一种发二极管的外延片及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制造方法。

背景技术：

以氮化镓为代表的半导体发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)，具有禁带宽度大、高电子饱和漂移速度、耐高温、大功率容量等优良特性，其三元合金ingan的带隙从0.7ev到3.4ev连续可调，发光波长覆盖可见光和紫外线的整个区域，在新兴的光电产业中具有广大的前景。

外延片是发光二极管制造过程中的半成品。现有的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、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层。其中，发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层，多个量子阱层和多个量子垒层交替层叠设置，量子阱层为铟镓氮层，量子垒层为氮化镓层。量子垒层将n型氮化镓层中的电子和p型氮化镓层中的空穴限制在量子阱层中复合发光。

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：

p型氮化镓层中p型掺杂剂的固溶度较低，而且激活提供空穴所需的能量较大，造成p型氮化镓层提供的空穴数量较少，加上空穴的迁移率和迁移速率远小于电子，因此量子阱层中与电子复合发光的空穴数量很少，导致空穴和电子复合发光的效率较低。

技术实现要素：

为了解决现有技术空穴和电子复合发光的效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发二极管的外延片及其制造方法。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种发二极管的外延片，所述外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层，所述发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子阱层和所述多个量子垒层交替层叠设置，所述量子垒层为氮化镓层，所述多个量子阱层中与所述n型氮化镓层距离最近的至少三个所述量子阱层为第一量子阱层，所述多个量子阱层中除所述第一量子阱层之外的所述量子阱层为第二量子阱层，所述第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，所述第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层。

可选地，每个所述第二量子阱层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第二子层为p型掺杂的铟镓氮层，所述第一子层和所述第三子层为未掺杂的铟镓氮层，所述第一子层的厚度和所述第三子层的厚度相等。

优选地，所述第二子层的厚度为0.8～1.2nm。

可选地，每个所述第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度保持不变。

可选地，所述多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐层增加。

可选地，所述第二量子阱层的层数大于或等于5。

可选地，所述量子阱层的厚度为1～5nm。

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制造方法，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层；

其中，所述发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子阱层和所述多个量子垒层交替层叠设置，所述量子垒层为氮化镓层，所述多个量子阱层中与所述n型氮化镓层距离最近的至少三个所述量子阱层为第一量子阱层，所述多个量子阱层中除所述第一量子阱层之外的所述量子阱层为第二量子阱层，所述第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，所述第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层。

可选地，所述量子阱层的生长温度为750～850℃。

可选地，所述发光层的生长压力为200～400torr。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将量子阱层分成第一量子阱层和第二量子阱层两种，多个量子阱层中与n型氮化镓层距离最近的至少三个量子阱层为第一量子阱层，多个量子阱层中除第一量子阱层之外的量子阱层为第二量子阱层，第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层中的p型掺杂剂可以提供空穴，从而增加量子阱层中的空穴数量，进而增加量子阱层中空穴和电子的复合发光，提高空穴和电子复合发光的效率，提升发光二极管的内量子效率。

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发光二极管的外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的多量子阱层的结构示意图；

图3是本发明实施例五提供的一种发光二极管的外延片的制造方法的流程图；

图4是本发明实施例六提供的一种发光二极管的外延片的制造方法的流程图。

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发二极管的外延片，参见图1，该外延片包括衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂氮化镓层3、n型氮化镓层4、发光层5和p型氮化镓层6。

在本实施例中，参见图2，发光层5包括多个量子阱层51和多个量子垒层52，多个量子阱层51和多个量子垒层52交替层叠设置，量子垒层52为氮化镓层。多个量子阱层51中与n型氮化镓层4距离最近的至少三个量子阱层51为第一量子阱层51a，多个量子阱层51中除第一量子阱层51a之外的量子阱层51为第二量子阱层51b，第一量子阱层51a为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层51b包括p型掺杂的铟镓氮层。

本发明实施例通过将量子阱层分成第一量子阱层和第二量子阱层两种，多个量子阱层中与n型氮化镓层距离最近的至少三个量子阱层为第一量子阱层，多个量子阱层中除第一量子阱层之外的量子阱层为第二量子阱层，第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层中的p型掺杂剂可以提供空穴，从而增加量子阱层中的空穴数量，进而增加量子阱层中空穴和电子的复合发光，提高空穴和电子复合发光的效率，提升发光二极管的内量子效率。

