一种GaN基发光二极管外延片的制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片的制造方法。

背景技术：

GaN材料在发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)器件上的应用十分普遍，是人们一直以来关注的热点。采用GaN制造的LED颜色纯正、亮度高、能耗低，性能比传统的AlGaInP基LED或者GaAlAs基LED更优越，广泛应用于照明、医疗、显示、玩具等众多领域。

GaN基LED通常在蓝宝石衬底上形成，蓝宝石与GaN之间存在晶格失配，LED内会产生缺陷和位错，造成电子和空穴之间的非辐射复合增多，大大降低LED的发光效率。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：

在衬底上依次形成缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、N型阻挡层、应力释放层、量子阱、P型电子阻挡层、P型GaN层；

其中，所述N型阻挡层由高温AlGaN层和低温GaN层组成，所述高温AlGaN层和所述低温GaN层中均掺杂有N型掺杂剂，所述高温AlGaN层的生长温度高于所述低温GaN层的生长温度。

在本发明一种可能的实现方式中，所述高温AlGaN层的生长温度高于所述N型GaN层的生长温度，所述低温GaN层的生长温度低于所述N型GaN层的生长温度。

可选地，所述高温AlGaN层的生长温度比所述N型GaN层的生长温度高10～100℃。

可选地，所述低温GaN层的生长温度比所述N型GaN层的生长温度低10～100℃。

在本发明另一种可能的实现方式中，所述低温GaN层的厚度为所述高温AlGaN层的厚度的4～12倍。

可选地，所述高温AlGaN层的厚度为2～15nm。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度高于所述低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度。

可选地，所述高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

在本发明又一种可能的实现方式中，所述低温GaN层为N型掺杂的GaN层，或者N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构。

可选地，所述N型掺杂的GaN层和所述没有掺杂的GaN层的层数相同，所述没有掺杂的GaN层的层数为2～20层。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在N型GaN层上形成由高温AlGaN层和低温GaN层组成的N型阻挡层，高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度，高温AlGaN层可以有效限制电子的迁移，减小电子的迁移速率，避免电子越过发光阱区，提高发光阱区载流子的浓度，最终提升发光效率；同时低温GaN层可以阻隔缺陷，改变V形坑的大小和开口位置，减少由于晶格失配产生的位错，减少漏电，提高抗静电能力。

附图说明

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。

图1是本发明实施例一提供的一种GaN基发光二极管外延片的制造方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的N型阻挡层的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的外延片的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的生长温度的对比示意图；

图5是本发明实施例三提供的厚度和掺杂浓度的对比示意图；

图6是本发明实施例四提供的N型阻挡层的结构示意图。

具体实施方式

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。

实施例一

本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，在本实施例中，采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)技术制造外延片，以三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)作为镓源，高纯NH₃作为氮源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷(SiH4)，P型掺杂剂选用二茂镁(CP₂Mg)。

具体地，参见图1，该制造方法包括：

步骤201：在衬底上形成缓冲层。

在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底，衬底的尺寸可以为2英寸、4英寸或者8英寸。缓冲层可以为GaN层，也可以由交替层叠的GaN层和AlGaN层组成。

步骤202：在缓冲层上形成未掺杂GaN层。

具体地，未掺杂GaN层可以为单层没有掺杂的GaN层，也可以为多层没有掺杂的GaN层，各层GaN层的生长温度不同。

步骤203：在未掺杂GaN层上形成N型GaN层。

具体地，N型GaN层可以为单层掺杂Si的GaN层，也可以为多层掺杂Si的GaN层，各层GaN层中Si的掺杂浓度不同。

步骤204：在N型GaN层上形成N型阻挡层。

在本实施例中，参见图2，N型阻挡层由高温AlGaN层51和低温GaN层52组成，高温AlGaN层和低温GaN层中均掺杂有N型掺杂剂，高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度。

在本实施例的一种实现方式中，高温AlGaN层的生长温度可以高于N型GaN层的生长温度，低温GaN层的生长温度可以低于N型GaN层的生长温度。

可选地，高温AlGaN层的生长温度可以比N型GaN层的生长温度高10～100℃。

可选地，低温GaN层的生长温度可以比N型GaN层的生长温度低10～100℃。

在本实施例的另一种实现方式中，低温GaN层的厚度可以为高温AlGaN层的厚度的4～12倍。

可选地，高温AlGaN层的厚度可以为2～15nm。

在本实施例的又一种实现方式中，高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以高于低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度。

