一种发光二极管的外延片及其生长方法
【专利摘要】本发明公开了一种发光二极管的外延片及其生长方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、电流扩展层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，量子垒层为GaN层，量子阱层包括依次层叠的InxGa1?xN层、InN层、InyGa1?yN层，0.4＜x＜0.9，0.1＜y＜0.5。本发明利用在InGaN层中插入InN层，提高In量子点的组成，提供更多的辐射复合中心，提高发光二极管的发光效率。
【专利说明】
一种发光二极管的外延片及其生长方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其生长方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(Light Emitting D1de，简称LED)的核心部分是由p型半导体和η型半导体组成的晶片，在P型半导体和η型半导体之间有一个过渡层，称为ρη结。在ρη结中，卩型半导体注入的空穴与η型半导体注入的电子复合，多余的能量以光的形式释放出来，把电能直接转换为光能。
[coos]以氮化镓为代表的m族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料，具有电子飘移饱和速度高，热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能，广泛应用于LED。以氮化镓为代表的ΙΠ族氮化物中，三元合金铟镓氮(InGaN)的带隙从氮化铟(InN)的0.7eV到氮化镓(GaN)的3.4eV，发光波长覆盖了可见光和近紫外光的整个区域。
[0004]现有的LED外延片采用交替层叠InGaN层和GaN层形成多量子阱层实现电子和空穴的复合发光，但LED的发光效率还有待提高。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其生长方法。所述技术方案如下:
[0006]—方面，本发明实例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，所述量子皇层为GaN层，所述量子阱层包括依次层叠的InxGai—J^l、Inr^l、InyGai—yr^l，0.4<x<0.9，0.1<y<0.5。
[0007]可选地，所述InN层的厚度为0.5?0.9nm。
[0008]可选地，所述InxGa1-xN层的厚度为0.5?2nm。
[0009]可选地，所述InyGa1-yN层的厚度为1.5?4nm。
[0010]可选地，所述InxGa1-xN层中In的摩尔组分保持不变。
[0011]另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，所述生长方法包括:
[0012]在所述蓝宝石衬底上生长缓冲层；
[0013]在所述缓冲层上生长未惨杂GaN层；
[0014]在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
[0015]在所述N型GaN层上生长浅阱层；
[0016]在所述浅阱层上生长多量子阱层；
[0017]在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层；
[0018]在所述低温P型GaN层上生长P型电子阻挡层；
[0019]在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层；
[0020]在所述高温P型GaN层上生长P型接触层；
[0021]其中，所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，所述量子阱层包括依次层叠的11^31—』层、1_层、1%6&1—一层，0.4<叉<0.9，0.1<7<0.5。
[0022]可选地，所述InN层的厚度为0.5?0.9nm。
[0023]可选地，所述InxGa1-XN层的厚度为0.5?2nm。
[0024]可选地，所述InyGa1-yN层的厚度为1.5?4nm。
[0025]可选地，所述量子阱层的生长温度为750?800°C，所述量子阱层的生长压力为150?500Torr，所述量子阱层的V/m比为1000?5000。
[0026]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0027]通过多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，量子皇层为GaN层，量子阱层包括依次层叠的InxGa1IN层、InN层、InyGa1-yN层，多量子阱层中In的摩尔组分不均匀引起载流子的局域化效应，由电注入或者光激发产生的载流子局限在In量子点中，载流子很难迀移到非福射复合中心，从而大大提高福射复合发光效率。同时利用在InGaN层中插入InN层，提高In量子点的组成，提供更多的辐射复合中心，提高发光二极管的发光效率。
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
[0029]图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
[0030]图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管的外延片的生长方法的流程图；
[0031]图3是本发明实施例二提供的多量子阱层生长条件的示意图。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0033]实施例一
[0034]本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，参见图1，该外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底I上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、浅阱层5、多量子阱层6、低温P型GaN层7、P型电子阻挡层8、高温P型GaN层9、P型接触层10。
