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)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，led正在被迅速广泛地应用在交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等领域。led的核心组件是芯片，提高芯片的发光效率是led应用过程中不断追求的目标。

芯片包括外延片和设置在外延片上的电极。现有的led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，缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层依次层叠在衬底上。衬底用于提供外延生长的表面，缓冲层用于提供外延生长的成核中心，n型半导体层用于提供复合发光的电子，p型半导体层用于提供复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的复合发光。

通常衬底的材料采用蓝宝石，缓冲层、n型半导体层、有源层和p型半导体层的材料采用氮化镓基材料，氮化镓基材料和蓝宝石之间存在较大的晶格失配，晶格失配产生的应力会沿外延生长的方向延伸到有源层中，影响电子和空穴的复合发光。为了释放晶格失配产生的应力，一般会在n型半导体层和有源层之间设置应力释放层。应力释放层采用多个未掺杂的氮化铟镓(ingan)层和多个未掺杂的氮化镓(gan)层交替层叠形成的超晶格结构。

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：

如果应力释放层较薄，则应力释放效果较差，晶格失配产生的应力会影响有源层中电子和空穴的复合发光，降低led的发光效率；如果应力释放层较厚，则会影响n型半导体层提供的电子注入有源层中，也会降低led的发光效率。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其生长方法，能够解决现有技术应力释放层无法有效提高led发光效率的问题，。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、缓冲层、n型半导体层、应力释放层、有源层和p型半导体层，所述缓冲层、所述n型半导体层、所述应力释放层、所述有源层和所述p型半导体层依次层叠在所述衬底上；所述应力释放层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层；所述第一子层的材料采用掺杂硅和铟的氮化镓，所述第二子层的材料采用掺杂硅的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂铟的氮化镓；同一个所述复合结构中，所述第二子层中硅的掺杂浓度小于所述第一子层中硅的掺杂浓度，所述第三子层中铟的掺杂浓度大于所述第一子层中铟的掺杂浓度。

可选地，同一个所述复合结构中，所述第一子层中硅的掺杂浓度为所述第二子层中硅的掺杂浓度的2倍～5倍。

进一步地，所述n型半导体层的材料采用掺杂硅的氮化镓，所述第一子层中硅的掺杂浓度为所述n型半导体层中硅的掺杂浓度的1/200～1/20。

可选地，所述多个复合结构的所述第一子层中硅的掺杂浓度沿所述多个复合结构的层叠方向逐渐减小，所述多个复合结构的所述第二子层中硅的掺杂浓度沿所述多个复合结构的层叠方向逐渐减小。

进一步地，相邻两个所述复合结构中，先层叠的所述复合结构的所述第一子层中硅的掺杂浓度为后层叠的所述复合结构的所述第一子层中硅的掺杂浓度的2倍～3倍，先层叠的所述复合结构的所述第二子层中硅的掺杂浓度为后层叠的所述复合结构的所述第二子层中硅的掺杂浓度的2倍～3倍。

可选地，同一个所述复合结构中，所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述第一子层中铟的掺杂浓度的2倍～6倍。

进一步地，所述有源层包括交替层叠的多个量子阱和多个量子垒，所述量子阱的材料采用掺杂铟的氮化镓，所述第三子层中铟的掺杂浓度为所述量子阱中铟的掺杂浓度的1/5～1/2。

可选地，同一个所述复合结构中，所述第一子层的厚度大于所述第三子层的厚度，所述第三子层的厚度大于所述第二子层的厚度。

另一方面，本发明实施例提供了一种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；

在所述衬底上依次生长缓冲层、n型半导体层、应力释放层、有源层和p型半导体层；

其中，所述应力释放层包括依次层叠的多个复合结构，每个所述复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层；所述第一子层的材料采用掺杂硅和铟的氮化镓，所述第二子层的材料采用掺杂硅的氮化镓，所述第三子层的材料采用掺杂铟的氮化镓；同一个所述复合结构中，所述第二子层中硅的掺杂浓度小于所述第一子层中硅的掺杂浓度，所述第三子层中铟的掺杂浓度大于所述第一子层中铟的掺杂浓度。

