一种氮化镓基发光二极管外延片及其制作方法与流程

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制作方法。

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。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，使氮化镓(gan)基led受到越来越多的关注和研究。

外延片是led制备过程中的初级成品。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。衬底用于为外延材料提供生长表面，n型半导体层用于提供进行复合发光的电子，p型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光。

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：

有源层包括多个阱层和多个垒层，多个阱层和多个垒层交替层叠设置，垒层将注入有源层的电子和空穴限定在阱层中进行复合发光。通常阱层的材料采用高铟组分的氮化铟镓(ingan)，垒层的材料采用氮化镓(gan)。由于高温会造成铟原子解析，因此阱层的生长温度通常较低，垒层的生长温度也不高。但是低温生长会造成有源层的晶体质量较差，影响电子和空穴在有源层进行复合发光，最终造成led的发光效率较低。

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制作方法，能够解决现有技术有源层中电子和空穴的复合效率较低的问题。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的制作方法，所述制作方法包括：

提供一衬底；

采用mocvd技术在所述衬底上生长n型半导体层；

采用脉冲激光沉积技术在所述n型半导体层上形成有源层；

采用mocvd技术在所述有源层上生长p型半导体层。

可选地，所述有源层的形成温度为400℃～600℃。

可选地，所述采用脉冲激光沉积技术在n型半导体层上形成有源层，包括：

将所述衬底放入反应室内，并向所述反应室内通入惰性气体；

向所述反应室内通入氮气，将脉冲激光作用在铟靶和镓靶上，形成量子阱；

向所述反应室内通入氮气，将脉冲激光作用在镓靶上，形成量子垒；

所述量子阱和所述量子垒交替层叠，形成所述有源层。

优选地，所述惰性气体为氩气。

更优选地，所述反应室内通入惰性气体后的压力为0.1pa～10pa。

进一步地，所述反应室内通入氮气后的压力为100torr～500torr。

优选地，所述脉冲激光的电压为400v～500v。

优选地，所述脉冲激光的频率为100khz～300khz。

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，所述氮化镓基发光二极管外延片包括衬底、n型半导体层、有源层和p型半导体层，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，所述有源层采用脉冲激光沉积技术形成。

可选地，所述有源层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置；所述量子阱的材料采用未掺杂的氮化铟镓，所述量子垒的材料采用未掺杂的氮化镓。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用脉冲激光沉积技术形成有源层，可以在较低的温度下形成较高质量的有源层，既保证了有源层的晶体质量，也会造成铟原子在高温下解析，有利于电子和空穴在有源层进行复合发光，最终提高led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制作方法的流程图；

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。

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制作方法。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制作方法的流程图。参见图1，该制作方法包括：

步骤101：提供一衬底。

具体地，衬底的材料可以采用蓝宝石(主要材料为三氧化二铝)，如晶向为[0001]的蓝宝石。

具体地，该步骤101可以包括：

控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，在氢气气氛中对衬底进行1分钟～10分钟(优选为5分钟)退火处理；

对衬底进行氮化处理。

通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。

步骤102：采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：metalorganicchemicalvapordeposition，简称：mocvd)技术在衬底上生长n型半导体层。

具体地，n型半导体层的材料可以采用n型掺杂(如硅)的氮化镓。

进一步地，n型半导体层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；n型半导体层中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3，优选为5*10¹⁸cm^-3。

具体地，该步骤102可以包括：

控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在衬底上生长n型半导体层。

可选地，在步骤102之前，该制作方法可以包括：

采用mocvd技术在衬底上生长缓冲层。

相应地，n型半导体层生长在缓冲层上。

通过设置缓冲层缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，并为氮化镓材料外延生长提供成核中心。

具体地，缓冲层的材料可以采用氮化镓。

进一步地，缓冲层的厚度可以为15nm～35nm，优选为25nm。

具体地，采用mocvd技术在衬底上生长缓冲层，可以包括：

控制温度为400℃～600℃(优选为500℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，在衬底上生长缓冲层；

控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，对缓冲层进行5分钟～10分钟(优选为8分钟)的原位退火处理。

优选地，在采用mocvd技术在衬底上生长缓冲层之后，该制作方法还可以包括：

采用mocvd技术在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。

相应地，n型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。

通过设置未掺杂氮化镓层进一步缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，为外延片主体结构提供晶体质量较好的生长表面。

