时，还减小了外延片的翘曲，提高了外延片的良率。

Description

外延片及其制作方法和应用
技术领域
本发明涉及一种发光二极管外延片，特别涉及一种外延片及其制作方法和应用，属于半导体技术领域。
背景技术
GaN基发光二极管LED是一种半导体发光器件，具有寿命长、能耗低、体积小、可靠性高等优点，在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明领域发挥了越来越重要的作用。
由于自然界缺乏GaN单晶材料，体单晶GaN的生长又及其困难，故GaN材料的生长主要采用异质外延方法，由于衬底材料和III～V族氮化物半导体材料之间存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数的差异，使得外延生长高质量的氮化物材料非常困难。
通常选用的蓝宝石(Al2O3)异质外延衬底与GaN的晶格失配达16％，同时热失配大，造成外延晶体结构中存在高密度的线缺陷，外延生长高质量的氮化物材料非常困难；在生长过程中产生翘曲现象(特别是在缓冲层到N型层的生长过程中)，大尺寸(2英寸以上)衬底的翘曲更为严重，导致外延片存在不同位置的温场分布差异大、波长分布不均匀、STD良率低、外延表面等问题，故外延良率和芯片良率偏低。
现有技术中公开的氮化物LED外延层结构如图1所示，一般包括：衬底20、低温缓冲层21、非故意掺杂氮化物层22、N型氮化物层23、发光层24、电子阻挡层25和P型氮化物层26，在该结构中，非故意掺杂氮化物层一般较厚，最后形成的整个氮化物LED外延层厚度一般达6um以上，半导体材料在外延生长过程中产生应力，外延层整体处于应力状态而发生翘曲，如图2所示，使得外延衬底的加热温度不均匀，比如外延层中心温度高边沿温度低，从而使得外延层的材料均匀性和光电性能变差，尤其是大尺寸(2英寸以上)衬底，产品的良率受到限制；此外，外延层处于较大应力状态也会在后续的减薄工艺中容易出现裂片问题，影响产品的成品率，因此外延层厚度的控制严重影响外延层应力。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种外延片及其制作方法和应用，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种外延片，包括依次形成的缓冲层、插入层和第一半导体层；其中，所述插入层包括：
形成在所述缓冲层上的第一AlInN层，以及，形成在所述第一AlInN层上的第二AlInN层；其中，所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数至少为一层，所述第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，且所述第二AlInN层与第一半导体层晶格匹配。
本发明实施例提供了所述外延片的制作方法，包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长至少一层第一AlInN层和至少一层第二AlInN层，且使第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，从而形成插入层；
在所述插入层上生长形成第一半导体层，且所述第一半导体层与第二AlInN层晶格匹配。
本发明实施例提供了一种半导体发光器件，包括所述的外延片。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种外延片，在低温缓冲层和高温N型半导体层之间生长AlInN插入层取代传统非掺杂高温氮化物层，在提升外延片生长质量的同时，还减小了外延片的翘曲，提高了外延片的良率；
2)本发明实施例提供的一种外延片，还可以改善载流子注入的均匀性，降低电流拥挤效应；
3)本发明实施例提供的一种外延片的制备方法，可以降低电压和提高亮度。
附图说明
附图说明是用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制；另外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是现有技术中一种传统氮化物发光二极管外延片的结构示意图；
图2是现有技术中一种传统氮化物发光二极管外延片生长发生翘曲的示意图；
图3a是本发明一典型实施案例中提供的一种氮化物发光二极管外延片中第二AlInN层表面腐蚀坑结构的示意图；
图3b是本发明一典型实施案例中提供的一种氮化物发光二极管外延片的结构示意示意图(腐蚀坑未示出)；
图4a、图4b分别是本发明一典型实施案例中提供的一种第二AlInN层表面进行湿法腐蚀处理前后的表面SEM图；
图5a、图5b分别是传统氮化物发光二极管外延片、本发明实施例2中提供的一种氮化物发光二极管外延片载流子注入的示意图；