可选地，所述应力释放层的生长温度低于所述n型半导体层，所述应力释放层的生长温度高于所述有源层的生长温度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过采用多个由第一子层、第二子层和第三子层组成的复合结构形成应力释放层，应力释放层为超晶格结构，可以起到释放应力的作用。第一子层的材料采用掺杂硅和铟的氮化镓，第二子层的材料采用掺杂硅的氮化镓，第三子层的材料采用掺杂铟的氮化镓，第一子层和第二子层中可以形成载流子的运输通道，促进n型半导体层提供的电子注入有源层中；而且同一个复合结构中，第二子层中硅的掺杂浓度比第一子层中硅的掺杂浓度高，硅的掺杂浓度整体从多到少，与n型半导体层和有源层的晶格更为匹配，减少应力对有源层的影响；加上同一个复合结构中，第三子层中铟的掺杂浓度大于第一子层中铟的掺杂浓度，不但与有源层形成较优的晶格匹配，而且可以调整应力释放层内部的晶格匹配，尽可能减少延伸到有源层的应力，有效提升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应力释放层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种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发光二极管外延片。图1为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图。参见图1，该发光二极管外延片包括衬底1、缓冲层2、n型半导体层3、应力释放层4、有源层5和p型半导体层6，缓冲层2、n型半导体层3、应力释放层4、有源层5和p型半导体层6依次层叠在衬底1上。

图2为本发明实施例提供的应力释放层的结构示意图。参见图2，在本实施例中，应力释放层4包括依次层叠的多个复合结构40，每个复合结构包括依次层叠的第一子层41、第二子层42和第三子层43。第一子层41的材料采用掺杂硅和铟的氮化镓，第二子层42的材料采用掺杂硅的氮化镓，第三子层43的材料采用掺杂铟的氮化镓。同一个复合结构40中，第二子层42中硅的掺杂浓度小于第一子层41中硅的掺杂浓度，第三子层43中铟的掺杂浓度大于第一子层41中铟的掺杂浓度。

本发明实施例通过采用多个由第一子层、第二子层和第三子层组成的复合结构形成应力释放层，应力释放层为超晶格结构，可以起到释放应力的作用，并且与单个复合结构相比，应力释放效果特别明显。第一子层的材料采用掺杂硅和铟的氮化镓，第二子层的材料采用掺杂硅的氮化镓，第三子层的材料采用掺杂铟的氮化镓，第一子层和第二子层中可以形成载流子的运输通道，促进n型半导体层提供的电子注入有源层中；而且同一个复合结构中，第二子层中硅的掺杂浓度比第一子层中硅的掺杂浓度高，硅的掺杂浓度整体从多到少，与n型半导体层和有源层的晶格更为匹配，减少应力对有源层的影响；加上同一个复合结构中，第三子层中铟的掺杂浓度大于第一子层中铟的掺杂浓度，不但与有源层形成较优的晶格匹配，而且可以调整应力释放层内部的晶格匹配，尽可能减少延伸到有源层的应力，有效提升led的发光效率。

可选地，同一个复合结构40中，第一子层41中硅的掺杂浓度可以为第二子层42中硅的掺杂浓度的2倍～5倍，在形成载流子运输通道，有效促进电流扩展的情况下，尽可能避免对外延片晶体质量的不良影响。

进一步地，n型半导体层的材料可以采用掺杂硅的氮化镓；第一子层41中硅的掺杂浓度可以为n型半导体层3中硅的掺杂浓度的1/200～1/20，有利于匹配n型半导体层和有源层。

示例性地，第一子层41中硅的掺杂浓度可以为5*10¹⁷/cm³～5*10¹⁸/cm³，第二子层42中硅的掺杂浓度可以为1*10¹⁷/cm³～6*10¹⁷/cm³，n型半导体层3中硅的掺杂浓度可以为1*10¹⁹/cm³～1*10²⁰/cm³。

进一步地，第一子层41中硅的掺杂浓度可以为6*10¹⁷/cm³～4*10¹⁸/cm³，如1*10¹⁸/cm³；第二子层42中硅的掺杂浓度可以为1*10¹⁷/cm³～6*10¹⁷/cm³，如3*10¹⁷/cm³。

可选地，多个复合结构40的第一子层41中硅的掺杂浓度可以沿多个复合结构40的层叠方向逐渐减小，多个复合结构40的第二子层42中硅的掺杂浓度可以沿多个复合结构40的层叠方向逐渐减小，有利于匹配n型半导体层和有源层。

进一步地，相邻两个复合结构40中，先层叠的复合结构40的第一子层41中硅的掺杂浓度可以为后层叠的复合结构40的第一子层41中硅的掺杂浓度的2倍～3倍，先层叠的复合结构40的第二子层42中硅的掺杂浓度可以为后层叠的复合结构40的第二子层42中硅的掺杂浓度的2倍～3倍，实现效果好。

可选地，同一个复合结构40中，第三子层43中铟的掺杂浓度可以为第一子层41中铟的掺杂浓度的2倍～6倍，既能兼顾外延片内的晶格匹配，又能避免极化效应增强。

示例性地，同一个复合结构40中，第三子层43中铟的掺杂浓度可以为第一子层41中铟的掺杂浓度的2倍～5倍，实现效果好。

进一步地，有源层50可以包括交替层叠的多个量子阱和多个量子垒，量子阱的材料可以采用掺杂铟的氮化镓；第三子层43中铟的掺杂浓度可以为量子阱中铟的掺杂浓度的1/5～1/3，促进应力释放层与有源层的晶格匹配，同时还能保证应力释放层晶格的完整性。

