一种氮化镓基发光二极管外延片及其生长方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其生长方法。

背景技术：

发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)是一种能发光的半导体电子元件。led的核心组件是芯片，芯片包括外延片和设于外延片上的电极。

氮化镓(gan)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，广泛应用于各种波段的led。现有的氮化镓基led外延片包括衬底、n型半导体层、有源层和p型半导体层，n型半导体层、有源层和p型半导体层依次层叠在衬底上。p型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，n型半导体层用于提供进行复合发光的电子，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光，衬底用于为外延材料提供生长表面。

衬底的材料通常选择蓝宝石，n型半导体层、有源层和p型半导体层采用氮化镓基材料，蓝宝石与氮化镓基材料之间的晶格差异较大。为了获得比较好的材料质量和比较高的生产效率，在目前主流的氮化镓基发光二极管外延片的制作过程中，通常需要在蓝宝石衬底(主要成分为al2o3)上预先生长氮化铝缓冲层，引进氮化铝缓冲层可以为氮化镓基材料带来应力释放、提供成核中心等作用，实现晶格结构的过渡。但是目前主流技术所采用的氮化铝缓冲层为各组分均匀分布的单层结构，未能完全发挥氮化铝缓冲层对氮化镓基发光二极管带来的性能提升的潜力。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其生长方法，能够解决现有技术未能完全发挥氮化铝缓冲层对氮化镓基发光二极管带来的性能提升的潜力的问题。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层，所述缓冲层、所述n型半导体层、所述有源层和所述p型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述缓冲层的材料采用掺有氧的氮化铝，所述缓冲层中氧的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少至0。

可选地，所述缓冲层中氧的掺杂浓度的最大值为10¹⁹/cm³～10²²/cm³。

可选地，所述缓冲层的厚度为10nm～50nm。

另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长缓冲层，所述缓冲层的材料采用掺有氧的氮化铝层，所述缓冲层中氧的掺杂浓度沿所述氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少至0；

在所述缓冲层上依次生长n型半导体层、有源层和p型半导体层。

可选地，所述在所述衬底上生长缓冲层，包括：

将所述衬底放入物理气相沉积系统中；

向所述物理气相沉积系统中通入氮气和氧气，并对铝靶进行溅射，在所述衬底上沉积掺有氧的氮化铝，形成缓冲层；

其中，在形成所述缓冲层的过程中，通入所述物理气相沉积系统中的氮气的流量保持不变，通入所述物理气相沉积系统中的氧气的流量逐渐减少至0。

优选地，通入所述物理气相沉积系统中的氧气的流量的最大值为2sccm～5sccm。

优选地，形成所述缓冲层时所述物理气相沉积系统内的温度为400℃～800℃。

优选地，形成所述缓冲层时所述物理气相沉积系统内的压力为4torr～6torr。

优选地，形成所述缓冲层时所述物理气相沉积系统的溅射功率为3000w～5000w。

可选地，所述缓冲层的厚度为10nm～50nm。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过缓冲层的材料氮化铝中掺入氧，并且缓冲层中氧的掺杂浓度沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少至0，使得与采用蓝宝石的衬底接触侧的缓冲层中氧的掺杂浓度较高，从而与衬底具有较小的晶格失配；同时与采用氮化镓基材料的n型半导体层接触侧的缓冲层中氧的掺杂浓度较低，从而与n型半导体层也具有较小的晶格失配，有利于生长应力较小的氮化镓晶体。缓冲层设置在采用蓝宝石的衬底和采用氮化镓基材料的n型半导体层之间，可以实现从蓝宝石到氮化镓基材料两种不同晶格的逐渐过渡，有效缓解蓝宝石和氮化镓基材料之间的晶格失配，充分释放蓝宝石和氮化镓基材料之间晶格失配产生的应力，改善蓝宝石和氮化镓基材料之间晶格失配产生的缺陷，大幅提升外延片的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。

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是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图。

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。

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，图1为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图，参见图1，该氮化镓基发光二极管外延片包括衬底10、缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50，缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50依次层叠在衬底10上。

在本实施例中，缓冲层20的材料采用掺有氧的氮化铝，缓冲层20中氧的掺杂浓度沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少至0。

