一种发光二极管外延片及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于发光二极管领域。所述外延片包括：缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱和P型层，所述2D填平层包括若干个交替生长的第一子层和第二子层，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同，所述第一子层采用无掺杂的AlxGa1-xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0.5≤x＜1。所述方法包括：提供衬底并在衬底上依次生长缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层，生长2D填平层包括：交替生长若干个第一子层和若干个第二子层。本发明有效减小由衬底与GaN晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力。
【专利说明】一种发光二极管外延片及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及发光二极管（Light Emitting Diode,简称LED)领域，特别涉及一种发 光二极管外延片及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 在LED产业的发展中，GaN材料是第三代半导体材料的典型代表。由于GaN材料 缺少同质衬底，因此，目前GaN基外延片多为异质外延方式生长，例如采用蓝宝石衬底。
[0003] 传统的GaN基外延片生长方法为，在蓝宝石衬底上生长外延层，外延层包括依次 生长的缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层。其中，3D生长层也称粗 化层，该层以缓冲层为基础生长晶岛。2D填平层又称恢复层，该层可以将3D晶岛填平，为之 后的外延结构提供一个薄膜基层。该2D填平层多为高温缓慢生长的无掺杂GaN层。
[0004] 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：
[0005] 蓝宝石衬底与GaN材料之间存在大的晶格失配与热失配，使得外延层的位错密度 比较高，将在界面处产生较强的应力作用和大量的位错以及缺陷。这些缺陷会随着外延层 的生长一直延伸至多量子阱层以及P型层，这样，不仅增加了载流子非辐射复合的可能，而 且在禁带中引入能级，减少少子寿命，从而降低了 LED的内量子效率，并且还影响LED的抗 静电能力。
【发明内容】
[0006] 为了提高LED的内量子效率和LED的抗静电能力，本发明实施例提供了一种发光 二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下 ：
[0007] 第一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底、缓冲层、3D生长层、2D 填平层、N型层、多量子阱和P型层，所述2D填平层包括若干个交替生长的第一子层和第二 子层，其中一个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且 与所述第二子层的数量相同，所述第一子层采用无掺杂的Al xGai_xN制成，所述第二子层采 用无掺杂的GaN制成，0. 5 < X < 1。
[0008] 在第一方面的第一实施方式中，所述第一子层和所述第二子层的厚度范围是 10 ?100nm。
[0009] 在第一方面的第二实施方式中，所述第一子层的厚度范围是100?500nm，所述第 二子层的厚度范围是500nm?lum。
[0010] 在第一方面的第三实施方式中，所述第一子层与所述第二子层的厚度比例不大于 1:3。
[0011] 在第一方面的第四实施方式中，所述2D填平层的厚度范围是1. 2?3. 8um。
[0012] 在第一方面的第五实施方式中，每个所述第一子层的A1浓度相同。
[0013] 在第一方面的第六实施方式中，每个所述第一子层的A1浓度不同、且每个所述第 一子层的A1浓度按生长顺序逐渐变化。
[0014] 在第一方面的第七实施方式中，所述LED外延片还包括无掺杂的GaN层，所述无掺 杂的GaN层位于所述2D填平层和所述N型层之间，其中一个所述第二子层与所述无掺杂的 GaN层直接接触。
[0015] 在第一方面的第八实施方式中，所述第一子层和所述第二子层的生长速度不大于 所述无掺杂的GaN层和所述N型层的生长速度。