附图标记说明：10-石墨承载盘、11-外延片；20-衬底、21-低温缓冲层、22-高温非故意掺杂氮化物层、23-高温N型氮化物层、24-发光层、25-电子阻挡层、26-P型氮化物层；30-衬底、31-低温缓冲层、32-第一AlInN层、33-第二AlInN层、34-N型半导体层，35-有源区、36-电子阻挡层、37-P型半导体层、38-腐蚀坑洞结构。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的主要目的在于提供一种外延片，可以是氮化物发光二极管外延片，所述外延片包括衬底、依次层叠设置在衬底上的低温缓冲层、AlInN插入层、高温N型半导体层、有源区、P型半导体层，所述氮化物发光二极管外延片不含非故意掺杂半导体层，所述AlInN插入层包括层叠设置的第一AlInN层和第二AlInN层，其中第一AlInN层晶体中存在高密度的线缺陷延伸释放晶格应变应力，通过湿法腐蚀第一AlInN层延伸至第二AInN层表面的高位错中心，在第二AlInN层表面(主要是位于AlInN插入层最顶层的第二AlInN层表面)形成腐蚀坑洞结构(即前述坑洞结构，下同)，从而中断位错延伸至高温N型半导体层和有源区，进而提高外延片的生长质量，改善发光和漏电性能；再者，本发明实施例中的外延片中不生长非故意掺杂半导体层，从而降低了外延片整体的厚度，使外延片的外延翘曲更小，并提高了外延片的良率和光电性能均匀性，此外，在厚度相同的外延片中，在不设置非故意掺杂半导体层的基础上，可以通过增加高温N型半导体层厚度，改善载流子注入均匀性、降低电压和提高亮度。
本发明实施例提供了一种外延片，包括依次形成的缓冲层、插入层和第一半导体层；其中，所述插入层包括：
形成在所述缓冲层上的第一AlInN层，以及，形成在所述第一AlInN层上的第二AlInN层；其中，所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数至少为一层，所述第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，且所述第二AlInN层与第一半导体层晶格匹配。
在一些较为具体的实施方案中，所述第二AlInN层表面存在位错的部分区域被去除形成坑洞结构，所述坑洞结构被所述第一半导体层的局部区域填充。
在一些较为具体的实施方案中，当所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数大于一层时，所述第一AlInN层和第二AlInN层交替层叠设置，且所述插入层的最顶层为第二AlInN层。
在一些较为具体的实施方案中，所述插入层还包括形成在缓冲层上的第三AlInN层，所述第一AlInN层形成在所述第三AlInN层上，其中，所述第三AlInN层的生长温度高于第二AlInN层的生长温度，所述第三AlInN层中In含量低于第二AlInN层中In含量，所述第三AlInN层的厚度为20～60nm，所述第三AlInN层中In含量小于10％。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一AlInN层的In含量为20～50％，所述第二AlInN层的In含量为10～20％，所述第一AlInN层的厚度为20～200nm，所述第二AlInN层的厚度为200～500nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述的外延片还包括：
形成在第一半导体层上的有源区，
形成在有源区上的第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层的导电类型不同。
在一些较为具体的实施方案中，所述的外延片还包括电子阻挡层，所述电子阻挡层分布在所述第二半导体层和有源区之间。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一半导体层可以是N型半导体层，所述第二半导体层可以是P型半导体层。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一半导体层的厚度不超过8μm，优选为1.5-8μm。
本发明实施例提供了所述的外延片的制作方法，包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长至少一层第一AlInN层和至少一层第二AlInN层，且使第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，从而形成插入层；
在所述插入层上生长形成第一半导体层，且所述第一半导体层与第二AlInN层晶格匹配。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：对所述第二AlInN层表面进行刻蚀，使所述第二AlInN层表面存在位错的部分区域被除去而形成坑洞结构，之后在所述第二AlInN层上生长形成第一半导体层，所述坑洞结构被所述第一半导体层的局部区域填充。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法包括：
在所述缓冲层上依次交替生长多层第一AlInN层和多层第二AlInN层，从而形成所述插入层，且使所述插入层的最顶层为第二AlInN层，
对所述插入层最顶的第二AlInN层表面进行刻蚀并形成所述的坑洞结构，其中，所述第一AlInN层和第二AlInN层是采用物理和/或化学气相沉积方式生长形成，所述第一AlInN层的生长温度为450～600℃，第二AlInN层的生长温度为600～800℃。
