一种发光二极管外延层及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制备领域，具体为一种发光二极管外延层及其制备方法。

背景技术：

GaN基LED因具有寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性而在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，并已经成为氮化镓领域的研究热点之一。现有技术中大部分都是在衬底上生长非故意掺杂氮化镓缓冲层，待缓冲层表面平整后再继续生长N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层。而为了获得平整的表面，往往非故意掺杂氮化镓缓冲层及N型氮化镓层的厚度较厚达到2.5～3.5μm左右，其极大的影响了发光二极管的生长效率。同时，现有技术中，P型氮化镓层生长于发光层之上，故为了避免高温条件对发光层的破坏，其P型氮化镓层无法采用较高的生长温度，从而导致P型氮化镓层的晶体质量较差，易出现电性异常问题。此外，在发光层生长结束后再生长P型氮化镓层，也易使P型氮化镓层中的杂质，常用为Mg，经由扩散的方式进入发光层中，一方面破坏发光层的晶体质量，另一方面容易造成非辐射复合，影响发光二极管的发光效率。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延层的制备方法，先于衬底上利用高温条件生长P型氮化镓层，获得优良的晶体质量，随后生长发光层，N型氮化镓层。其中N型氮化镓层的生长温度采用与发光层中的垒层温度相同的低温条件进行生长，避免破坏发光层的质量，影响发光效率。

本发明提供的技术方案为：一种发光二极管外延层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一氮化镓衬底；

于所述衬底表面高温、低压及低速生长P型氮化镓层；其生长温度为高于或等于1000℃，生长压力小于或等于100 torr，生长速率小于或等于0.6μm/h；

于所述P型氮化镓层表面生长应力释放层；

于所述应力释放层上生长发光层，所述发光层包括量子垒层和量子阱层，所述发光层的生长温度小于或等于850℃；

于所述发光层表面低温生长N型氮化镓层，其生长温度与所述量子垒层的生长温度相同，为提高低温生长的N型氮化镓层晶体质量，生长用镓源采用三乙基镓；

所述P型氮化镓层、应力释放层、发光层和N型氮化镓层组成发光二极管外延层。

优选的，于所述P型氮化镓层和应力释放层之间增加高温退火处理步骤，具体为：停止所述P型氮化镓层的生长，将腔室温度稳定于950℃以上，对所述P型氮化镓层进行高温退火处理，活化所述P型氮化镓层中掺杂杂质。

优选的，所述P型氮化镓层的生长温度为1000～1200℃。

优选的，所述N型氮化镓层的生长温度与所述发光层的垒层生长温度相同，为750～850℃。

优选的，所述N型氮化镓层的生长压力为100～200 torr。

优选的，所述P型氮化镓层的退火温度为950～1100℃，退火时间为1～5min。

优选的，所述P型氮化镓层的厚度小于或等于200埃。

优选的，所述P型氮化镓层的杂质浓度范围为5×10¹⁸cm^-3～1×10²¹cm^-3。优选的，所述N型氮化镓层的厚度为0.5～1.5μm。

优选的，所述N型氮化镓层的杂质浓度范围为1×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3。

优选的，所述发光二极管的外延层厚度为2.5～3μm。

本发明还提供一种发光二极管外延层，由一氮化镓衬底及依次位于所述衬底上的P型氮化镓层、应力释放层、发光层和N型氮化镓层组成。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明提出一种发光二极管外延层的制备方法，直接于氮化镓衬底上利用高温、低压低生长速率生长P型氮化镓层，获得优良的晶体质量，同时高温条件生长P型氮化镓层中P型杂质的掺杂效率提升，其空穴浓度提升，有效增强发光效率。随后生长发光层、N型氮化镓层，其中N型氮化镓层的生长温度采用与发光层中的垒层温度相同的低温条件进行生长，避免因高温条件破坏发光层的质量而影响发光效率，进一步提升发光二极管的发光强度。