[0016] 第二方面，本发明提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述方法包括：提供 衬底并在所述衬底上依次生长缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层， 生长所述2D填平层包括：交替生长若干个第一子层和若干个第二子层，所述第一子层采用 无掺杂的AipahN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0. 5彡X < 1，其中一个所述 第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数 量相同。
[0017] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过2D填平层包括交替生长 的AlxG ai_xN/GaN，0. 5彡X < 1，即在2D填平层中引入了 A1原子，由于A1原子具有较小的 晶格常数，且具有与衬底更匹配的热膨胀系数等优势，因此，AlxG ai_xN/GaN的交替生长结构 的2D填平层可以有效减小由衬底与GaN晶格失配引起的位错密度，从而提1? LED的内量子 效率和抗静电能力，进而提高LED的外延晶体质量；此外，AlxGai_ xN/GaN的交替生长结构的 2D填平层还可以有效改善外延片的翘曲度，尤其是大尺寸外延片的翘曲度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 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。
[0019] 图1是本发明实施例一提供的一种LED外延片的剖面图；
[0020] 图2是本发明实施例二提供的一种LED外延片的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 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。
[0022] 实施例一
[0023] 本发明实施例提供了一种LED外延片，参见图1，该外延片包括衬底（图未不出）、 缓冲层10、3D生长层20、2D填平层30、N型层40、多量子阱层50和P型层60。
[0024] 其中，该2D填平层30包括若干个交替生长的第一子层301和第二子层302。其 中一个第一子层301与3D生长层20直接接触。第一子层301的数量不小于2且与第二子 层302的数量相同。第一子层301采用无掺杂的Al xGai_xN制成，第二子层302采用无掺杂 的GaN制成，0· 5彡X < 1。
[0025] 其中，第一子层301的厚度可以是纳米级，第二子层302的厚度可以是纳米级，也 可以是微米级。在本实施例的第一实现方式中，该2D填平层30可以是超晶格结构，第一子 层301和第二子层302的厚度范围可以分别是10?100nm。例如，第一子层301的厚度可 以为15nm，第二子层302的厚度可以为85nm。
[0026] 在本实施例的第二实现方式中，第一子层301的厚度范围可以是100?500nm， 第二子层302的厚度范围可以是500nm?lum。例如，第一子层301的厚度可以是200nm、 150nm、或lOOnm，第二子层b的厚度可以是600nm或800nm。
[0027] 结合本实施例的第一实现方式和第二实现方式，每个第一子层301的厚度可以相 同，也可以不同。每个第二子层302的厚度可以相同，也可以不同。
[0028] 结合本实施例的第一实现方式和第二实现方式，第一子层301与第二子层302的 厚度比例可以不大于1:3。
[0029] 结合本实施例的第一实现方式和第二实现方式，2D填平层30的厚度范围可以是 1. 2 ?3. 8um〇
[0030] 其中，本实施例对每个第一子层301的A1浓度不做限定。在本实施例的第三实现 方式中，每个第一子层301的A1浓度相同。例如，每个第一子层301的A1浓度均为65%。
[0031] 在本实施例的第四实现方式中，每个第一子层301的A1浓度不同、且每个第一子 层301的A1浓度按生长顺序逐渐变化。该生长顺序包括，从2D填平层30的靠近3D生长 层20的一侧到2D填平层30的靠近N型层40的一侧。该均匀变化可以是有规律地均匀变 化，包括：逐渐增大（包括均匀增大）、逐渐减小（包括均匀减小）、逐渐增大再减小（包括 均匀增大再均匀减小）、逐渐减小再增大（包括均匀减小再均匀增大）、逐渐增大再减小最 后增大（包括均匀增大再均匀减小最后均匀增大）、逐渐减小再增大最后减小（均匀减小再 均匀增大最后均匀减小）、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以 先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。