在一些较为具体的实施方案中，所述刻蚀的方式包括湿法腐蚀或者干法刻蚀。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：先在所述缓冲层上生长第三AlInN层，之后在所述第三AlInN层上依次生长第一AlInN层和第二AlInN层，且使第三AlInN层的生长温度高于第二AlInN层的生长温度，所述第三AlInN层中In含量低于第二AlInN层中In含量，从而形成所述插入层；
其中，所述第三AlInN层是采用物理和/或化学气相沉积方式生长形成，所述第三AlInN层的生长温度为850～950℃，并且，所述第三AlInN层的厚度为20～60nm，In含量小于10％。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：在所述第一半导体层上依次生长有源区、第二半导体层，从而形成发光二极管结构，其中，所述第一半导体层和第二半导体层的导电类型不同。
在一些较为具体的实施方案中，所述第一半导体层的材质包括GaN、AlGaN、InGaN中的任意一种，但不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法还包括：在所述有源区上依次生长电子阻挡层和第二半导体层。
本发明实施例提供了一种半导体发光器件，包括所述的外延片。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的外延生长设备、具体湿法腐蚀工艺操作等均可以是本领域技术人员已知的，在此不再作具体的限定和说明。
在一些较为具体的实施方案中，一种氮化物发光二极管外延片的制作方法，可以包括如下步骤：
1)提供衬底，所述衬底可以是蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌或氧化镓衬底等；
2)在400～600℃的生长条件下，在衬底上生长低温缓冲层，所述低温缓冲层可以是氮化铝层等；可以理解的，可以采用气相沉积等方式进行所述低温缓冲层的生长；
3)在所述低温缓冲层上生长AlInN插入层，具体包括，
3.1)采用磁控溅射外延(MSE)、金属有机气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等方法，于450～600℃在所述低温缓冲层上生长形成第一AlInN层，所述第一AlInN层的厚度为20～200nm，In含量为20％～50％；
3.2)于600～800℃在所述第一AlInN层上生长第二AlInN层，第二AlInN层的厚度为200～500nm，In含量为10％～20％，优选为17％；当然，也可以依次生长形成多个第一AlInN层和多个第二AlInN层，且使所述AlInN插入层的最顶层为第二AlInN层，其中，所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数至少为一层，当所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数大于一层时，所述第一AlInN层和第二AlInN层交替层叠设置，且所述插入层的最顶层为第二AlInN层；
需要说明的是，步骤3)还可以是，采用磁控溅射外延(MSE)、金属有机气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等方法，于850～950℃在所述低温缓冲层上生长形成第三AlInN层，之后再采用磁控溅射外延(MSE)、金属有机气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等方法，于450～600℃在所述第三AlInN层上生长形成第一AlInN层；所述第三AlInN层的厚度为20～60nm，In含量小于10％，第一AlInN层的厚度为20～200nm，In含量为20％～50％；
4)采用湿法腐蚀或干法刻蚀的方式对最顶层的第二AlInN层的表面进行腐蚀，以形成腐蚀坑洞结构；
5)于1040～1200℃、100～300torr的生长条件下，在所述湿法腐蚀后的第二AlInN层表面生长形成厚度为2～8μm的N型半导体层(即前述第一半导体层，下同)，且使所述腐蚀坑洞结构被所述N型半导体层的局部区域填充，其中，所述N型半导体层具体可以是N型GaN层等，所述N型半导体层的掺杂浓度为1×1018cm～3～5×1019cm～3，所述N型半导体层的厚度为1.5-8μm；
6)于750～900℃、200～500torr的生长条件下，在所述N型半导体层生长形成有源区，所述有源区可以是1～20对周期重复交替生长的InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱发光层中InGaN量子阱层的厚度为2～8nm，GaN量子垒的厚度为6～25nm；
7)于800～1000℃、100～300torr的生长条件下，在所述有源区上生长形成厚度为15～150nm的电子阻挡层，所述电子阻挡层可以是P型AlGaN电子阻挡层，P型AlGaN电子阻挡层的掺杂浓度为1×1018cm～3～5×1020cm～3；
8)于800～1000℃、200～400torr的生长条件下，在所述电子阻挡层上生长形成厚度为20～200nm的P型半导体层(即前述第二半导体层，下同)，例如，所述P型半导体层可以是P型GaN层，P型GaN层的掺杂浓度为1×1018cm～3～5×1020cm～3。