[0035]在本实施例中，多量子阱层6包括交替层叠的量子阱层61和量子皇层62。量子皇层62为GaN层;量子阱层61包括依次层叠的InxGapxN层6 Ia、InN层6 Ib、InyGapyN层61 c，0.4 < x<0.9，0.1 <y<0.5。缓冲层2为GaN层。浅阱层6包括交替层叠的InzGa1-zN层和GaN层，O<z<0.11型电子阻挡层9为AlGaN层。
[0036]可选地，InN层6 Ib的厚度可以为0.5?0.9nm。
[0037]可选地，1]^￡&1—\1'1层61&的厚度可以为0.5?211111。
[0038]可选地，1%6&1—丫1'1层61(3的厚度可以为1.5?4nm。
[0039]可选地，InxGapxN层61a中In的摩尔组分可以保持不变。
[0040]可选地，量子皇层62的厚度可以为5?12nm。
[OO41 ] 可选地，量子讲层61和量子皇层62的层数之和可以为12?30。
[0042]可选地，缓冲层2的厚度可以为10?30nm。
[0043]可选地，未掺杂GaN层3的厚度可以为I?2μηι。
[0044]可选地，N型GaN层4的厚度可以为1.5?3.5μπι。
[0045]可选地，浅讲层5中的InzGa1-zN层和GaN层的层数之和可以为10?40。
[0046]可选地，浅讲层5中的InzGa1-zN层的厚度可以为I?4nm。
[0047]可选地，浅讲层5中的GaN层的厚度可以为10?30nm。
[0048]可选地，低温P型GaN层7的厚度可以为30?120nm。
[0049]可选地，P型电子阻挡层8的厚度可以为50?150nm。
[0050]可选地，高温P型GaN层9的厚度可以为50?150nm。
[0051 ]可选地，P型接触层10的厚度可以为3?10nm。
[0052]本发明实施例通过多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，量子皇层为GaN层，量子阱层包括依次层叠的InxGahN层、InN层、InyGa1-yN层，多量子阱层中In的摩尔组分不均匀引起载流子的局域化效应，由电注入或者光激发产生的载流子局限在In量子点中，载流子很难迀移到非辐射复合中心，从而大大提高辐射复合发光效率。同时利用在InGaN层中插入InN层，提高In量子点的组成，提供更多的辐射复合中心，提高发光二极管的发光效率。而且在InGaN层中插入InN层，还可以改善量子阱界面粗糙度、以及发光波长的展宽效应。
[0053]实施例二
[0054]本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，适用于生长实施例一提供的发光二极管的外延片，参见图2，该生长方法包括:
[0055]步骤200:将蓝宝石衬底在温度为1000?1200°C的氢气气氛里进行高温清洁处理5?20min，并进行氮化处理。
[0056]在本实施例中，以氮气(N2)或氢气(H2)作为载气，以三甲基稼(TMGa)、三乙基稼(TEGa)、三甲基铝(TMA1)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、Ir^Pmjg，用硅烷(SiH4)、二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
[0057]步骤201:控制生长温度为450?600°C，生长压力为75?200Torr，V/III比为100?400，转速为800?1200r/min，在蓝宝石衬底上生长厚度为10?30nm的缓冲层。
[0058]在本实施例中，缓冲层为GaN层。V/III比为V价原子与ΙΠ价原子的摩尔比。
[0059]步骤202:控制生长温度为1000?1200°C，生长压力为200?500Torr，V/III比为200?3000，转速为900?1200r/min，在缓冲层上生长厚度为I?2μπι的未掺杂GaN层。
[0060]步骤203:控制生长温度为950?1150°C，生长压力为300?500Torr，V/III比为400?3000，在未掺杂GaN层上生长厚度为1.5?3.5μπι的N型GaN层。
[0061 ]在本实施例中，N型GaN层采用Si掺杂且掺杂浓度保持不变。
[0062]步骤204:控制生长压力为100?500Torr，V/III比为500?10000，在N型GaN层上生长浅阱层。
[0063]在本实施例中，浅阱层包括交替层叠的InzGai—zN层和GaN层，0<z<0.1。[OO64] 可选地，浅讲层中的InxGa1-XN层和GaN层的层数之和可以为10?40。
[0065 ] 可选地，浅讲层中的InxGa1-XN层的厚度可以为I?4nm。
[0066]可选地，浅阱层中的InxGa1-xN层的生长温度可以为750?850 V。
[0067]可选地，浅讲层中的GaN层的厚度可以为10?30nm。
[0068]可选地，浅阱层中的GaN层的生长温度可以为850?950 °C。
[0069]步骤205:在浅阱层上生长多量子阱层。
[0070]在本实施例中，多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层。量子皇层为GaN层;量子阱层包括依次层叠的11^&1』层、1_层、11^&1^层，0.4<叉<0.9，0.1<7<0.5。[0071 ] 可选地，InN层的厚度可以为0.5?0.6nm。
[0072]可选地，InxGa1-XN层的厚度可以为0.5?lnm。
[0073]可选地，InyGa1-yN层的厚度可以为1.5?2nm。
[0074]可选地，InxGa1-xN层中In的摩尔组分可以保持不变。
[0075]可选地，量子皇层的厚度可以为5?12nm。
[0076]可选地，量子阱层和量子皇层的层数之和可以为12?30。
[0077]可选地，量子阱层的生长温度可以为750?800°C，量子阱层的生长压力可以为150?500Torr，量子阱层的V/m比为1000?5000。
[0078]可选地，量子皇层的生长温度可以为860?950°C，量子皇层的生长压力可以为200?400Torr，量子皇层的V/m比为1500?5000。
[0079]具体地，参见图3，生长量子阱层时，先通入三乙基镓和三甲基铟，生长InxGapxN层；再停止通入三乙基镓，继续通入三甲基铟，生长InN层；最后再次通入三乙基镓，生长InyGa1-yN 层。
[0080]步骤206:控制生长温度为700?800°C，生长压力为100?600Torr，V/III比为1000?4000，生长时间为3?15min，在多量子阱层上生长厚度为30?120nm的低温P型GaN层。[0081 ] 步骤207:控制生长温度为900?1000°C，生长压力为50?300Torr，V/III比为1000?10000，生长时间为4?15min，在低温P型GaN层上生长厚度为50?150nm的P型电子阻挡层。