示例性地，第三子层43中铟的掺杂浓度可以为量子阱中铟的掺杂浓度的1/5～1/2，实现效果好。

示例性地，第一子层41中铟的掺杂浓度可以为4*10¹⁸/cm³～1*10¹⁹/cm³，第三子层43中铟的掺杂浓度可以为1*10¹⁹/cm³～8*10¹⁹/cm³，量子阱中铟的掺杂浓度可以为2*10¹⁹/cm³～5*10²⁰/cm³。

进一步地，第一子层41中铟的掺杂浓度可以为4*10¹⁸/cm³～1*10¹⁹/cm³，如7*10¹⁸/cm³；第三子层43中铟的掺杂浓度可以为1*10¹⁹/cm³～8*10¹⁹/cm³，如4*10¹⁹/cm³。

可选地，多个复合结构40的第一子层41中铟的掺杂浓度可以沿多个复合结构40的层叠方向逐渐增大，多个复合结构40的第三子层43中铟的掺杂浓度可以沿多个复合结构40的层叠方向逐渐增大，有利于外延片内的晶格匹配。

进一步地，相邻两个复合结构40中，后层叠的复合结构40的第一子层41中铟的掺杂浓度可以为先层叠的复合结构40的第一子层41中铟的掺杂浓度的1.1倍～1.2倍，后层叠的复合结构40的第三子层43中铟的掺杂浓度可以为先层叠的复合结构40的第三子层43中铟的掺杂浓度的1.1倍～1.2倍，实现效果好。

可选地，同一个复合结构40中，第一子层41的厚度可以大于第三子层43的厚度，第三子层43的厚度可以大于第二子层42的厚度。一方面可以有效起到释放应力和扩展电流的作用，另一方面内部的晶格匹配较好，可以避免负影响的产生。

进一步地，第一子层41的厚度可以为第三子层43的厚度的2倍～15倍，第三子层43的厚度可以为第二子层42的厚度的2倍～16倍，既有利于应力释放和电流扩展，也能保证晶体质量，避免极化效应增强。

示例性地，第一子层41的厚度可以为第三子层43的厚度的3倍～12倍，第三子层43的厚度可以为第二子层42的厚度的2倍～12倍，实现效果好。

示例性地，第一子层41的厚度可以为15nm～30nm，第二子层42的厚度可以为2nm～8nm，第三子层43的厚度可以为0.5nm～4nm。

进一步地，第一子层41的厚度可以为15nm～25nm，如20nm；第二子层42的厚度可以为2nm～6nm，如4nm；第三子层43的厚度可以为0.5nm～2nm，如1nm。

可选地，多个复合结构40的数量可以为3个～20个，既能利用超晶格结构有效释放晶格失配产生并延伸的应力，也能避免生长时间太长而降低外延片的晶体质量。

示例性地，多个复合结构40的数量可以为3个～15个，如9个，实现效果好，应力释放效果和晶体质量都很稳定。

在实际应用中，应力释放层4还可以包括第一包覆层和第二盖层，第一包覆层设置在n型半导体层和多个复合结构之间，第二包覆层设置在多个复合结构和有源层之间；第一包覆层和第二包覆层的材料采用掺杂硅的氮化镓，第一包覆层和第二包覆层中硅的掺杂浓度与第二子层中硅的掺杂浓度相同，有利于电子注入有源层。进一步地，第一包覆层和第二包覆层的厚度与第二子层的厚度相同，厚度较薄，避免对晶体质量造成不良影响。

可选地，衬底1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。缓冲层2的材料可以采用未掺杂的氮化镓或者氮化铝。量子垒的材料可以采用氮化镓。p型半导体层6的材料可以采用p型掺杂(如镁)的氮化镓。

进一步地，缓冲层2的厚度可以为15nm～30nm，优选为25nm。n型半导体层3的厚度可以为2μm～3μm，优选为2.5μm。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8nm～11nm，优选为9.5nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为11个～13个，优选为12个；有源层5的厚度可以为130nm～160nm，优选为145nm。p型半导体层6的厚度可以为50nm～80nm，优选为65nm。p型半导体层6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，该发光二极管外延片还可以包括未掺杂氮化镓层7，未掺杂氮化镓层7设置在缓冲层2和n型半导体层3之间，以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2为首先在图形化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7。