本发明实施例通过缓冲层的材料氮化铝中掺入氧，并且缓冲层中氧的掺杂浓度沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少至0，使得与采用蓝宝石的衬底接触侧的缓冲层中氧的掺杂浓度较高，从而与衬底具有较小的晶格失配；同时与采用氮化镓基材料的n型半导体层接触侧的缓冲层中氧的掺杂浓度较低，从而与n型半导体层也具有较小的晶格失配，有利于生长应力较小的氮化镓晶体。缓冲层设置在采用蓝宝石的衬底和采用氮化镓基材料的n型半导体层之间，可以实现从蓝宝石到氮化镓基材料两种不同晶格的逐渐过渡，有效缓解蓝宝石和氮化镓基材料之间的晶格失配，充分释放蓝宝石和氮化镓基材料之间晶格失配产生的应力，改善蓝宝石和氮化镓基材料之间晶格失配产生的缺陷，大幅提升外延片的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。

可选地，缓冲层20中氧的掺杂浓度的最大值可以为10¹⁹/cm³～10²²/cm³。

如果缓冲层中氧的掺杂浓度的最大值小于，则可能由于缓冲层中氧的掺杂浓度的最大值太小而造成缓冲层中氧的掺杂浓度整体较低，无法有效缓解蓝宝石和氮化镓基材料之间的晶格失配，影响外延片的晶体质量，导致无法有效提升led的内量子效率、亮度以及光效；如果缓冲层中氧的掺杂浓度的最大值大于10²²/cm³，则可能由于缓冲层中氧的掺杂浓度的最大值太大而无法有效缓解蓝宝石和氮化镓基材料之间的晶格失配，影响外延片的晶体质量，导致无法有效提升led的内量子效率、亮度以及光效。

可选地，缓冲层20的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm。

如果缓冲层的厚度小于10nm，则可能由于缓冲层的厚度太小而无法有效缓解蓝宝石和氮化镓基材料之间的晶格失配；如果缓冲层的厚度大于50nm，则可能由于缓冲层的厚度太大而造成浪费，增加生产成本。

具体地，衬底10的材料可以采用蓝宝石。n型半导体层30的材料可以采用n型掺杂的氮化镓。有源层40可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置；量子阱的材料可以采用氮化铟镓(ingan)，量子垒的材料可以采用氮化镓。p型半导体层50的材料可以采用p型掺杂的氮化镓。

进一步地，n型半导体层30的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；n型半导体层30中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3，优选为5*10¹⁸cm^-3。量子阱的厚度可以为2nm～3nm，优选为2.5nm；量子垒的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～11个，优选为8个。p型半导体层50的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm；p型半导体层50中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，优选为10¹⁹/cm³。

可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括高温缓冲层71，高温缓冲层71设置在缓冲层20和n型半导体层30之间，以缓解衬底和n型半导体层之间的晶格失配。

在具体实现时，缓冲层为首先在衬底上低温生长的一层较薄的氮化镓，因此也称为低温缓冲层。再在低温缓冲层进行氮化镓的纵向生长，会形成多个相互独立的三维岛状结构，称为三维成核层；然后在所有三维岛状结构上和各个三维岛状结构之间进行氮化镓的横向生长，形成二维平面结构，称为二维恢复层；最后在二维生长层上高温生长一层较厚的氮化镓，称为本征氮化镓层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和本征氮化镓层统称为高温缓冲层。

进一步地，高温缓冲层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。

可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括应力释放层72，应力释放层72设置在n型半导体层30和有源层40之间，以对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力进行释放，提高有源层的晶体质量，有利于电子和空穴在有源层进行辐射复合发光，提高led的内量子效率，进而提高led的发光效率。

具体地，应力释放层72可以包括多个氮化铟镓层和多个氮化镓层，多个氮化铟镓层和多个氮化镓层交替层叠设置。

进一步地，应力释放层72中氮化铟镓层的厚度可以为1nm～3nm，优选为2nm；氮化镓层的厚度可以为20nm～40nm，优选为30nm；氮化铟镓层的数量与氮化镓层的数量相同，氮化镓层的数量可以为3个～9个，优选为6个。

可选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层73，电子阻挡层73设置在有源层40和p型半导体层50之间，以避免电子跃迁到p型半导体层中与空穴进行非辐射复合，降低led的发光效率。

具体地，电子阻挡层73的材料可以采用p型掺杂的氮化铝镓(algan)，如alyga1-yn，0.1＜y＜0.5。

进一步地，电子阻挡层73的厚度可以为20nm～100nm，优选为60nm。

优选地，如图1所示，该氮化镓基发光二极管外延片还可以包括低温p型层74，低温p型层74设置在有源层40和电子阻挡层73之间，以避免电子阻挡层较高的生长温度造成有源层中的铟原子析出，影响发光二极管的发光效率。

