WO2017092450A1 - 一种发光二极管外延片结构及制备方法 - Google Patents

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WO2017092450A1
WO2017092450A1 PCT/CN2016/097807 CN2016097807W WO2017092450A1 WO 2017092450 A1 WO2017092450 A1 WO 2017092450A1 CN 2016097807 W CN2016097807 W CN 2016097807W WO 2017092450 A1 WO2017092450 A1 WO 2017092450A1
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layer
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ugan
emitting diode
mgn
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舒立明
王良均
刘晓峰
张东炎
叶大千
王笃祥
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天津三安光电有限公司
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    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Definitions

  • the present invention relates to the field of semiconductor devices, and in particular, to an epitaxial structure and a method for fabricating the same.
  • a light-emitting diode (Light Emitting Diode in English, abbreviated as LED) is a semiconductor solid-state light-emitting device that utilizes a semiconductor PN junction as a light-emitting structure.
  • gallium nitride (GaN) is regarded as a third-generation semiconductor material.
  • Gallium nitride-based light-emitting diodes in the InGaN/GaN active region are considered to be the most promising sources of illumination today.
  • the N-type region and the P-type region often adopt a uniform structure or a miscellaneous layer and a non-depleted layer to form a superlattice structure, and the current structure expansion capability is weak.
  • the antistatic ability and reverse leakage performance are poor; the superlattice structure is superior to the homogenous structure, but in the actual epitaxial preparation process, due to the diffusion effect at high temperature, the miscellaneous source will diffuse to the non-discrete layer, resulting in two Dimensional electron gas concentration cannot meet the design requirements.
  • the present invention provides a light-emitting diode epitaxial wafer structure and a preparation method thereof, including the following technical solutions: 1 providing a substrate; 2) sequentially growing a buffer layer, a non-tough gallium nitride layer, an N-type region on the substrate, a multi-quantum well active region, an electron blocking layer, a P-type region, and a P-type contact layer; 3) characterized by: forming a N-type region and a P using a superlattice structure of NGaN/N-UGaN and PGaN/P-UGaN, respectively In the pattern region, an SiN layer is interposed between NGaN and N-UGaN in the N-type region, and an MgN layer is interposed between PGaN and P-UGaN in the P-type region.
  • a SiN layer is interposed between the N-type region NGaN and the N-UGaN, and the SiN layer has a thickness of 0.
  • a MgN layer is interposed between PGaN and P-UGaN in the P-type region, and the thickness of the MgN layer is 0.0001 to 10 nm.
  • any NGaN layer, N-UGaN layer, PGaN layer, and P-UGaN layer in the epitaxial structure are respectively used NA1 Jn y Ga x — y N, N-UA1 Jn y Ga x — y N layer, PA1 Jn y Ga x — y N layer, P-UA1 Jn y Ga x — y N layer replacement (0 ⁇ x ⁇ l, 0 ⁇ y ⁇ l).
  • the number of superlattice loops in the N-type region and the P-type region in the epitaxial structure is at least one.
  • the N-UGaN layer in the N-type region and the P-UGaN layer in the P-type region are respectively inserted into the SiN layer and the MgN layer.
  • the thickness of the SiN layer in the N-type region and the MgN layer in the P-type region in the epitaxial structure are consistent, or linearly increasing or decreasing sequentially, or in a zigzag, rectangular, Gaussian, or stepped manner.
  • the UGaN layer has a single layer thickness of less than 5 ⁇ m.
  • the NGaN layer, the N-UGaN layer, and the P in different loops in the ⁇ -type region and the ⁇ -type region
  • the thickness of the GaN layer and the P-UGaN layer are uniform or sequentially linearly increasing or decreasing, or are sawtooth, rectangular, Gaussian, and stepped.
  • the concentration of Si in the N-type region and the concentration of Mg in the P-type region are consistent, or linearly increasing or decreasing sequentially, or in a zigzag, rectangular, Gaussian distribution, stepped distribution .