[0082]在本实施例中，P型电子阻挡层为P型AlGaN层。
[0083]步骤208:控制生长温度为900?1050°C，生长压力为100?500Torr，V/III比为500?4000，生长时间为10?20min，在P型电子阻挡层上生长50?150nm的高温P型GaN层。
[0084]步骤209:控制生长温度为700?850°C，生长压力为100?500Torr，V/III比为10000?20000，生长时间为0.5?5min，在高温P型GaN层上生长厚度为3?1nm的P型接触层。
[0085]需要说明的是，在外延生长工艺结束后，将反应腔的温度降至600?900°C，在PN2气氛下进行退火处理10?30min，然后降至室温，结束外延生长。经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，将LED外延片制成17*35mil的LED芯片。
[0086]本发明实施例通过多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，量子皇层为GaN层，量子阱层包括依次层叠的InxGahN层、InN层、InyGa1-yN层，多量子阱层中In的摩尔组分不均匀引起载流子的局域化效应，由电注入或者光激发产生的载流子局限在In量子点中，载流子很难迀移到非辐射复合中心，从而大大提高辐射复合发光效率。同时利用在InGaN层中插入InN层，提高In量子点的组成，提供更多的辐射复合中心，提高发光二极管的发光效率。而且在InGaN层中插入InN层，还可以改善量子阱界面粗糙度、以及发光波长的展宽效应。
[0087]实施例三
[0088]本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，该生长方法与实施例二提供的生长方法的不同之处在于，量子阱层中各层的厚度不同。具体地，InN层的厚度为
0.6?0.8nm，InxGa1-XN层的厚度为 I ?I.5nm，InyGa1-yN层的厚度为2?2.5nm。
[0089]实施例四
[0090]本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法，该生长方法与实施例二、实施例三提供的生长方法的不同之处在于，量子阱层中各层的厚度不同。具体地，InN层的厚度为0.8?0.9nm，InxGa1-XN层的厚度为I.5?2nm，InyGa1-yN层的厚度为2.5?3nm。
[0091 ] 经过LED芯片测试后发现，静电释放(Electro-Static discharge，简称ESD)测试电压为4000V时，实施例二的样品的发光效率提升0.5%?1.2% ;实施例三的样品的发光效率提升2%?4% ;实施例四的样品的发光效率无明显变化。
[0092]上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0093]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种发光二极管的外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层，所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，所述量子皇层为GaN层，其特征在于，所述量子阱层包括依次层叠的InxGa^N层、InN层、InyGai—yr^l，0.4<x<0.9，0.1<y<0.5o2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述InN层的厚度为0.5?0.9nm。3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述InxGa1-XN层的厚度为0.5?2nm。4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述InyGa1-yN层的厚度为1.5?4nm。5.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述InxGanN层中In的摩尔组分保持不变。6.—种发光二极管的外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括: 在蓝宝石衬底上生长缓冲层； 在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层； 在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层； 在所述N型GaN层上生长浅阱层； 在所述浅阱层上生长多量子阱层； 在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层； 在所述低温P型GaN层上生长P型电子阻挡层； 在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层； 在所述高温P型GaN层上生长P型接触层； 其中，所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子皇层，所述量子阱层包括依次层叠的11^￡&1—\1'1层、1111'1层、1%6&1—丫1'1层，0.4<叉<0.9，0.l<y<0.5。7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述InN层的厚度为0.5?0.9nm。8.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述InxGa^N层的厚度为0.5?2nm。9.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述InyGa^N层的厚度为1.5?4nm。10.根据权利要求6或7所述的生长方法，其特征在于，所述量子阱层的生长温度为750?800°C，所述量子阱层的生长压力为150?500Torr，所述量子阱层的V/m比为1000?.5000
【文档编号】H01L33/00GK106057996SQ201610455108
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】肖云飞, 张华 , 吕蒙普, 胡加辉
【申请人】华灿光电(苏州）有限公司