在本实施例中，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，所述第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，第一AlInN层的生长温度相对较低，在较低的生长温度和较高的In组分条件下，第一AlInN层具有高密度位错缺陷，高密度位错缺陷向上延伸至第二AlInN层表面，在第二AlInN层表面形成密集分布的缺陷，有利于第二AlInN层表面刻蚀形成腐蚀坑洞结构；而第二AlInN层具有相对高的生长温度和相对低的In组分，可以获得较高生长质量的AlInN外延层，降低第二AlInN层中的生长过程形成的漏电通道并阻断缺陷向发光层延伸，同时可以更好匹配发光层晶格匹配，降低发光层应力，提高发光层生长质量。
如下将结合具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
请参阅图3，本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管的外延片包括从下到上依次层叠设置的衬底30、低温缓冲层31、第一AlInN层32、第二AlInN层33、N型半导体层34、有源区35、电子阻挡层36和P型半导体层37，本实施例中的发光二极管外延片结构与传统氮化物发光二极管外延片结构的主要差异在于：本实施例中在低温缓冲层与N型半导体层之间不生长非掺杂氮化物层，而是取而代之生长第一AlInN层和第二AlInN层。
实施例1
一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将衬底置于MOCVD(气相外延生长)设备的反应室中的载盘上，在1100℃、H2氛围条件下对衬底表面进行洁净处理1min；
2)将反应室内的温度调节至540℃，压力调节至100torr，在衬底上生长25nm的AlN缓冲层，生长AlN缓冲层所需的Al源为TMAl源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
3)将反应室内的温度调节至550℃，在所述AlN缓冲层上生长形成厚度为75nm的第一AlInN层，且控制第一AlInN层中的In含量为25％；
将反应室内的温度升高至750℃，以在第一AlInN层上生长形成厚度为250nm的第二AlInN层，且控制第二AlInN层中的In含量为17％，从而形成AlInN插入层；
可理解的，所述生长第一AlInN层、第二AlInN层的Al源和In源分别为TMAl源和TMIn源，氮源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
4)采用氨型蛰合剂二氨基乙烷(DAE)溶液作为腐蚀液对所述第二AlInN层的表面存在位错的部分区域进行腐蚀处理1.5h，以在第二AlInN层的表面存在位错的部分区域形成腐蚀坑洞结构，图4a和图4b分别为第二AlInN层的表面腐蚀前后的SEM图；
5)将形成的外延结构再次转移至反应室内，将反应室的温度调节至1060℃、压力调节至200torr，以在第二AlInN层被腐蚀的表面生长形成厚度为3.5μm的n-GaN层，所述第二AlInN层表面的腐蚀坑洞结构被所述n-GaN层填充；
其中，所述n-GaN层的Si掺杂浓度为8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
6)将反应室内压力调节至250torr，在n-GaN层上生长形成InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱发光层为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期为9，其中，InGaN量子阱层的厚度为3nm，生长温度为750℃，GaN垒的厚度为12nm，生长温度为830℃，生长所需的Ga源为TEG源，In源为TMIn源，N源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
7)将反应室内的温度调节至850℃、压力调节至200torr，以在InGaN/GaN量子阱发光层35上生长一层厚度为25nm的p-AlGaN电子阻挡层，所述p-AlGaN层的Mg掺杂浓度为8×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl源，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛为N2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
8)将反应室内的温度调节至930℃、压力调节至200torr，以在pAlGaN电子阻挡层上生长100nm的p-GaN层，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛切换为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整。