具体地，量子垒层中可以掺有硅。

具体地，量子阱层的厚度可以为1～5nm。若量子阱层的厚度小于1nm，则量子阱层太薄，电子和空穴很难停留在量子阱层进行复合发光；若量子阱层的厚度大于5nm，则生长过程中会出现质量问题，降低量子阱层的生长质量，影响电子和空穴的复合效率。

具体地，量子垒层的厚度可以为5～20nm。若量子垒层的厚度小于5nm，则无法将电子和空穴限制在量子阱层中复合发光；若量子垒层的厚度大于20nm，则影响电子和空穴的迁移，导致电子和空穴大部分集中在一个量子阱层中发光，影响发光效率。

可选地，第二量子阱层的层数可以大于或等于5，避免由于第二量子阱层的层数太少而起不到提高发光效率的效果。

在本实施例的一种实现方式中，每个第二量子阱层可以包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第二子层为p型掺杂的铟镓氮层，第一子层和第三子层为未掺杂的铟镓氮层，第一子层的厚度和第三子层的厚度相等。在第二量子阱层的中间掺杂p型掺杂掺杂剂，靠近量子垒层的两侧没有掺杂，可以有效避免p型掺杂剂渗透到量子垒层中，造成空穴和电子进行非辐射复合，降低发光效率。

在该实现方式中，第二子层的厚度可以为0.8～1.2nm，既可以避免p型掺杂剂渗透到量子垒层中，也可以增加量子阱层中空穴数量，最终提高发光效率。

在本实施例的另一种实现方式中，每个第二量子阱层可以包括第一子层和层叠在第一子层上的第二子层，第一子层为p型掺杂的铟镓氮层，第二子层为未掺杂的铟镓氮层。

在该实现方式中，第一子层的厚度可以为0.8～1.2nm。

在本实施例的又一种实现方式中，每个第二量子阱层可以包括第一子层和层叠在第一子层上的第二子层，第二子层为p型掺杂的铟镓氮层，第一子层为未掺杂的铟镓氮层。

在该实现方式中，第二子层的厚度可以为0.8～1.2nm。

在本实施例的又一种实现方式中，每个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以保持不变，工艺简单，实现方便。

在本实施例的一种实现方式中，多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以沿外延片的层叠方向逐层增加，有利于电子跃迁到每个量子阱层中与空穴进行复合发光，电子和空穴大部分集中在一个或多个量子阱层中发光，整体的发光效率较高。

在本实施例的另一种实现方式中，多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度相等，工艺简单，实现方便。

在本实施例的又一种实现方式中，多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以沿外延片的层叠方向逐层减少。

具体地，衬底可以为蓝宝石衬底，缓冲层可以为氮化镓层或者氮化铝层。n型氮化镓层可以采用硅作为n型掺杂剂，p型氮化镓层可以采用镁作为p型掺杂剂。p型氮化镓层可以包括依次层叠的空穴提供层和p型接触层，空穴提供层用于向多量子阱层注入空穴，p型接触层用于实现与电极的欧姆接触。

可选地，该发光层还可以包括设置在所有相邻的量子阱层和量子垒层之间的盖层，以避免量子垒层较高的生长温度造成量子阱层中的铟析出。

具体地，盖层可以为氮化铝层或者氮化镓层。

可选地，该外延片还可以包括层叠在n型氮化镓层和发光层之间的应力释放层，以释放由于蓝宝石衬底和氮化镓之间晶格失配产生的应力。

具体地，应力释放层可以包括多个铟镓氮层和多个氮化镓层，多个铟镓氮层和多个氮化镓层交替层叠设置。

可选地，该外延片还可以包括层叠在发光层和p型氮化镓层之间的电子阻挡层，以避免电子跃迁到p型氮化镓层中与空穴进行非辐射复合。

具体地，电子阻挡层可以为p型掺杂的铝镓氮层。

实施例二

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，本实施例提供的外延片是实施例一提供的外延片的一种具体实现方式。

在本实施例中，第一量子阱层的层数为3，第二量子阱层的层数为6，每个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度保持不变，且多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度相等。

实施例三

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，本实施例提供的外延片是实施例一提供的外延片的另一种具体实现方式。

在本实施例中，第一量子阱层的层数为3，第二量子阱层的层数为6，每个第二量子阱层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，第二子层为p型掺杂的铟镓氮层，第一子层和第三子层为未掺杂的铟镓氮层，第一子层的厚度和第三子层的厚度相等，第二子层的厚度为1nm，且多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度相等。