进一步地，未掺杂氮化镓层7的厚度可以为2μm～3.5μm，优选为2.75μm。

可选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括电子阻挡层81，电子阻挡层81设置在有源层5和p型半导体层6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81的材料可以采用p型掺杂的氮化铝镓(algan)，如alyga1-yn，0.15＜y＜0.25。

进一步地，电子阻挡层81的厚度可以为30nm～50nm，优选为40nm。

优选地，如图1所示，该发光二极管外延片还可以包括低温p型层82，低温p型层82设置在有源层4和电子阻挡层81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。

具体地，低温p型层82的材料可以为与p型半导体层6的材料相同。在本实施例中，低温p型层82的材料可以为p型掺杂的氮化镓。

进一步地，低温p型层82的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温p型层82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，该发光二极管外延片还可以包括接触层9，接触层9设置在p型半导体层6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，接触层9的材料可以采用p型掺杂的氮化铟镓或者氮化镓。

进一步地，接触层9的厚度可以为5nm～300nm，优选为100nm；接触层9中p型掺杂剂的掺杂浓度可以为10²¹/cm³～10²²/cm³，优选为5*10²¹/cm³。

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，适用于生长图1所示的发光二极管外延片。图3为本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。参见图3，该生长方法包括：

步骤201：提供一衬底。

可选地，该步骤201可以包括：

控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在氢气气氛中对衬底进行5分钟～6分钟(优选为5.5分钟)退火处理。

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202：在衬底上依次生长缓冲层、n型半导体层、应力释放层、有源层和p型半导体层。

在本实施例中，应力释放层包括依次层叠的多个复合结构，每个复合结构包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层。第一子层的材料采用掺杂硅和铟的氮化镓，第二子层的材料采用掺杂硅的氮化镓，第三子层的材料采用掺杂铟的氮化镓。同一个复合结构中，第二子层中硅的掺杂浓度小于第一子层中硅的掺杂浓度，第三子层中铟的掺杂浓度大于第一子层中铟的掺杂浓度。

可选地，应力释放层的生长温度可以低于n型半导体层，应力释放层的生长温度可以高于有源层的生长温度。应力释放层的生长温度在n型半导体层的生长温度和有源层的生长温度之间，既能有效释放n型半导体层高温生长所带来的应力，减少延伸到有源层的应力，提高led的发光效率，又能避免高温生长对有源层的破坏。

进一步地，应力释放层的生长温度可以比n型半导体层的生长温度低150℃～300℃，一方面避免生长温度偏高对有源层造成破坏，另一方面避免生长温度偏低而影响外延片的晶体质量。

示例性地，应力释放层的生长温度可以比n型半导体层的生长温度低200℃～300℃，如250℃，实现效果好，可同时保证应力释放层和有源层的晶体质量。

示例性地，应力释放层的生长温度可以为700℃～950℃。

进一步地，应力释放层的生长温度可以为800℃～900℃，如850℃。

可选地，该步骤202可以包括：

第一步，控制温度为530℃～560℃(优选为545℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在衬底上生长缓冲层；

第二步，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n型半导体层；

第三步，控制温度为700℃～950℃(优选为800℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在n型半导体层上生长应力释放层；

第四步，在应力释放层上生长有源层；其中，量子阱的生长温度为760℃～780℃(优选为770℃)，压力为200torr；量子垒的生长温度为860℃～890℃(优选为875℃)，压力为200torr；

第五步，控制温度为940℃～980℃(优选为960℃)，压力为200torr～600torr(优选为400torr)，在有源层上生长p型半导体层。

可选地，在第三步之前，该生长方法还可以包括：

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。

具体地，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200torr～600torr(优选为400torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。

可选地，在第五步之前，该生长方法还可以包括：

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930℃～970℃(优选为950℃)，压力为100torr，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，该生长方法还可以包括：

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，在第五步之后，该生长方法还可以包括：

在p型半导体层上生长接触层。

具体地，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，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，如veecok465imocvd或者veecoc4mocvd。实现时以氢气、或者氮气、或者氢气和氮气的混合气体作为载气，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，硅烷作为硅源，二茂镁作为镁源。

通过改变应力释放层的个别参数(如第一子层和第二子层中硅的掺杂浓度)，保证应力释放层的其它参数(如第一子层和第三子层中铟的掺杂浓度，第一子层、第二子层和第三子层的厚度、复合结构的数量等)、其它层的所有参数(如缓冲层的厚度、n型半导体层的厚度、n型半导体层中硅的掺杂浓度等)，形成多种发光二极管外延片的样品。将这些样品与采用现有应力释放层的发光二极管外延片均制成芯片进行测试，测试结果如下表所示：

表一

表二

表三

表四

表五

表六

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。