  • the present invention provides a light-emitting diode epitaxial wafer structure and a preparation method thereof, and the advantages thereof include: inserting a SiN layer and a superlattice structure P-type PGaN between NGaN and N-UGaN in a N-type region of a superlattice structure
  • the MgN layer is interposed between P-UGaN, and the SiN and MgN insertion layers of a certain thickness function to repair dislocations. Under the condition of the same dislocation level, it has the ability to sneak into higher concentrations of Si and Mg, and the thin mask layer composed of SiN and MgN has certain binding ability to electrons and holes, which can improve the concentration of two-dimensional electron gas. Degree, enhance antistatic ability.
  • the growth mode can be completed by using a conventional epitaxial thin film growth apparatus such as M0CVD, and the invention can be achieved only by modifying the epitaxial layer structure, and has strong operability and high commercial value.
  • FIG. 1 is a schematic structural view of an epitaxial wafer of a nitride light emitting diode according to the present invention.
  • the active region, 6 is an electron blocking layer, 7 is a P-type region, and 8 is a P-type contact layer.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the structure of an N-type region of the epitaxial wafer of the nitride light emitting diode of FIG. 1.
  • a i ⁇ A n is the NGAN layer of the sinister Si
  • B ! B commit is the non-disruptive N-UGAN layer
  • C ! ⁇ C n is the SiN layer
  • n is the loop (loop).
  • FIG. 3 is a schematic view showing the structure of a P-type region of the epitaxial wafer of the nitride light emitting diode of FIG. 1.
  • D is the PGAN layer of the uncomfortable Mg
  • E fie is the non-disruptive P-UGAN layer
  • F ! F n is the MgN layer
  • n is the loop (loop).
  • the preparation process in this embodiment includes, in order from bottom to top, (1) a sapphire substrate 1; (2) a low temperature buffer layer 2, which may be GaN or aluminum nitride or aluminum gallium nitride or a combination thereof, the film thickness is between 10 and 100 nm; (3) the non-disintegrated gallium nitride layer 3, the film thickness is between 300 and 7000 nm, preferably 3,500 nm; N-type region 4, adopts superlattice structure, in which the miscellaneous layer is NGaN layer, the miscellaneous source is silane, and the impurity concentration is lxl0 18 ⁇ lxl0 2o C m - 3
  • the non-tacky layer is an N-UGaN layer, that is, a non-tacky gallium nitride layer, wherein the thickness of the NGaN layer and the N-UGaN layer are both within 5 ⁇ , preferably 0.2 ⁇ , between the NGAN and N-UGaN growth layers.
  • the growth temperature is constant, only the ammonia gas and silane are used to grow the SiN mask layer, and the growth thickness is between 0.0001 and 10 nm, preferably 0.05 ⁇ m thick; the above is a loop, preferably 10 cycles to form an N-type region, such as 2; (5) multiple quantum well active region 5, with InGaN as a well layer, GaN or AlGaN or a combination of both as a barrier layer, wherein the barrier layer thickness is between 50 and 150 nm, and the thickness of the well layer is (6)
  • the electron blocking layer 6 is an aluminum gallium nitride layer with a film thickness of between 1 nm and 100 nm; (7) P-type region 7 adopts a superlattice structure, wherein the miscellaneous layer is a PGaN layer
  • the miscellaneous source is the Mg source, and the miscellaneous concentration is between Ixl0 18 ⁇ lxl0 21 cm - 3 , preferably 3 x 10 19 cm
  • the thickness of the NGaN layer, the N-UG aN layer, the PGaN layer, and the P-UGaN layer in different loops in the N-type region and the P-type region in the epitaxial structure may be consistent or linear.
  • the thickness of the MgN layer in the SiN layer and the P-type region in the N-type region may be uniform, or may be linearly increasing or decreasing, or being sawtooth, Rectangular, Gaussian distribution, stepped distribution; Si concentration in the N-type zone, Mg concentration in the P-type zone are consistent, or can be linearly increasing or decreasing sequentially, or in a zigzag, rectangular, Gaussian distribution, stepped distribution .
