CN114695608A - 一种led外延片、芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED外延片、芯片及其制备方法，包括p型限制层、过渡层以及GaP窗口层；过渡层包括依次生长的第一过渡子层、第二过渡子层以及第三过渡子层，第一过渡子层生长于p型限制层上，GaP窗口层生长于第三过渡子层上；其中，第一过渡子层为（AlxGa1‑x）0.5In0.5P层，其中，x从1向0渐变，第二过渡子层为GayIn1‑yP层，其中，y从0.5向1渐变，第三过渡子层为GaP层。本发明中的LED外延片、芯片及其制备方法，通过将生长三种组分依次渐变的第一过渡子层、第二过渡子层和第三过渡子层，提高晶体生长质量。

Description

一种LED外延片、芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种LED外延片、芯片及其制备方法。
背景技术
半导体二极管具有体积小、高效、节能、使用寿命长等特点而广泛应用于显示屏、背光源、传感器、通讯及照明等领域。GaAs基材料的外延生长是发展GaAs基高亮度LED和全固态半导体红光照明光源的核心技术。
目前LED外延的衬底材料为GaAs，其P型半导体包括P型限制层AlInP材料和GaP窗口层。P型半导体影响着LED外延的生长质量等多种性能，因此如何提高外延生长质量成为LED领域中亟需攻克的目标之一。
现有技术中GaP窗口层厚度较厚，由于GaP窗口层材料与衬底材料匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，增加了GaP窗口层脱落的风险，从而影响了LED的光电性能。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种LED外延片、芯片及其制备方法，解决背景技术中由于GaP窗口层与衬底材料匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，从而影响了LED的光电性能的问题。
本发明提供一种LED外延片，包括衬底，还包括依次生长于衬底上的截止层、欧姆接触层、n型电流扩展层、n型限制层、发光层、p型限制层、过渡层以及GaP窗口层；
过渡层包括依次生长的第一过渡子层、第二过渡子层以及第三过渡子层，第一过渡子层生长于p型限制层上，GaP窗口层生长于第三过渡子层上；
其中，第一过渡子层为（AlxGa1-x）0.5In0.5P层，其中，x从1向0渐变，第二过渡子层为GayIn1-yP层，其中，y从0.5向1渐变，第三过渡子层为GaP层。
本发明中的LED外延片、芯片及其制备方法，通过在p型限制层与GaP窗口层之间设置（AlxGa1-x）0.5In0.5P，并依次渐变为Al0.5In0.5P、Ga0.5In0.5P和GaP，形成第一过渡子层、第二过渡子层和第三过渡子层，三种过渡子层之间的组分依次从P型限制层的组分渐变GaP窗口层的组分，使得P型限制层与GaP窗口层之间的组分渐变生长，通过三个过渡子层依次增加了P型限制层与GaP窗口层之间的沾粘性，减少GaP窗口层脱落的风险，提高了外延生长质量，从而提高器件发光效率，整体可靠性增加，解决了背景技术中由于GaP窗口层与衬底匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，从而影响了LED的光电性能的问题。
进一步的，第一过渡子层包括由下至上依次层叠的两种掺杂浓度层，两种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递减，掺杂浓度由5E18~1E18/cm3进行渐变，两种掺杂浓度层的厚度比为3~5:1。
进一步的，第二过渡子层包括由下至上依次层叠的三种掺杂浓度层，三种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递增后递减，掺杂浓度由1E18/cm3到5E18/cm3到1E18/cm3进行渐变，三种掺杂浓度层的厚度比为1：m：1，其中m取值为3到5。
进一步的，第三过渡子层包括由下至上依次层叠的两种掺杂浓度层，两种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递增，掺杂浓度由1E18~5E18/cm3进行渐变，两种掺杂浓度层的厚度比为1：3~5。
进一步的，第一过渡子层的总厚度为200~300Å，第二过渡子层的总厚度为150~250Å，第三过渡子层的总厚度为50~800Å。
本发明还提供一种LED外延片的制备方法，方法包括：
获取一衬底；
在衬底上依次生长截止层、欧姆接触层、n型电流扩展层、n型限制层、发光层、p型限制层、过渡层以及GaP窗口层，过渡层包括依次生长的第一过渡子层、第二过渡子层以及第三过渡子层；