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未掺杂氮化镓层。

进一步地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。

具体地，采用mocvd技术在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，可以包括：

控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。

步骤103：采用脉冲激光沉积技术(英文：pulsedlaserdeposition，简称：pld)在n型半导体层上形成有源层。

可选地，有源层的形成温度可以为400℃～600℃，优选为580℃。通过降低有源层的形成温度，可以有效避免有源层中的铟原子在高温下解析。

具体地，该步骤103可以包括：

将衬底放入反应室内，并向反应室内通入惰性气体；

向反应室内通入氮气，将脉冲激光作用在铟靶和镓靶上，形成量子阱；

向反应室内通入氮气，将脉冲激光作用在镓靶上，形成量子垒；

量子阱和量子垒交替层叠，形成有源层。

通过将脉冲激光作用在不同的靶材上，分别形成材料不同的量子阱和量子垒。

可选地，惰性气体可以为氩气，实现简单方便。

优选地，反应室内通入惰性气体后的压力可以为0.1pa～10pa，以使反应室内有充足的惰性气体作为气体放电的载体。

更优选地，反应室内通入氮气后的压力可以为100torr～500torr。与现有的生长压力保持一致，有利于提高有源层的晶体质量。

可选地，脉冲激光的电压可以为400v～500v，以满足有源层的形成需要。

可选地，脉冲激光的频率可以为100khz～300khz，以满足有源层的形成需要。

步骤104：采用mocvd技术在有源层上生长p型半导体层。

具体地，p型半导体层的材料可以采用p型掺杂(如镁)的氮化镓。

进一步地，p型半导体层的厚度可以为100nm～200nm，优选为150nm；p型半导体层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，优选为10¹⁹/cm³。

具体地，该步骤104可以包括：

控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，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，在步骤104之前，该制作方法还可以包括：

采用mocvd技术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。

通过设置电子阻挡层避免电子跃迁到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，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm，优选为100nm。

具体地，采用mocvd技术在有源层上生长电子阻挡层，可以包括：

控制温度为850℃～1080℃(优选为950℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上生长电子阻挡层。

优选地，在采用mocvd技术在有源层上生长电子阻挡层之前，该制作方法还可以包括：

采用mocvd技术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。

通过设置低温p型层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。

具体地，低温p型层的材料可以为p型掺杂的氮化镓。

进一步地，低温p型层的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温p型层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸/cm³～10²⁰/cm³，优选为10¹⁹/cm³。

具体地，采用mocvd技术在有源层上生长低温p型层，可以包括：

控制温度为600℃～850℃(优选为750℃)，压力为100torr～600torr(优选为300torr)，在有源层上生长低温p型层。

可选地，在步骤104之后，该制作方法还可以包括：

采用mocvd技术在p型半导体层上生长接触层。

通过设置接触层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型接触层的厚度可以为5nm～100nm，优选为50nm；p型接触层中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10²¹/cm³～10²²/cm³，优选为5*10²¹/cm³。

具体地，采用mocvd技术在p型半导体层上生长接触层，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。除有源层之外，外延片的其它半导体层均采用mocvd技术形成，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。

本发明实施例通过采用脉冲激光沉积技术形成有源层，可以在较低的温度下形成较高质量的有源层，既保证了有源层的晶体质量，也会造成铟原子在高温下解析，有利于电子和空穴在有源层进行复合发光，最终提高led的发光效率。

本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，适用于采用图1所示的制作方法制作而成。图2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2，该氮化镓基发光二极管外延片包括衬底10、n型半导体层20、有源层30和p型半导体层40，n型半导体层20、有源层30和p型半导体层40依次层叠在衬底10上。

在本实施例中，有源层采用脉冲激光沉积技术形成。

可选地，有源层30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；量子阱的材料采用未掺杂的氮化铟镓，量子垒的材料采用未掺杂的氮化镓。

优选地，量子阱的厚度可以为3nm～4nm，量子垒的厚度可以为9nm～20nm；量子垒的数量与量子阱的数量相同，量子阱的数量可以为5个～11个。

可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括缓冲层51，缓冲层51设置在衬底10和第一n型半导体层21之间。

优选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层52，未掺杂氮化镓层52设置在缓冲层51和第一n型半导体层21之间。

可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括应力释放层60，应力释放层60设置在第二n型半导体层22和有源层30之间。

可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层71，电子阻挡层71设置在有源层30和p型半导体层40之间。

优选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括低温p型层72，低温p型层72设置在有源层30和电子阻挡层71之间。

可选地，如图2所示，该发光二极管外延片还可以包括接触层80，接触层80设置在p型半导体层40上。

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。