可选地，高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

在本实施例的又一种实现方式中，低温GaN层可以为N型掺杂的GaN层，或者N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构。

可选地，N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层的层数相同，没有掺杂的GaN层的层数可以为2～20层。

步骤205：在N型阻挡层上形成应力释放层。

在本实施例中，应力释放层为InGaN层和GaN层交替层叠形成的超晶格结构，也可以为单层的InGaN层。

步骤206：在应力释放层上形成量子阱。

在本实施例中，量子阱可以为InGaN量子阱层，也可以为InGaN量子阱层和GaN量子垒层交替层叠形成的超晶格结构。

步骤207：在量子阱上形成P型电子阻挡层。

在本实施例中，P型电子阻挡层可以为P型掺杂的AlGaN层。

步骤208：在P型电子阻挡层上形成P型GaN层。

图3为本实施例制造的发光二极管外延片的结构示意图。其中，1为衬底，2为缓冲层，3为未掺杂GaN层，4为N型GaN层，5为N型阻挡层，6为应力释放层，7为量子阱，8为P型电子阻挡层，9为P型GaN层。

本发明实施例通过在N型GaN层上形成由高温AlGaN层和低温GaN层组成的N型阻挡层，高温AlGaN层的生长温度高于低温GaN层的生长温度，高温AlGaN层可以有效限制电子的迁移，减小电子的迁移速率，避免电子越过发光阱区，提高发光阱区载流子的浓度，最终提升发光效率；同时低温GaN层可以阻隔缺陷，改变V形坑的大小和开口位置，减少由于晶格失配产生的位错，减少漏电，提高抗静电能力。

实施例二

本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，为实施例一提供的制造方法的一种具体实现。在本实施例中，参见图4，N型GaN层的生长温度为1200℃，高温AlGaN层的生长温度为1260℃，低温GaN层的生长温度为1150℃。

本发明实施例通过在N型GaN层上生长高温AlGaN层，减缓电子的迁移速率，有效阻挡电子迁移，同时在高温下让部分位错逐渐变小，甚至闭合。接着再生长低温GaN层，限制部分小位错继续扩大，与高温AlGaN层相互作用，限制电子迁移，提高电子和空穴的复合几率，同时减小位错密度，改善漏电流，提高晶体质量。实验表明，本实施例制造的外延片制成的LED芯片，相比传统LED芯片，4KV条件下的静电释放(英文：Electro-Static discharge，简称：ESD)良率提升了13％。

实施例三

本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，为实施例一提供的制造方法的一种具体实现。在本实施例中，参见图5，低温GaN层的厚度可以为高温AlGaN层的厚度的4～12倍，并且高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以高于低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁹～10²⁰cm^-3。

在本实施例中，逐渐增加高温AlGaN层的厚度，N型阻挡层对电子的限制作用先在一定程度上变强再没有明显变化。当高温AlGaN层的厚度和低温GaN层的厚度达到最佳时，AlGaN和GaN更容易形成二维电子气，电子受到限制，载流子浓度升高，发光效率得到提升。同时高温AlGaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以高于低温GaN层中N型掺杂剂的掺杂浓度，可以改善电流的扩展能力，增加电容效应，减少漏电途径，有利于晶体质量的提高和电子空穴的复合效率。实验表明，在最优条件(包括厚度和掺杂浓度)下，本实施例制造的外延片制成的LED芯片，相比传统LED芯片，发光效率提高5％，4KV条件下的抗静电能力(即ESD良率)提升了10％。

实施例四

本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片的制造方法，为实施例一提供的制造方法的一种具体实现。在本实施例中，参见图6，N型阻挡层由高温AlGaN层51和低温GaN层52组成，低温GaN层52为五层N型掺杂的GaN层52a和五层没有掺杂的GaN层52b交替层叠形成的超晶格结构。

本发明实施例通过低温GaN层为N型掺杂的GaN层和没有掺杂的GaN层交替层叠形成的超晶格结构，一方面可以阻断积累的应力形成的缺陷，减小位错，另一方面避免由于位错密度太小，导致位错诱导形成的V形坑太小，进而对空穴的注入造成不良影响，在最优的超晶格层数下，可以既加深空穴的注入深度，又减小部分位错，最终提升发光效率和改善漏电。实验表明，在最优条件(超晶格层数)下，本实施例制造的外延片制成的LED芯片，相比传统LED芯片，发光效率提高12％，4KV条件下的抗静电能力(即ESD良率)提升了20％。

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。

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。