其中，过渡层的生长包括在p型限制层上沉积（AlxGa1-x）0.5In0.5P，x从1至0渐变，使得组分由Al0.5In0.5P渐变为Ga0.5In0.5P，形成第一过渡子层；
在第一过渡子层上沉积GayIn1-yP控制y从0.5至1渐变，使得组分由Ga0.5In0.5P渐变为GaP，形成第二过渡子层；
在第二过渡子层上沉积GaP，形成第三过渡子层。
进一步的，第一过渡子层、第二过渡子层和第三过渡子层的生长温度均为650~700度。
进一步的，第一过渡子层、第二过渡子层和第三过渡子层的生长速度均为1~10Å/s。
进一步的，第一过渡子层、第二过渡子层的生长速度均为4.5Å/s，第三过渡子层的生长速度为5Å/s。
本发明还提供一种芯片，芯片包括上述的LED外延片。
附图说明
图1为本发明实施例中LED外延片的过渡层结构示意图；
图2为本发明实施例中LED外延片结构示意图；
图3为本发明实施例中LED外延片的制备方法流程图。
主要结构符号说明：
截止层 800 n型电流扩展层 600
过渡层 200 欧姆接触层 700
p型限制层 300 第一过渡子层 210
发光层 400 第二过渡子层 220
n型限制层 500 第三过渡子层 230
GaP窗口层 100
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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若干实施例。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例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
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例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
如图1~图2所示，本实施例中提供一种LED外延片，包括依次设于在衬底上的截止层800、欧姆接触层700、n型电流扩展层600、n型限制层500、发光层400、p型限制层300、过渡层200和GaP窗口层100。该过渡层200包括由下至上依次层叠的第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230，过渡层200的掺杂元素为Mg或Zn元素。
第一过渡子层210为（AlxGa1~x）0.5In0.5P的渐变层，x在1至0之间线性渐变，也可细分n个子层进行阶梯变化，例如x依次渐变为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0。第一过渡子层210由下至上依次包括两种掺杂浓度层，两种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递减，掺杂浓度由5E18~1E18/cm3进行渐变，形成高、低两种掺杂浓度层，两种掺杂浓度层的厚度比为3~5:1。也即第一过渡子层210包括上下两种掺杂浓度层，其上层的掺杂浓度低于下层的掺杂浓度，从而形成高、低两种掺杂浓度的掺杂层。
第二过渡子层220为GayIn1~yP的渐变层，y在0.5至1之间线性渐变，也可细分为n个子层进行阶梯变化，例如y依次渐变为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1。第二过渡子层220包括三种掺杂浓度层，三种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递增后递减，掺杂浓度由1E18/cm3到5E18/cm3到1E18/cm3进行渐变，形成低、高、低三种掺杂浓度层，掺杂浓度层的厚度比为1：m：1，其中m取值为3到5。也即第二过渡子层220包括上、中、下三层掺杂浓度层，其中下层的掺杂浓度低于中层的掺杂浓度，中层的掺杂浓度高于上层的掺杂浓度，从而形成低、高、低三种浓度的掺杂层。
第三过渡子层230为GaP层，两种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递增，掺杂浓度由1E18~5E18/cm3进行渐变，形成低、高两种掺杂浓度的掺杂浓度层，掺杂浓度层的厚度比为1：3~5。也即第三过渡子层230包括上下两种掺杂浓度层，其中上层的掺杂浓度高于下层的掺杂浓度，从而形成低、高两种掺杂浓度的掺杂层。
在本实施例中，第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230的组分依次渐变生长，逐渐增加衬底与GaP窗口层之间的粘连性，使得GaP窗口层不易从衬底上脱落，提高了晶体生长质量。
进一步的，第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230的高~低、低~高~低、低~高掺杂浓度的高低掺工艺形成陡峭的界面，能够提高电流扩展能力，提高器件ESD能力，ESD能力即抗静电能力，进而提高了LED的光电性能。