本实施例通过AlInN插入层的引入，在保证外延片具有良好光电性能的基础上，相比没有AlInN插入层的、厚度为6.5μm的外延片，本实施例制备的外延片厚度为5.3μm，降低了1.2μm，经测试(测试方法是本领域技术人员已知的)，本发明实施例制备的外延片的翘曲降低20％以上，光致发光波长均匀性良率提高了2.5％。
实施例2
一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将衬底置于MOCVD(气相外延生长)设备的反应室中的载盘上，在1100℃、H2氛围条件下进行衬底表面洁净处理1min；
2)将反应室内的温度调节至540℃，压力调节至300torr，在衬底上生长25nm的AlN缓冲层，生长AlN缓冲层所需的Al源为TMAl源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
3)将反应室内的温度调节至550℃，在所述AlN缓冲层上生长形成厚度为75nm的第一AlInN层，且控制第一AlInN层中的In含量为25％；
将反应室内的温度升高至750℃，以在第一AlInN层上生长形成厚度为500nm的第二AlInN层，且控制第二AlInN层中的In含量为17％，从而形成AlInN插入层；可理解的，所述生长第一AlInN层、第二AlInN层的Al源和In源分别为TMAl源和TMIn源，氮源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
4)采用氨型蛰合剂二氨基乙烷(DAE)溶液作为腐蚀液对所述所述第二AlInN层的表面存在位错的部分区域进行腐蚀处理1.5h，以在第二AlInN层的表面存在位错的部分区域形成腐蚀坑洞结构；
5)将形成的外延结构再次转移至反应室内，将反应室的温度调节至1060℃、压力调节至200torr，以在第二AlInN层被腐蚀的表面生长形成厚度为4.8μm的n-GaN层，所述第二AlInN层表面的腐蚀坑洞结构被所述n-GaN层填充；
其中，所述n-GaN层的Si掺杂浓度为8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
6)将反应室内的压力调节至250torr，在n-GaN层上生长形成InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱发光层为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期为9，其中，InGaN量子阱层的厚度为3nm，生长温度为750℃，GaN垒的厚度为12nm，生长温度为830℃，生长所需的Ga源为TEG源，In源为TMIn源，N源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
7)将反应室内的温度调节至850℃、压力调节至200torr，以在InGaN/GaN量子阱发光层上生长一层厚度为25nm的p-AlGaN电子阻挡层，所述p-AlGaN层的Mg掺杂浓度为8×1019cm-3；生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛为N2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
8)将反应室内的温度调节至930℃、压力调节至200torr，以在p-AlGaN电子阻挡层上生长100nm的p-GaN层，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛切换为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整。
本实施例通过AlInN插入层的引入，并加厚n型GaN层，以使本实施例中的外压片厚度与传统没有AlInN插入层的外延片厚度相当，即厚度为6.5μm；经测试，传统没有AlInN插入层的外延片和本实施例中外延片的载流子注入的示意图分别如图5a、图5b所示，可以看出，本实施例通过设置AlInN插入层，改善了n-GaN载流子注入均匀性，降低了电流拥挤效应，经测试，相较于未设置AlInN插入层的外延片，本发明实施例中的外延片的光输出功率提高了20％，同等芯片(面积1mm2)的电压降低了0.02～0.05V。
实施例3
本实施例与实施例2区别在于n-GaN层厚度为6μm，其余与实施例2相同。
实施例4
本实施例与实施例2区别在于n-GaN层厚度为8μm，其余与实施例2相同。
本发明实施例2、实施例3和实施例4设置不同厚度的nGaN层，通过设置AlInN插入层，可以通过增加n-GaN层厚度改善载流子注入均匀性，降低了电流拥挤效应，经测试，相较于未设置AlInN插入层的外延片，本发明实施例3、实施例4中的外延片的光输出功率提高了25％和30％，同等芯片(面积1mm2)电压分别降低了0.03～0.06V和0.05～0.1V，但是随着nGaN层厚度增加到6μm和8μm，光致发光波长均匀性std分别增加0.3nm和0.5nm，故可结合实际应用匹配工艺需求满足不同性能要求。
实施例5
一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将衬底置于MOCVD(气相外延生长)设备的反应室中的载盘上，在1100℃、H2氛围条件下对衬底表面进行洁净处理1min；