  • the present invention inserts a SiN and MgN mask layer between the superlattice growth layers in the N-type region and the P-type region, respectively, in the subsequent GaN material growth process in the mask layer.
  • a SiN and MgN mask layer between the superlattice growth layers in the N-type region and the P-type region, respectively, in the subsequent GaN material growth process in the mask layer.
  • the surface of GaN material exhibits nitrogen polarity, SiN and MgN exist in the in-situ mask mode and the thickness is thin; the mask layer will block the electrons and holes; improve the concentration of two-dimensional electron gas. , enhance current expansion capability.
  • the N-UGaN layer and the P-UGaN layer may adopt non-disruptive Al Jn yGa ⁇ — y N instead, NGaN layer and PGaN layer can be replaced by the cumbersome Al Jn y Ga x — y N.
  • the Al composition and the In composition can raise or lower the barrier height and further increase the two-dimensional electron gas concentration.
  • SiN and MgN are respectively inserted into the N-UGaN layer in the N-type region and the P-UGaN layer in the P-type region to further reduce the masking of SiN and MgN.
  • the poor concentration of the film layer reduces the diffusion of Si and Mg, and further enhances the concentration of two-dimensional electron gas.

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Abstract

一种发光二极管外延片结构及制备方法，由下至上包括：衬底（1）、缓冲层（2）、非掺氮化镓层（3）、N型区（4）、多量子阱有源区（5）、电子阻挡层（6）、P型区（7）以及P型接触层（8）；其特征在于：分别采用NGaN（A1－An）/N-UGaN（B1－Bn-1）和PGaN（D1－Dn）/P-UGaN（E1－En-1）的超晶格结构形成N型区（4）和P型区（7），在N型区（4）的NGaN（A1－An）与N-UGaN（B1－Bn-1）之间插入SiN层（C1－Cn-1），在P型区（7）的PGaN（D1－Dn）和P-UGaN（E1－En-1）之间插入MgN层（F1－Fn-1）。籍由一定厚度的SiN（C1－Cn-1）和MgN（F1－Fn-1）插入层发挥修复位错的作用，在同位错级别条件下具备掺入更高浓度的Si和Mg的能力，且SiN和MgN构成的较薄掩膜层对电子和空穴具备一定的束缚能力，可提高二维电子气的存在集中度，增强抗静电能力。

Description

说明书 发明名称：一种发光二极管外延片结构及制备方法 技术领域
[0001] 本发明涉及半导体器件领域， 尤其涉及一种发光二极管的外延结构及制备方法 背景技术
[0002] 发光二极管 （英文为 Light Emitting Diode, 缩写为 LED) 是一种半导体固体发 光器件， 其利用半导体 PN结作为发光结构， 目前氮化镓 （GaN) 被视为第三代 半导体材料， 具备 InGaN/GaN有源区的氮化镓基发光二极管被视为当今最有潜力 的发光源。
技术问题
[0003] 在传统的氮化镓基二极管外延片结构中， N型区和 P型区往往采用均惨结构或 惨杂层与非惨层构成超晶格结构， 均惨结构电流扩展能力较弱， 抗静电能力和 反向漏电性能较差； 超晶格结构优于均惨结构， 但在实际外延制备过程中， 由 于高温下的扩散影响， 惨杂源会向非惨杂层扩散， 造成二维电子气集中度无法 达到设计要求。
问题的解决方案
技术解决方案
[0004] 本发明提供一种发光二极管外延片结构及制备方法， 包括以下技术方案： 1 提供一衬底； 2) 在衬底上依次生长缓冲层、 非惨氮化镓层、 N型区、 多量子阱 有源区、 电子阻挡层、 P型区以及 P型接触层； 3) 其特征在于： 分别采用 NGaN/ N-UGaN和 PGaN/P-UGaN的超晶格结构形成 N型区和 P型区， 在 N型区的 NGaN与 N-UGaN之间插入 SiN层， 在 P型区的 PGaN与 P-UGaN之间插入 MgN层。
[0005] 进一步地， 外延结构中 N型区 NGaN与 N-UGaN之间插入 SiN层， SiN层厚度为 0.