在一些其他可选实施例中，本发明还提供一种芯片，芯片包括本实施例中的LED外延片。
使用本发明实施例方案制得的LED外延片与使用现有技术方案制得的LED外延片测得的发光效率如下表所示：
Figure 251919DEST_PATH_IMAGE001
其中实验序号1、2、4为本发明实施例中的技术方案，实验序号3和5为本发明实施例与现有技术的结合方案，实验序号6、7、8、9为现有技术方案，通过上述实验数据可得知，本发明实施例中的技术方案发光效率明显优于现有技术，能够明显提高LED的光电性能。
综上，本发明上述实施例当中的LED外延片，通过在p型限制层与GaP窗口层之间设置（AlxGa1-x）0.5In0.5P，并依次渐变为Al0.5In0.5P、Ga0.5In0.5P和GaP，形成第一过渡子层210、第二过渡子层和第三过渡子层，三种过渡子层之间的组分依次从P型限制层的组分渐变GaP窗口层的组分，使得P型限制层与GaP窗口层之间的组分渐变生长，通过三个过渡子层依次增加了P型限制层与GaP窗口层之间的沾粘性，减少GaP窗口层脱落的风险，提高了外延生长质量，从而提高器件发光效率，整体可靠性增加，解决了背景技术中由于GaP窗口层与衬底匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，从而影响了LED的光电性能的问题。
实施例二
如图3所示，本实施例中提供一种LED外延片的制备方法，用于制备实施例一中的LED外延片，包括以下步骤S01-S08。
步骤S01，提供一衬底。
具体地，衬底选用GaAs衬底，GaAs衬底在目前红光LED生产中广泛使用，该衬底具有制备工艺成熟，价格较低，具有很好的化学稳定性和热稳定性等优点。
步骤S02，在衬底上生长截止层800。
具体地，如图2所示，选用GaInP材料为截止层800，截止层800生长温度640~680度，截止层800的生长厚度为300~800nm。
步骤S03，在截止层800上生长欧姆接触层700。
具体地，选用GaAs欧姆接触层700，生长温度640~680度，生长厚度为50~800nm；
步骤S04，在欧姆接触层700上生长n型电流扩展层600。
具体地，选用AlGaInP电流扩展层，生长温度650~700度，生长厚度为2.5~3.5μm；
步骤S05，在n型电流扩展层600上生长n型限制层500。
具体地，n型AlInP限制层，生长温度640~680度，厚度200~400nm；
步骤S06，在n型限制层500上生长发光层400。
具体地，发光层400为多量子阱结构，生长温度640~680度，生长厚度为200~800nm；
步骤S07，在发光层400上生长p型限制层300。
具体地，p型限制层，生长温度640~680度，生长厚度为200~400nm。
步骤S08，在p型限制层300上生长过渡层200。
如图1所示，过渡层200包括依次生长的第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230。首先生长第一过渡子层210，第一过渡子层210组分为（AlxGa1-x）0.5In0.5P，在p型限制层300上沉积（AlxGa1-x）0.5In0.5P，在50s内控制x从1至0渐变，x在1至0之间线性渐变，也可细分n个子层进行阶梯变化，例如x依次渐变为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1。使得其组分由Al0.5In0.5P线性渐变为Ga0.5In0.5P，生长温度为680度，掺杂浓度由5E18/cm3变化为1E18/cm3，形成两种高低掺杂浓度的掺杂浓度层，其中两种掺杂浓度层的厚度比为4：1，掺杂元素包括Mg或Zn元素，第一过渡子层210的总厚度为270Å。
第二过渡子层220组分为GayIn1-yP，在第一过渡子层210上沉积GayIn1-yP，y在0.5至1之间线性渐变，也可细分为n个子层进行阶梯变化，例如y依次渐变为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1。在40s内组分控制组分由Ga0.5In0.5P线性渐变为GaP，生长温度680度，掺杂浓度由1E18/cm3到5E18/cm3到1E18/cm3进行变化，形成三种掺杂浓度由低至高再到低的掺杂浓度层，三种掺杂浓度的厚度比为1：4：1；第二过渡子层220的总厚度200Å。
第三过渡子层230组分为GaP，在第二过渡子层220上沉积GaP，生长温度为680度，其掺杂浓度由1E18~5E18/cm3进行变化，形成两种低高的掺杂浓度层，掺杂厚度比为1：4，第三过渡子层230的总厚度为80Å。
其中第一过渡子层210、第二过渡子层220的生长速度为4.5Å/s，第三过渡子层230的生长速度为5Å/s.