2)将反应室内的温度调节至540℃，压力调节至100torr，在衬底上生长25nm的AlN缓冲层，生长AlN缓冲层所需的Al源为TMAl源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
3)先将反应室内的温度升高至900℃，以在AlN缓冲层上生长形成厚度为30nm的第三AlInN层，且控制所述第三AlInN层的In含量为8％；
再将反应室内的温度降至600℃，在所述第三AlInN层上生长形成厚度为200nm的第一AlInN层，且控制第一AlInN层中的In含量为45％；
将反应室内的温度再次升高至800℃，以在第一AlInN层上生长形成厚度为400nm的第二AlInN层，且控制第二AlInN层中的In含量为20％，从而形成AlInN插入层；可以理解的，生长形成所述第一AlInN层、第二AlInN层、第三AlInN层的Al源和In源均分别为TMAl源和TMIn源，氮源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；4)采用氨型蛰合剂二氨基乙烷(DAE)溶液作为腐蚀液对位于最顶层的第二AlInN层的表面进行腐蚀处理1.5h，以在最顶层的第二AlInN层的表面形成腐蚀坑洞结构；
5)将形成的外延结构再次转移至反应室内，将反应室的温度调节至1060℃、压力调节至200torr，以在第二AlInN层被腐蚀的表面生长形成厚度为3.5μm的n-GaN层，所述n-GaN层的Si掺杂浓度为8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
6)将反应室内的压力调节至250torr，在n-GaN层上生长形成InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱发光层为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期为9，其中，InGaN量子阱层的厚度为3nm，生长温度为750℃，GaN垒的厚度为12nm，生长温度为830℃，生长所需的Ga源为TEG源，In源为TMIn源，N源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
7)将反应室内的温度调节至850℃、压力调节至200torr，以在InGaN/GaN量子阱发光层35上生长一层厚度为25nm的p-AlGaN电子阻挡层，所述p-AlGaN层的Mg掺杂浓度为8×1019cm-3；生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl源，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛为N2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
8)将反应室内的温度调节至930℃、压力调节至200torr，以在pAlGaN电子阻挡层上生长100nm的p-GaN层，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛切换为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
本实施例与实施例1不同之处在于：在缓冲层和第一AlInN层之间高温形成第三AlInN层，相比较实施例1，本实施例制备的外延片的翘曲增加了5％，光致发光波长均匀性std增大0.2nm，但是本实施例中的外延片的光输出功率提高了10％，同等芯片(面积1mm2)的电压相当，抗静电性能ESD提高了2％。
实施例6
一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法，具体包括如下步骤：
1)将衬底置于MOCVD(气相外延生长)设备的反应室中的载盘上，在1100℃、H2氛围条件下进行衬底表面洁净处理1min；
2)将反应室内的温度调节至540℃，压力调节至300torr，在衬底上生长25nm的AlN缓冲层，生长AlN缓冲层所需的Al源为TMAl源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
3)在AlN缓冲层生生长形成AlInN插入层：
3.1)将反应室内的温度调节至450℃，在所述AlN缓冲层上生长形成厚度为20nm的第一AlInN层，且控制第一AlInN层中的In含量为20％；
3.2)将反应室内的温度升高至600℃，以在第一AlInN层上生长形成厚度为250nm的第二AlInN层，且控制第二AlInN层中的In含量为10％，
3.3)依次重复3.1)、3.2)以在AlN缓冲层上生长形成3层第一AlInN层和3层第二AlInN层，其中，所述第一AlInN层和第二AlInN层依次交替设置，从而形成AlInN插入层；
可理解的，所述生长第一AlInN层、第二AlInN层的Al源和In源分别为TMAl源和TMIn源，氮源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
4)采用氨型蛰合剂二氨基乙烷(DAE)溶液作为腐蚀液对所述所述第二AlInN层的表面存在位错的部分区域进行腐蚀处理1.5h，以在第二AlInN层的表面存在位错的部分区域形成腐蚀坑洞结构；