在本实施例的一种实现方式中，低温p型层74可以与p型半导体层50基本相同，不同之处仅在于，低温p型层74的生长温度低于p型半导体层50的生长温度。

在本实施例的另一种实现方式中，低温p型层74的材料可以为p型掺杂的氮化镓。

进一步地，低温p型层74的厚度可以为30nm～50nm，优选为40nm；低温p型层74中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10²⁰/cm³～10²¹/cm³，优选为5*10²⁰/cm³。

可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括p型接触层75，p型接触层75铺设在p型半导体层50上，以与芯片制作工艺中形成的电极或者透明导电薄膜之间形成欧姆接触。

具体地，p型接触层75的材料可以采用p型掺杂的氮化铟镓。

进一步地，p型接触层75的厚度可以为5nm～300nm，优选为150nm；p型接触层75中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10²¹/cm³～10²²/cm³，优选为6*10²¹/cm³。

图1所示的氮化镓基发光二极管外延片的一种具体实现包括：衬底10、缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50，缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50依次层叠在衬底10上。其中，衬底10的材料采用蓝宝石；缓冲层20的材料采用掺有氧的氮化铝，缓冲层中氧的掺杂浓度从10¹⁹/cm³逐渐减少至0，厚度为30nm；n型半导体层30的材料采用n型掺杂的氮化镓，厚度为3μm，n型掺杂剂的掺杂浓度为5*10¹⁸cm^-3；有源层40包括交替层叠的8个量子阱和8个量子垒，量子阱的材料为氮化铟镓，量子阱的厚度为2.5nm，量子垒的材料为氮化镓，量子垒的厚度为15nm；p型半导体层50的材料采用p型掺杂的氮化镓，厚度为450nm，p型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

将上述外延片制成芯片，与缓冲层由厚度为30nm的氮化铝组成且其它层结构相同的外延片制成的芯片相比，发光效率提高了0.5％～0.7％。

图1所示的氮化镓基发光二极管外延片的一种具体实现包括：衬底10、缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50，缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50依次层叠在衬底10上。其中，衬底10的材料采用蓝宝石；缓冲层20的材料采用掺有氧的氮化铝，缓冲层中氧的掺杂浓度从5*10²⁰/cm³逐渐减少至0，厚度为30nm；n型半导体层30的材料采用n型掺杂的氮化镓，厚度为3μm，n型掺杂剂的掺杂浓度为5*10¹⁸cm^-3；有源层40包括交替层叠的8个量子阱和8个量子垒，量子阱的材料为氮化铟镓，量子阱的厚度为2.5nm，量子垒的材料为氮化镓，量子垒的厚度为15nm；p型半导体层50的材料采用p型掺杂的氮化镓，厚度为450nm，p型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

将上述外延片制成芯片，与缓冲层由厚度为30nm的氮化铝组成且其它层结构相同的外延片制成的芯片相比，发光效率提高了0.5％～0.7％。

图1所示的氮化镓基发光二极管外延片的一种具体实现包括：衬底10、缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50，缓冲层20、n型半导体层30、有源层40和p型半导体层50依次层叠在衬底10上。其中，衬底10的材料采用蓝宝石；缓冲层20的材料采用掺有氧的氮化铝，缓冲层中氧的掺杂浓度从10²²/cm³逐渐减少至0，厚度为30nm；n型半导体层30的材料采用n型掺杂的氮化镓，厚度为3μm，n型掺杂剂的掺杂浓度为5*10¹⁸cm^-3；有源层40包括交替层叠的8个量子阱和8个量子垒，量子阱的材料为氮化铟镓，量子阱的厚度为2.5nm，量子垒的材料为氮化镓，量子垒的厚度为15nm；p型半导体层50的材料采用p型掺杂的氮化镓，厚度为450nm，p型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁹cm^-3。

将上述外延片制成芯片，与缓冲层由厚度为30nm的氮化铝组成且其它层结构相同的外延片制成的芯片相比，发光效率提高了0.5％～0.7％。

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，适用于生长图1所示的氮化镓基发光二极管外延片。图2为本发明实施提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图，参见图2，该生长方法包括：

步骤201：提供一衬底。

步骤202：在衬底上生长缓冲层。

在本实施例中，缓冲层的材料采用掺有氧的氮化铝，缓冲层中氧的掺杂浓度沿该氮化镓基发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少至0。