[0032] 在上述A1浓度逐渐变化的多种方式中，每个第一子层301的A1浓度按生长顺序 逐渐减小为优选方式。例如，2D填平层30是由十五层第一子层301和十五层第二子层302 交替生长形成，每个第一子层301中A1的浓度为定值且每个第一子层301中A1浓度按照 第一子层301覆盖的顺序均匀减小，每个第一子层301中A1浓度依次为 74%，一,52?^这种A1浓度按生长顺序逐渐减小的变化方式既可以减少衬底与外延结构 的界面失配现象，又可以减少引入AlN/GaN晶格失配，为后续结构提供较为平整的GaN薄膜 基础。
[0033] 改变第一子层301中A1浓度，可以进一步减少衬底与外延结构的界面应变，并减 少A1N和GaN材料之间存在的晶格失配现象。
[0034] 其中，该LED外延片还可以包括无掺杂的GaN层70,该无掺杂的GaN层70位于2D 填平层30和N型层40之间。其中一个第二子层302与无掺杂的GaN层70直接接触。
[0035] 由于无掺杂的GaN层70生长于2D填平层30之后，与N型层40直接接触，且无掺 杂的GaN层70组分单纯，只由GaN构成，因此，无掺杂的GaN层70可以进一步阻挡外延片 中底层的位错纹路向上延伸。
[0036] 其中，第一子层301和第二子层302的生长速度不大于无掺杂的GaN层70和N型 层40的生长速度。该生长速度可以通过调节生长温度、压力、Ga源流量、或Ga源浓度等进 行控制。
[0037] 本发明实施例通过2D填平层包括交替生长的AlxGai_ xN/GaN，0. 5彡x< 1，即在2D 填平层中引入了 A1原子，由于A1原子具有较小的晶格常数，且具有与衬底更匹配的热膨胀 系数等优势，因此，AlxGai_xN/GaN的交替生长结构的2D填平层可以有效减小由衬底与GaN 晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力，进而提高LED的外延 晶体质量；此外，AlxG ai_xN/GaN的交替生长结构的2D填平层还可以有效改善外延片的翘曲 度，尤其是大尺寸外延片的翘曲度。
[0038] 实施例二
[0039] 本发明实施例提供了 一种发光二极管外延片的制造方法，参见图2，该方法流程包 括：
[0040] 在步骤201中，提供衬底。
[0041] 该衬底层可以为蓝宝石衬底，也可以是Si衬底和SiC衬底。
[0042] 该步骤201还包括，清洁衬底表面。实现时，将衬底在1KKTC的H2气氛下进行热 处理8分钟，以清洁表面。
[0043] 在步骤202中，在衬底上生长缓冲层。
[0044] 实现时，在540°温度下，在清洁后的衬底上生长一层厚度为30nm的GaN。
[0045] 在步骤203中，在缓冲层上生长3D生长层。
[0046] 实现时，将温度从540°升至1040°C，在缓冲层上生长一层厚度为0.5um的非掺杂 的 GaN。
[0047] 在步骤204中，在3D生长层上生长2D填平层。
[0048] 本步骤204包括：在3D生长层上交替生长若干个第一子层和若干个第二子层。其 中，第一子层采用无掺杂的Alfa^N制成，第二子层采用无掺杂的GaN制成，0. 5 < X < 1。 第一子层的数量不小于2且与第二子层的数量相同。
[0049] 其中一个第一子层与3D生长层直接接触，即先生长的是第一子层，第二子层覆盖 在第一子层上。
[0050] 例如，可以在3D生长层上交替生长十五层第一子层和十五层第二子层，形成超晶 格结构，生长温度为1090°C。第一子层的厚度可以为15nm，采用无掺杂的AlxGal-xN作为 生长材料，〇. 5彡x〈l。第二子层的厚度可以为85nm，采用无掺杂的GaN作为生长材料。其 中，第一子层和第二子层的厚度介于10?lOOnm，其中15nm和85nm在此仅为举例，并不作 为对本发明的限制。
[0051] 又如，可以在3D生长层上交替生长三层第一子层和三层第二子层，形成层层交 替生长结构，生长温度为1090°C。第一子层的厚度分别200nm/150nm/100nm，采用无掺杂 的AlxGal-xN作为生长材料。第二子层的厚度均为800nm，采用无掺杂的GaN作为生长材 料。其中，第一子层的厚度可以为1〇〇?500nm，第二子层的厚度可以为500nm?1. Oum， 100nm/150nm/200nm/800nm在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。
[0052] 其中，第一子层和第二子层的厚度比应小于等于1 :3。每层第一子层中A1浓度为 定值且每层第一子层中A1浓度相同或不同。当每层第一子层中A1浓度不同时，第一子层 中A1浓度可以按照生长顺序有规律地均匀变化。
[0053] 本步骤204还包括：在2D填平层上生长无掺杂的GaN层。
[0054] 实现时，生长温度不变，生长速率提高，在2D填平层上生长一层厚度为2 μ m的非 惨杂的GaN。容易知道，提商生长速率的方法可以提商Ga的流量。
[0055] 在步骤205中，生长N型层。