0001~10nm; 外延结构中 P型区的 PGaN与 P-UGaN之间插入 MgN层， MgN层厚度 为 0.0001~10nm。
[0006] 进一步地， 外延结构中任一 NGaN层、 N-UGaN层、 PGaN层、 P-UGaN层分别用 NA1 Jn yGa x— yN、 N-UA1 Jn yGa x— yN层、 PA1 Jn yGa x— yN层、 P-UA1 Jn yGa x— yN 层替换 （0≤x≤l， 0<y≤l) 。
[0007] 进一步地， 外延结构中 N型区和 P型区中的超晶格 loop (循环） 数至少是 1个。
[0008] 进一步地， 在所述外延结构中 N型区内的 N-UGaN层和 P型区内的 P-UGaN层分 别插入 SiN层与 MgN层。
[0009] 进一步地， 外延结构中 N型区内的 SiN层、 P型区内的 MgN层厚度保持一致， 或 依次线性递增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高斯分布、 阶梯状分布。
[0010] 进一步地， 外延结构中 N型区和 P型区中的 NGaN层、 N-UGaN层、 PGaN层、 P-
UGaN层单层厚度小于 5μηι。
[0011] 进一步地， 外延结构中 Ν型区和 Ρ型区中不同 loop内的 NGaN层、 N-UGaN层、 P
GaN层、 P-UGaN层厚度保持一致或依次线性递增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高 斯分布、 阶梯状分布。
[0012] 进一步地， 所述外延结构中 N型区内的 Si惨浓度、 P型区内的 Mg惨浓度保持一 致， 或依次线性递增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高斯分布、 阶梯状分布。
发明的有益效果
有益效果
[0013] 本发明提供发光二极管外延片结构及制备方法， 其优点包括： 藉由超晶格结构 N型区的 NGaN与 N-UGaN之间插入 SiN层、 超晶格结构 P型区的 PGaN与 P-UGaN 之间插入 MgN层， 一定厚度的 SiN和 MgN插入层发挥修复位错的作用。 在同位错 级别条件下具备惨入更高浓度的 Si和 Mg的能力， 且 SiN和 MgN构成的较薄掩膜层 对电子和空穴具备一定的束缚能力， 可提高二维电子气的存在集中度， 增强抗 静电能力。
[0014] 该生长模式利用 M0CVD等常规外延薄膜生长设备即可完成， 且仅通过更改外 延层结构即可达到发明目的， 具有较强的可操作性和较高的商业价值。
对附图的简要说明
附图说明
[0015] 图 1为本发明中一种氮化物发光二极管外延片结构示意图。
[0016] 图中标示： 1为衬底， 2为缓冲层， 3为非惨氮化镓层， 4为 N型区， 5为多量子阱 有源区， 6为电子阻挡层， 7为 P型区， 8为 P型接触层。
[0017] 图 2为图 1中氮化物发光二极管外延片 N型区结构示意图。
[0018] 图中标示： A i~A n为惨 Si的 NGAN层， B ! B„为非惨的 N-UGAN层， C !~C n 为 SiN层， n为 loop (循环） 。
[0019] 图 3为图 1中氮化物发光二极管外延片 P型区结构示意图。
[0020] 图中标示： D 为惨 Mg的 PGAN层， E „为非惨的 P-UGAN层， F ! F n 为 MgN层， n为 loop (循环） 。
本发明的实施方式
[0021] 为使本发明更易于理解其实质性特点及其所具的实用性， 下面便结合附图对本 发明若干具体实施例作进一步的详细说明， 但需要说明的是以下关于实施例的 描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
实施例