5)将形成的外延结构再次转移至反应室内，将反应室的温度调节至1060℃、压力调节至200torr，以在第二AlInN层被腐蚀的表面生长形成厚度为3.5μm的n-GaN层，所述第二AlInN层表面的腐蚀坑洞结构被所述n-GaN层的局部填充；
其中，所述n-GaN层的Si掺杂浓度为8×1018cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，N源为NH3，生长气氛为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
6)将反应室内的压力调节至250torr，在n-GaN层上生长形成InGaN/GaN多量子阱发光层，所述InGaN/GaN多量子阱发光层为周期性重复交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，发光层重复周期为9，其中，InGaN量子阱层的厚度为3nm，生长温度为750℃，GaN垒的厚度为12nm，生长温度为830℃，生长所需的Ga源为TEG源，In源为TMIn源，N源为NH3，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
7)将反应室内的温度调节至850℃、压力调节至200torr，以在InGaN/GaN量子阱发光层上生长一层厚度为25nm的p-AlGaN电子阻挡层，所述p-AlGaN层的Mg掺杂浓度为8×1019cm-3；生长所需的Ga源为TMG源，Al源为TMAl，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛为N2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
8)将反应室内的温度调节至930℃、压力调节至200torr，以在p-AlGaN电子阻挡层上生长100nm的p-GaN层，所述p-GaN层的Mg掺杂浓度为5×1019cm-3，生长所需的Ga源为TMG源，Mg源为Cp2Mg源，N源为NH3，生长气氛切换为H2气氛，生长所需原料的通入流量等可以根据具体情况进行调整；
本实施例与实施例1不同之处在于：在缓冲层上形成多个交替设置的第一AlInN层和第二AlInN层，相比较实施例1，本实施例制备的外延片的翘曲和光致发光波长均匀性std与实施例1基本一致，而且本实施例中的外延片的光输出功率提高了15％，同等芯片(面积1mm2)的电压相当，抗静电性能ESD提高了3％。
对比例1
对比例1中的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：对比例1略去对第二AlInN层的表面进行腐蚀处理的步骤4)。
对比例1与实施例1相比，对比例1中的外延片的翘曲和光致发光波长均匀性std与实施例1基本一致，但是外延片的光输出功率降低了6％，同等芯片(面积1mm2)的电压相当，抗静电性能ESD降低了2％。
对比例2
对比例2中的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：对比例2将步骤3)和步骤4)合并，且对比例2中先在AlN缓冲层生长第二AlInN层，而后在所述第二AlInN层上生长形成第一AlInN层，从而获得AlInN插入层，可以理解的，对比例2中的AlInN插入层的最顶层为第一AlInN层。
对比例2与实施例1相比，对比例2中的外延片的翘曲增加8％，光致发光波长均匀性std增大0.2nm，外延片的光输出功率降低5％，同等芯片(面积1mm2)电压增大了0.02V，抗静电性能ESD降低了3％。
对比例3
对比例3中的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：对比例3略去了步骤3)和步骤4)，即形成的氮化镓基蓝绿光二极管外延片不包含AlInN插入层。
对比例3所获外延片表面严重雾化，光电性能几乎测不出，外延片报废。
本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片，在低温缓冲层和高温N型半导体之间设置由第一AlInN层和第二AlInN层组成的AlInN插入层，低温生长的第一AlInN层In组分较高，表面粗糙、材料缺陷位错较高，利用高材料缺陷的第一AlInN层释放了外延片和衬底之间的应力，并且进一步扩大了衬底与外延片之间的高密度线缺陷并延伸至第二AlInN层，而第二AlInN层In组分较低，材料质量较好，与GaN材料晶格匹配，一方面可以抑制位错继续延伸，另一方面通过湿法腐蚀第二AlInN层表面，第一AlInN层延伸至第二AInN层表面的高位错中心被腐蚀，而在第二AlInN层表面形成腐蚀坑洞结构，该腐蚀坑洞结构便于后续高温N型半导体层的横向外延材料的生长，同时，还中断了位错延伸至高温N型半导体层和有源区，提高了外延片的生长质量，改善了发光和漏电性能。
本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片，第二AlInN层的In组分与高温N型半导体层的晶格匹配，这使得后续外延片的应力较小，有利于外延片的质量提升；再者，低温缓冲层和高温N型半导体层之间不生长非故意掺杂氮化物层，整个发光二极管外延片的厚度降低，减小外延片翘曲的几率，从而提高了外延片的良率，此外，在厚度相同且不设置非掺杂高温氮化物层的基础上，可以通过增加高温N型半导体层的厚度来改善载流子注入均匀性，降低电流拥挤效应、电压和提高亮度。