第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230的高~低、低~高~低、低~高的高低掺工艺形成陡峭的界面，能够有效减小p型限制层300以及GaP窗口层100之间的应力以及晶格缺陷，提高在p型限制层上生长晶体的质量，进而提高了LED的光电性能。
步骤S09，在过渡层200上生长GaP窗口层100；
具体地，在第三过渡子层230上生长GaP窗口层100，生长温度700~760度，厚度为1~10um。
综上，本发明上述实施例当中的LED外延片的制备方法，通过在p型限制层与GaP窗口层之间设置（AlxGa1-x）0.5In0.5P，并依次渐变为Al0.5In0.5P、Ga0.5In0.5P和GaP，形成第一过渡子层210、第二过渡子层和第三过渡子层，三种过渡子层之间的组分依次从P型限制层的组分渐变GaP窗口层的组分，使得P型限制层与GaP窗口层之间的组分渐变生长，通过三个过渡子层依次增加了P型限制层与GaP窗口层之间的沾粘性，减少GaP窗口层脱落的风险，提高了外延生长质量，从而提高器件发光效率，整体可靠性增加，解决了背景技术中由于GaP窗口层与衬底匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，从而影响了LED的光电性能的问题。
实施例三
本实施例中提供一种LED外延片的制备方法，用于制备实施例一中的LED外延片，其与实施例二的区别在于，本实施例中的过渡层200的制备方法为：
过渡层200包括依次生长的第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230。首先生长第一过渡子层210，第一过渡子层210组分为（AlxGa1-x）0.5In0.5P，x在1至0之间线性渐变，也可细分n个子层进行阶梯变化，例如x依次渐变为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0。在50s内控制组分由Al0.5In0.5P线性渐变为Ga0.5In0.5P，生长温度为700度，掺杂浓度由5E18/cm3变化为1E18/cm3，总厚度为300Å，其中高掺杂与低掺杂厚度比为5：1，掺杂元素包括Mg或Zn元素。
第二过渡子层220组分为GayIn1-yP，y在0.5至1之间线性渐变，也可细分为n个子层进行阶梯变化，例如y依次渐变为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1。在40s内组分控制组分由Ga0.5In0.5P线性渐变为GaP，生长温度650度，掺杂浓度为1E18/cm3到5E18/cm3到1E18/cm3，总厚度150Å，掺杂厚度比为1：5：1；
第三过渡子层230组分为GaP，生长温度为650度，总厚度为800Å，掺杂浓度由1E18/cm3变化为5E18/cm3，掺杂厚度比为1：5。
其中第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230的生长速度为10Å/s。
综上，本发明上述实施例当中的LED外延片的制备方法，通过在p型限制层与GaP窗口层之间设置（AlxGa1-x）0.5In0.5P，并依次渐变为Al0.5In0.5P、Ga0.5In0.5P和GaP，形成第一过渡子层210、第二过渡子层和第三过渡子层，三种过渡子层之间的组分依次从P型限制层的组分渐变GaP窗口层的组分，使得P型限制层与GaP窗口层之间的组分渐变生长，通过三个过渡子层依次增加了P型限制层与GaP窗口层之间的沾粘性，减少GaP窗口层脱落的风险，提高了外延生长质量，从而提高器件发光效率，整体可靠性增加，解决了背景技术中由于GaP窗口层与衬底匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，从而影响了LED的光电性能的问题。
实施例四
本实施例中提供一种LED外延片的制备方法，用于制备实施例一中的LED外延片，其与实施例二的区别在于，本实施例中的过渡层200的制备方法为：
具体地，过渡层200包括依次生长的第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230。首先生长第一过渡子层210，第一过渡子层210组分为（AlxGa1-x）0.5In0.5P，x在1至0之间线性渐变，也可细分n个子层进行阶梯变化，例如x依次渐变为0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0。在50s内控制组分由Al0.5In0.5P线性渐变为Ga0.5In0.5P，生长温度为650度，掺杂浓度由5E18/cm3变化为1E18/cm3，总厚度为200Å，其中高掺杂与低掺杂厚度比为3：1，掺杂元素包括Mg或Zn元素；
第二过渡子层220组分为GayIn1-yP，y在0.5至1之间线性渐变，也可细分为n个子层进行阶梯变化，例如y依次渐变为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1。在40s内组分控制组分由Ga0.5In0.5P线性渐变为GaP，生长温度700度，掺杂浓度为1E18/cm3到5E18/cm3到1E18/cm3，总厚度250Å，掺杂厚度比为1：3：1；