[0022] 图 1为本发明中一种氮化物发光二极管外延片结构示意图， 本实施例中制备工 艺由下至上依次包括： （1) 蓝宝石衬底 1 ; (2) 低温缓冲层 2， 可以为氮化镓 或氮化铝或或铝镓氮或前述组合， 膜厚在 10~100nm之间； （3) 非惨氮化镓层 3 ， 膜厚在 300~7000nm之间， 优选 3500nm; (4) N型区 4， 采用超晶格结构， 其 中惨杂层为 NGaN层， 惨杂源为硅烷， 惨杂浓度在 lxl0 18~lxl0 2oCm -3
之间， 优选 2xl0 19cm - 3
； 非惨杂层为 N-UGaN层， 即非惨杂氮化镓层， 其中 NGaN层和 N-UGaN层厚度均 在 5μηι以内， 优选 0.2μηι， 在 NGAN和 N-UGaN生长层之间， 保持生长温度恒定， 仅通入氨气和硅烷生长 SiN掩膜层， 生长厚度 0.0001~10nm之间， 优选厚度 0.05η m; 以上为一个循环 （loop) ， 优选生长 10个循环构成 N型区， 如图 2所示； （5 ) 多量子阱有源区 5， 以 InGaN作为阱层、 以 GaN或 AlGaN或二者组合作为垒层 构成， 其中垒层厚度在 50~150nm之间、 阱层厚度在 l~20nm之间； （6) 电子阻 挡层 6， 为铝镓氮层， 膜厚在 l~100nm之间； （7) P型区 7， 采用超晶格结构， 其 中惨杂层为 PGaN层， 惨杂源为 Mg源， 惨杂浓度在 Ixl0 18~lxl0 21cm -3之间， 优 选 3x10 19cm 3 ； 非惨杂层为 P-UGaN层， 即非惨氮化镓层， 其中 PGaN层和 P-UGaN层厚度均在 5 μηι以内， 优选 0.02μηι， 在 PGaN和 P-UGaN生长层之间， 保持生长温度恒定， 仅 通入氨气和 Mg源生长 MgN掩膜层， 生长厚度在 0.0001~10nm之间， 优选 0.02nm ； 以上为一个循环， 优选生长 10个循环构成 P型区， 如图 3所示； （8) 高惨 P型 接触层 8， 惨杂浓度大于 1x10 21cm -3， 厚度小于 0.05nm。
[0023] 需要说明的是， 上述外延结构中 N型区和 P型区中不同 loop内的 NGaN层、 N-UG aN层、 PGaN层、 P-UGaN层厚度可以保持一致， 也可以是依次线性递增或递减 、 或呈锯齿、 矩形、 高斯分布、 阶梯状分布； N型区内的 SiN层、 P型区内的 MgN 层厚度可以保持一致， 也可以是依次线性递增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高斯 分布、 阶梯状分布； N型区内的 Si惨浓度、 P型区内的 Mg惨浓度保持一致， 也可 以是依次线性递增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高斯分布、 阶梯状分布。
[0024] 作为本发明的一个具体实施例， 本发明通过分别在 N型区和 P型区中的超晶格 生长层之间插入 SiN和 MgN掩膜层， 在掩膜层后续 GaN材料生长过程中会存在填 充、 横向生长的过程， 以降低超晶格中惨杂层的位错密度， 提高晶体质量或在 同位错条件下获得更高的惨杂浓度； 同吋由于在仅通入氨气条件下， GaN材料表 面呈现氮极性， SiN和 MgN以原位掩膜方式存在且厚度较薄； 掩膜层会对电子和 空穴起到一定的阻挡作用； 提高二维电子气的集中度， 增强电流扩展能力。
[0025] 作为本实施例中第一个实施例变形， 在所述 N型区、 P型区超晶格结构生长过 程中， N-UGaN层与 P-UGaN层可采用非惨 Al Jn yGa ^— yN代替、 NGaN层和 PGaN 层可采用惨杂的 Al Jn yGa x— yN代替， Al组分和 In组分可升高或降低势垒高度， 进一步提高二维电子气浓度。