本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片，在低温缓冲层和高温N型半导体层之间生长AlInN插入层取代传统非掺杂高温氮化物层，在提升外延片生长质量的同时，还减小了外延片的翘曲，提高了外延片的良率，同时，本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片，还可以改善载流子注入的均匀性，降低电流拥挤效应，以及，本发明实施例提供的一种氮化镓基蓝绿光二极管外延片的制备方法，可以降低电压和提高亮度，可用于其他半导体器件的制备，即不局限在LED领域的应用。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种外延片，其特征在于包括依次形成的缓冲层、插入层和第一半导体层；其中，所述插入层包括：
形成在所述缓冲层上的第一AlInN层，以及，形成在所述第一AlInN层上的第二AlInN层；其中，所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数至少为一层，所述第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，且所述第二AlInN层与第一半导体层晶格匹配。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于：所述第二AlInN层表面存在位错的部分区域被去除形成坑洞结构，所述坑洞结构被所述第一半导体层的局部区域填充。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于：当所述第一AlInN层和所述第二AlInN层的层数大于一层时，所述第一AlInN层和第二AlInN层交替层叠设置，且所述插入层的最顶层为第二AlInN层。
4.根据权利要求1或3所述的外延片，其特征在于：所述插入层还包括形成在缓冲层上的第三AlInN层，所述第一AlInN层形成在所述第三AlInN层上，其中，所述第三AlInN层的生长温度高于第二AlInN层的生长温度，所述第三AlInN层中In含量低于第二AlInN层中In含量，所述第三AlInN层的厚度为20～60nm，所述第三AlInN层中In含量小于10％。
5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于：所述第一AlInN层的In含量为20～50％，所述第二AlInN层的In含量为10～20％，所述第一AlInN层的厚度为20～200nm，所述第二AlInN层的厚度为200～500nm。
6.如权利要求1-5中任一项所述的外延片的制作方法，其特征在于包括：
在衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上依次生长至少一层第一AlInN层和至少一层第二AlInN层，且使第二AlInN层的生长温度高于第一AlInN层的生长温度，所述第二AlInN层中In含量低于第一AlInN层的In含量，从而形成插入层；
在所述插入层上生长形成第一半导体层，且所述第一半导体层与第二AlInN层晶格匹配。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于还包括：对所述第二AlInN层表面进行刻蚀，使所述第二AlInN层表面存在位错的部分区域被除去而形成坑洞结构，之后在所述第二AlInN层上生长形成第一半导体层，且使所述坑洞结构被所述第一半导体层的局部区域填充。
8.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于包括：
在所述缓冲层上依次交替生长多层第一AlInN层和多层第二AlInN层，从而形成所述插入层，且使所述插入层的最顶层为第二AlInN层，
对所述插入层最顶的第二AlInN层表面进行刻蚀并形成所述的坑洞结构，其中，所述第一AlInN层和第二AlInN层是采用物理和/或化学气相沉积方式生长形成，所述第一AlInN层的生长温度为450～600℃，第二AlInN层的生长温度为600～800℃。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于还包括：先在所述缓冲层上生长第三AlInN层，之后在所述第三AlInN层上依次生长第一AlInN层和第二AlInN层，且使第三AlInN层的生长温度高于第二AlInN层的生长温度，所述第三AlInN层中In含量低于第二AlInN层中In含量，从而形成所述插入层；
其中，所述第三AlInN层是采用物理和/或化学气相沉积方式生长形成，所述第三AlInN层的生长温度为850～950℃，并且，所述第三AlInN层的厚度为20～60nm，In含量小于10％。
10.一种半导体发光器件，其特征在于包括权利要求1-5中任一项所述的外延片。
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