[0056] 实现时，可以在无掺杂的GaN层上生长一层厚度为Ιμπι的Si掺杂的GaN层。容 易知道，N型层也可以采用其它掺杂，并不限于Si掺杂。
[0057] 在步骤206中，在N型层上生长多量子阱层。
[0058] 实现时，在N型层上交替生长十二层量子阱层和十二层量子垒层。量子阱层的厚 度为3nm，采用InGaN作为生长材料，生长温度为790°C。量子垒层的厚度为12nm，采用GaN 作为生长材料，生长温度为920°C。
[0059] 在步骤207中，在多量子阱层上生长P型层。
[0060] 实现时，在多量子阱层上生长一层厚度为200nm的P型掺杂的GaN。
[0061] 需要说明的是，本实施例可以采用高纯H2或者N2作为载气，分别采用TEGa/TMGa、 ΤΜΑ1、ΤΜΙη和NH3作为Ga源、A1源、In源和N源，采用分别SiH4和Cp2Mg作为N型和P型 掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。
[0062] 本发明实施例通过2D填平层包括交替生长的AlxGai_ xN/GaN，0. 5彡x< 1，即在2D 填平层中引入了 A1原子，由于A1原子具有较小的晶格常数，且具有与衬底更匹配的热膨胀 系数等优势，因此，AlxG ai_xN/GaN的交替生长结构的2D填平层可以有效减小由衬底与GaN 晶格失配引起的位错密度，从而提高LED的内量子效率和抗静电能力，进而提高LED的外延 晶体质量；此外，AlxG ai_xN/GaN的交替生长结构的2D填平层还可以有效改善外延片的翘曲 度，尤其是大尺寸外延片的翘曲度。
[0063] 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。
[〇〇64] 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。
【权利要求】
1. 一种发光二极管外延片，包括衬底、缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱 和P型层，其特征在于，所述2D填平层包括若干个交替生长的第一子层和第二子层，其中一 个所述第一子层与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子 层的数量相同，所述第一子层采用无掺杂的Al xGai_xN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN 制成，0. 5 < X < 1。
2. 根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的厚度 范围是10?l〇〇nm。
3. 根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度范围是100? 500nm，所述第二子层的厚度范围是500nm?lum。
4. 根据权利要求2或3所述的外延片，其特征在于，所述第一子层与所述第二子层的厚 度比例不大于1:3。
5. 根据权利要求2或3所述的外延片，其特征在于，所述2D填平层的厚度范围是1.2? 3. 8um。
6. 根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，每个所述第一子层的A1浓度相同。
7. 根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，每个所述第一子层的A1浓度不同、且每 个所述第一子层的A1浓度按生长顺序逐渐变化。
8. 根据权利要求6或7所述的外延片，其特征在于，所述LED外延片还包括无掺杂的 GaN层，所述无掺杂的GaN层位于所述2D填平层和所述N型层之间，其中一个所述第二子层 与所述无掺杂的GaN层直接接触。
9. 根据权利要求8所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的生长 速度不大于所述无掺杂的GaN层和所述N型层的生长速度。
10. -种发光二极管外延片的制造方法，所述方法包括：提供衬底并在所述衬底上依 次生长缓冲层、3D生长层、2D填平层、N型层、多量子阱层和P型层，其特征在于，生长所述 2D填平层包括：交替生长若干个第一子层和若干个第二子层，所述第一子层采用无掺杂的 AipahN制成，所述第二子层采用无掺杂的GaN制成，0. 5 < X < 1，其中一个所述第一子层 与所述3D生长层直接接触，所述第一子层的数量不小于2且与所述第二子层的数量相同。
【文档编号】H01L33/00GK104091868SQ201410261342
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】李昱桦, 乔楠, 韩杰, 胡加辉, 魏世祯 申请人:华灿光电(苏州）有限公司