[0026] 作为本实施例中第二个实施例变形， 将 SiN和 MgN分别插入 N型区内的 N-UGaN 层和 P型区内的 P-UGaN层中， 以进一步降低靠近 SiN和 MgN掩膜层的惨杂浓度， 降低 Si与 Mg的扩散， 进一步提升二维电子气集中度。
[0027] 以上所述仅为本发明的优选实施方式， 并不用于限制本发明， 对于本领域的技 术人员来说， 本发明可以有各种更改、 润饰和变化。 凡在本发明的精神和原则 之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进均视为在本发明的保护范围之内。

Claims

权利要求书
一种发光二极管， 外延片结构包括：
衬底， 依次形成于衬底上的缓冲层、 非惨氮化镓层、 N型区、 多量子 阱有源区、 电子阻挡层、 P型区以及 P型接触层； 其特征在于： 分别 采用 NGaN/N-UGaN和 PGaN/P-UGaN的超晶格结构形成 N型区和 P型区 ， 在 N型区的 NGaN与 N-UGaN之间插入 SiN层， 在 P型区的 PGaN与 P- UGaN之间插入 MgN层。
根据权利要求 1所述的一种发光二极管， 其特征在于： 所述 SiN层厚度 为 0.0001~10nm，
所述 MgN层厚度为 0.0001~10nm。
根据权利要求 1所述的一种发光二极管， 其特征在于： 所述外延结构 中 NGaN层、 N-UGaN层、 PGaN层、 P-UGaN层分别用 NA1 xIn yGa N、 N-U Al xIn yGa i— x— yN层、 P-Al xIn yGa x— yN层、 P-UA1 xIn yGa x— yN 层替换 （0≤x≤l， 0<y≤l) 。
根据权利要求 1所述的一种发光二极管， 其特征在于： 所述外延结构 中 N型区和 P型区中的超晶格循环数至少是 1个。
根据权利要求 1所述的一种发光二极管， 其特征在于： 在所述外延结 构中 N型区内的 N-UGaN层和 P型区内的 P-UGaN层分别插入 SiN层与 M gN层。
根据权利要求 1所述的一种发光二极管， 其特征在于： 所述外延结构 中 N型区内的 SiN层、 P型区内的 MgN层厚度保持一致、 或依次线性递 增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高斯分布、 阶梯状分布。
根据权利要求 1所述的一种发光二极管， 其特征在于： 所述外延结构 中 NGaN层、 N-UGaN层、 PGaN层、 P-UGaN层厚度保持一致， 或依 次线性递增或递减、 或呈锯齿、 矩形、 高斯分布、 阶梯状分布。 一种发光二极管外延片结构的制备方法， 包括：
1) 提供一衬底； 源区、 电子阻挡层、 P型区以及 P型接触层； 其特征在于： 分别采用 N GaN/N-UGaN、 PGaN/P-UGaN的超晶格结构生长 N型区和 P型区， 在 N 型区的 NGaN与 N-UGaN之间插入 SiN层， 在 P型区的 PGaN与 P-UGaN 之间插入 MgN层。
[权利要求 9] 根据权利要求 8所述的一种发光二极管外延片结构的制备方法， 其特 征在于： 所述 SiN层通过通入氨气和硅烷生长获得， 所述 MgN层通过 通入氨气和 Mg源生长获得。
[权利要求 10] 根据权利要求 8所述的一种发光二极管外延片结构的制备方法， 其特 征在于： 在所述外延结构中 N型区内的 N-UGaN层和 P型区内的 P-UGa N层分别插入 SiN层与 MgN层。
PCT/CN2016/097807 2015-11-30 2016-09-01 一种发光二极管外延片结构及制备方法 WO2017092450A1 (zh)

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