此外，由于P型杂质，尤其是Mg原子具有较强的侧向成长能力，当P型氮化镓层生长于衬底上时无需生长较大厚度（例如无需生长非故意掺杂氮化镓层）即可获得较平的表面，从而减薄发光二极管的厚度，有利于其性能均匀性的控制，同时缩短制备时间，提升生产效率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，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。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1为本发明实施例一之发光二极管外延层的制备方法流程图。

图2为本发明实施例之发光二极管外延层的结构示意图。

图3为本发明实施例二之发光二极管外延层的制备方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例1

参看图1～2，对于本发明实施的二极管外延层制备方法，下面进行详细说明。

首先，提供氮化镓衬底100，其中，氮化镓衬底100为平片衬底100或者图形化衬底100。

接着，将衬底100置入反应腔室并对衬底100表面进行清洁处理，调节腔室温度为1000～1200℃，压力为50～100 torr，采用速率小于或等于0.6μm/h的低速条件生长厚度小于或等于200埃的P型氮化镓层200，本实施例优选衬底100为平片衬底100，P型氮化镓层200厚度为100～180埃；其中P型氮化镓层200的掺杂杂质优选Mg原子，而由于Mg原子具有较强的侧向成长能力，因此在氮化镓平片衬底100表面仅需生长较薄的P型氮化镓层（如本发明P型氮化镓层厚度小于或等于200埃），即可获得平整的上表面，而无需像现有技术中生长较厚的缓冲层（例如1～1.5μm）才能获得所需的平整表面，以供后续外延层的生长，有效的缩短了生长时间，提升生产效率。此外，由于P型氮化镓层200采用高温条件生长，其晶体质量相比于现有技术的低温条件生长的晶体质量优良，同时，在高温条件下Mg的活化效率增加，因此其杂质的有效掺杂效率也得到提升，Mg杂质浓度可达到5×10¹⁸cm^-3～1×10²¹cm^-3，在有效降低发光二极管电压的前提下，减少了Mg源的通入量，从而避免了现有技术在生长过程中需通入大量的Mg源增加掺杂浓度的状况，降低因腔室中Mg原子的残留而破坏发光层晶体质量的现象。

随后，于P型氮化镓层200表面生长应力释放层300和发光层400，其中，应力释放层300为AlxInyGaN/GaN超晶格结构（0≤x＜1，0＜y＜1）材料层；发光层400为InGaN阱层和GaN垒层的超晶格结构组成。

接着，于发光层400表面生长 N型氮化镓层500，其生长温度与发光层400的垒层生长温度相同，为750～850℃，压力为100～200 torr，避免了高温条件对发光层400的破坏。同时本发明的N型氮化镓层500的生长镓源采用三乙基镓，由于低温条件下生长速率较慢，且利用三乙基镓的分解特性，使得N型氮化镓层具有良好的晶体质量，其掺杂效率提升，在杂质源通入量降低或与现有技术相同的条件下，其杂质浓度仍可达到1×10¹⁹cm^-3～5×10²⁰cm^-3，有效降低了发光二极管的电压。同时因晶体质量优良，则该层厚度相较于现有技术则偏薄，小于或等于1.5μm。同时，由于N型氮化镓层采用低温条件生长，抑制了前述P型氮化镓层中Mg原子扩散进入发光层的现象，降低非辐射复合的概率，提升发光二极管的发光效率。

利用本发明方法制备的发光二极管的外延层其厚度较现有技术明显偏薄，为2.5～3μm。极大地节省了生长时间及源材料的消耗，提升生产效率及经济效益

实施例2

参看附图2和3，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例在P型氮化镓层200和应力释放层300之间增加高温退火处理步骤，具体为：停止P型氮化镓层200的生长，将腔室温度稳定于950℃以上，对所述P型氮化镓层进行高温退火处理，优选退火温度为950～1100℃，退火时间为1～5min，利用此高温处理步骤活化P型氮化镓层中掺杂杂质，进一步提高进入发光层400的杂质浓度，增强发光效率。

很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。