实施例四

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，本实施例提供的外延片是实施例一提供的外延片的一种具体实现方式。

在本实施例中，第一量子阱层的层数为3，第二量子阱层的层数为6，每个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度保持不变，且多个第二量子阱层中p型掺杂剂的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐层增加。

实施例五

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，适用于制造实施例一至实施例四种任一实施例提供的外延片，参见图3，该制造方法包括：

步骤101：提供一衬底。

该衬底可以为蓝宝石衬底。

步骤102：在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层。

在本实施例中，发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层，多个量子阱层和多个量子垒层交替层叠设置，量子垒层为氮化镓层，多个量子阱层中与n型氮化镓层距离最近的至少三个量子阱层为第一量子阱层，多个量子阱层中除第一量子阱层之外的量子阱层为第二量子阱层，第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层。

本发明实施例通过将量子阱层分成第一量子阱层和第二量子阱层两种，多个量子阱层中与n型氮化镓层距离最近的至少三个量子阱层为第一量子阱层，多个量子阱层中除第一量子阱层之外的量子阱层为第二量子阱层，第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层中的p型掺杂剂可以提供空穴，从而增加量子阱层中的空穴数量，进而增加量子阱层中空穴和电子的复合发光，提高空穴和电子复合发光的效率，提升发光二极管的内量子效率。

可选地，量子阱层的生长温度可以为750～850℃，第一量子阱层和第二量子阱层采用相同的生长温度，工艺操作简单。

可选地，量子垒层的生长温度可以为850～950℃。

可选地，发光层的生长压力可以为200～400torr，采用统一的生长压力，工作操作简单。

实施例六

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，本实施例提供的外延片是实施例五提供的制造方法的一种具体实现。参见图4，该制备方法包括：

步骤200：控制温度为1000～1200℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。

可以理解地，步骤200可以起到清洁蓝宝石衬底表面的作用。

在本实施例中，控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应腔中的温度、压力，后文不再赘述。

在本实施例中，蓝宝石衬底采用[0001]晶向蓝宝石。

步骤201：控制温度为400～600℃，压力为400～600torr，在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层。

可选地，氮化镓缓冲层的厚度可以为15～35nm。

可选地，在步骤201之后，该制备方法还可以包括：

控制温度为1000～1200℃，压力为400～600torr，持续时间为5～10分钟，对氮化镓缓冲层进行原位退火处理。

步骤202：控制温度为1000～1100℃，压力为100～500torr，在氮化镓缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。

可选地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1～5μm。

步骤203：控制温度为1000～1200℃，压力为100～500torr，在未掺杂氮化镓层上生长n型氮化镓层。

可选地，n型氮化镓层的厚度可以为1～5μm。

可选地，n型氮化镓层中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸～10¹⁹cm^-3。

步骤204：在n型氮化镓层上生长多量子阱层。

在本实施例中，发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层，多个量子阱层和多个量子垒层交替层叠设置，量子垒层为氮化镓层，多个量子阱层中与n型氮化镓层距离最近的至少三个量子阱层为第一量子阱层，多个量子阱层中除第一量子阱层之外的量子阱层为第二量子阱层，第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层。

本发明实施例通过将量子阱层分成第一量子阱层和第二量子阱层两种，多个量子阱层中与n型氮化镓层距离最近的至少三个量子阱层为第一量子阱层，多个量子阱层中除第一量子阱层之外的量子阱层为第二量子阱层，第一量子阱层为未掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层包括p型掺杂的铟镓氮层，第二量子阱层中的p型掺杂剂可以提供空穴，从而增加量子阱层中的空穴数量，进而增加量子阱层中空穴和电子的复合发光，提高空穴和电子复合发光的效率，提升发光二极管的内量子效率。

具体地，量子阱层的生长温度可以为750～850℃，量子垒层的生长温度可以为850～950℃，发光层的生长压力可以为200～400torr。

步骤205：控制温度为850～1080℃，压力为200～500torr，在多量子阱层本体上生长p型铝镓氮层。

具体地，p型铝镓氮(algan)层可以为alxga1-xn层，0.1＜x＜0.5。

可选地，p型铝镓氮层的厚度可以为50～150nm。

步骤206：控制温度为750～1080℃，压力为200～500torr，在p型铝镓氮层上生长p型氮化镓层。

可选地，p型氮化镓层的厚度可以为105～500nm。

步骤207：控制温度为650～850℃，持续时间为5～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。

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。