第三过渡子层230组分为GaP，生长温度为700度，总厚度为50Å，掺杂浓度为1E18~5E18/cm3，掺杂厚度比为1：3。
其中第一过渡子层210、第二过渡子层220和第三过渡子层230的生长速度为1Å/s。
综上，本发明上述实施例当中的LED外延片的制备方法，通过在p型限制层与GaP窗口层之间设置（AlxGa1-x）0.5In0.5P，并依次渐变为Al0.5In0.5P、Ga0.5In0.5P和GaP，形成第一过渡子层210、第二过渡子层和第三过渡子层，三种过渡子层之间的组分依次从P型限制层的组分渐变GaP窗口层的组分，使得P型限制层与GaP窗口层之间的组分渐变生长，通过三个过渡子层依次增加了P型限制层与GaP窗口层之间的沾粘性，减少GaP窗口层脱落的风险，提高了外延生长质量，从而提高器件发光效率，整体可靠性增加，解决了背景技术中由于GaP窗口层与衬底匹配相差较大，导致外延生长容易翘曲，从而影响了LED的光电性能的问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种LED外延片，包括衬底，其特征在于，还包括依次生长于所述衬底上的截止层、欧姆接触层、n型电流扩展层、n型限制层、发光层、p型限制层、过渡层以及GaP窗口层；
所述过渡层包括依次生长的第一过渡子层、第二过渡子层以及第三过渡子层，所述第一过渡子层生长于所述p型限制层上，所述GaP窗口层生长于所述第三过渡子层上；
其中，所述第一过渡子层为（AlxGa1-x）0.5In0.5P层，其中，x从1向0渐变，所述第二过渡子层为GayIn1-yP层，其中，y从0.5向1渐变，所述第三过渡子层为GaP层。
2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一过渡子层包括由下至上依次层叠的两种掺杂浓度层，两种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递减，掺杂浓度由5E18~1E18/cm3进行渐变，两种掺杂浓度层的厚度比为3~5:1。
3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第二过渡子层包括由下至上依次层叠的三种掺杂浓度层，三种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递增后递减，掺杂浓度由1E18/cm3到5E18/cm3到1E18/cm3进行渐变，三种掺杂浓度层的厚度比为1：m：1，其中m取值为3到5。
4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第三过渡子层包括由下至上依次层叠的两种掺杂浓度层，两种掺杂浓度层的掺杂浓度依次递增，掺杂浓度由1E18~5E18/cm3进行渐变，两种掺杂浓度层的厚度比为1：3~5。
5.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一过渡子层的总厚度为200~300Å，所述第二过渡子层的总厚度为150~250Å，所述第三过渡子层的总厚度为50~800Å。
6.一种LED外延片的制备方法，其特征在于，用于制备上述权利要求1~4任意一项所述的LED外延片，所述方法包括：
获取一衬底；
在所述衬底上依次生长截止层、欧姆接触层、n型电流扩展层、n型限制层、发光层、p型限制层、过渡层以及GaP窗口层，所述过渡层包括依次生长的第一过渡子层、第二过渡子层以及第三过渡子层；
其中，所述过渡层的生长包括在所述p型限制层上沉积（AlxGa1-x）0.5In0.5P，x从1至0渐变，使得组分由Al0.5In0.5P渐变为Ga0.5In0.5P，形成第一过渡子层；
在所述第一过渡子层上沉积GayIn1-yP控制y从0.5至1渐变，使得组分由所述Ga0.5In0.5P渐变为GaP，形成第二过渡子层；
在所述第二过渡子层上沉积GaP，形成第三过渡子层。
7.根据权利要求6所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一过渡子层、第二过渡子层和第三过渡子层的生长温度均为650~700度。
8.根据权利要求6所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一过渡子层、所述第二过渡子层和所述第三过渡子层的生长速度均为1~10Å/s。
9.根据权利要求6所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一过渡子层、所述第二过渡子层的生长速度均为4.5Å/s，所述第三过渡子层的生长速度为5Å/s。
10.一种芯片，其特征在于，所述芯片包括权利要求1~5任意一项所述的LED外延片。
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