可选地，该步骤202可以包括：

将衬底放入物理气相沉积(英文：physicalvapordeposition，简称：pvd)技术(如磁控溅射的方式)系统中；

向pvd系统中通入氮气和氧气，并对铝靶进行溅射，在衬底上沉积掺有氧的氮化铝，形成缓冲层；

其中，在形成缓冲层的过程中，通入pvd系统中的氮气的流量保持不变，通入pvd系统中的氧气的流量逐渐减少至0。

采用pvd系统沉积缓冲层，可以优化沉积时间，将缓冲层和后续的外延生长(即n型半导体层等的生长，详见步骤203)分开进行，大幅度缩减了生长时间，提高产能。而且采用pvd系统形成的氮化铝薄膜表面平整(粗糙度小于1nm)，可以大幅降低(002)和(102)晶面x射线衍射(英文：x-raydiffraction，简称：xrd)衍射半高宽，改善外延片的晶体质量，提高外延片的光电性能。

优选地，通入pvd系统中的氧气的流量的最大值可以为2sccm～5sccm，以匹配缓冲层中氧的掺杂浓度。

优选地，形成缓冲层时pvd内的温度可以为400℃～800℃。

如果形成缓冲层时pvd内的温度低于400℃，则可能由于形成缓冲层时pvd内的温度太低而造成缓冲层的晶体质量较差；如果形成缓冲层时pvd内的温度高于800℃，则可能由于形成缓冲层时pvd内的温度太高而造成无法提供成核中心。

优选地，形成缓冲层时pvd内的压力可以为4torr～6torr，以使pvd系统可以形成所需的缓冲层。

优选地，形成缓冲层时pvd的溅射功率为3000w～5000w。

如果形成缓冲层时pvd的溅射功率低于5000w，则可能由于形成缓冲层时pvd的溅射功率太低而造成缓冲层的结晶质量较差，无法为氮化镓基材料的生长提供良好的起点，同时缓冲层的沉积速率较慢，影响外延片的生产效率；如果形成缓冲层时pvd的溅射功率低于高于5000w，则可能由于形成缓冲层时pvd的溅射功率太高，使得电弧放电太多，衬底表面很容易产生微粒，对衬底造成污染。

步骤203：在缓冲层上依次生长n型半导体层、有源层和p型半导体层。

在实际应用中，可以采用mocvd技术生长n型半导体层、有源层和p型半导体层。

具体地，该步骤203可以包括：

第一步，控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长n型半导体层；

第二步，在n型半导体层上生长有源层；其中，量子阱的生长温度为720℃～829℃(优选为770℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度为850℃～959℃(优选为900℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)；

第三步，控制温度为600℃～1000℃(优选为800℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在有源层上生长p型半导体层。

可选地，在第一步之前，该制作方法还可以包括：

在缓冲层上生长高温缓冲层。

相应地，n型半导体层生长在高温缓冲层上。

具体地，在缓冲层上生长高温缓冲层，可以包括：

控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长高温缓冲层。

可选地，在第二步之前，该制作方法还可以包括：

在n型半导体层上生长应力释放层。

相应地，有源层生长在应力释放层上。

具体地，在n型半导体层上生长应力释放层，可以包括：

控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在n型半导体层上生长应力释放层。

可选地，在第三步之前，该制作方法还可以包括：

在有源层上生长电子阻挡层。

相应地，p型半导体层生长在电子阻挡层上。

具体地，在有源层上生长电子阻挡层，可以包括：

控制温度为200℃～1000℃(优选为600℃)，压力为50torr～500torr(优选为300torr)，在有源层上生长电子阻挡层。

优选地，在有源层上生长电子阻挡层之前，该制作方法还可以包括：

在有源层上生长低温p型层。

相应地，电子阻挡层生长在低温p型层上。

具体地，在有源层上生长低温p型层，可以包括：

控制温度为750℃～850℃(优选为800℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在有源层上生长低温p型层。

可选地，在第三步之后，该制作方法还可以包括：

在p型半导体层上生长p型接触层。

具体地，在p型半导体层上生长p型接触层，可以包括：

控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在p型半导体层上生长p型接触层。

需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。

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，具体为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：metal-organicchemicalvapordeposition，简称：mocvd)设备的反应腔。实现时以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氨气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂剂选用硅烷，p型掺杂剂选用二茂镁。

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。