一种外延结构及其制备方法和双色LED半导体器件与流程

本发明涉及半导体，尤其涉及一种外延结构及其制备方法和双色led半导体器件。

背景技术：

1、现有单片双有源层发光二极管(light-emitting diode，led)的方案主要是利用单芯片上多有源层的叠层量子阱led结构发射多色光合成白光，在有源层的不同层中采用不同的铟(in)组分，以发射不同颜色的光，无须荧光物质就得到了白光发射。

2、然而，现有单片双有源层双色led器件的缺陷十分明显。一方面，蓝光有源层向下发射的蓝光会在经过黄光有源层的过程中被吸收，从而降低了器件最终的出光效率；另一方面，短波长的光(比如：蓝光)对应的量子阱结构生长所需的温度高于长波长的光(比如：黄光)对应的量子阱结构的耐受温度，将导致长波长的光对应的量子阱结构的性能退化。

3、因此，需要开发新的单片双有源层双色led器件及其生长工艺克服上述问题。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种外延结构及其制备方法和双色led半导体器件，通过在外延结构的n型gan层中设计均匀周期性分布的v坑，使n型gan层的表面同时存在极性面和半极性面，进而达到相同生长条件下生长出的量子阱层在不同晶面的in组分含量不同，实现双色光的发射，无需采用光刻工艺且提高了外延结构的出光效率。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种外延结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、提供一衬底；

5、在所述衬底上依次生长成核层与缓冲层；

6、在所述缓冲层上生长基础n型gan层，并再对所述基础n型gan层进行选择性刻蚀，以在所述基础n型gan层的位错位置形成v坑，得到含v坑的n型gan层；

7、在所述含v坑的n型gan层上交替生长ingan层和gan层，形成多量子阱层；所述多量子阱层包括与所述n型gan层相对应的v坑，所述v坑的侧壁和所述v坑的外部周边平面的铟组分含量不同；

8、在所述多量子阱层上依次生长电子阻挡层与p型氮化物层。

9、本发明提供的双色led器件的外延结构的制备方法对基础n型gan层进行选择性刻蚀，使n型gan层的位错处形成v坑，同时含有极性面和半极性面；再通过在极性面和半极性面上生长ingan即可得到v坑的侧壁和v坑的外部周边平面之间的铟组分含量不同的ingan层，从而能够发射两种不同波长的光。本发明提供的方法不涉及光刻工艺，工艺流程更加简单，而且相同条件下的单层ingan材料的生长即可得到in组分含量不同的ingan层，解决了堆叠双有源层结构制备过程中长波长量子阱结构发生退化的问题。

10、优选地，所述成核层的生长温度为1000～1200℃，例如可以是1000℃、1050℃、1080℃、1100℃、1120℃、1150℃、1180℃或1200℃等。

11、优选地，所述成核层的生长压力为100～150mbar，例如可以是100mbar、105mbar、110mbar、115mbar、120mbar、125mbar、130mbar、135mbar、140mbar、145mbar或150mbar等。

12、本发明的关键在于获得均匀分布且密度适中的位错位置，为后续的选择性刻蚀提供条件，优选将成核层的生长温度和生长压力控制在上述范围，更有利于控制成核层中的位错密度，当温度过高时，存在衬底氮化过于严重，材料表面出现六方等宏观缺陷，当温度过低时存在后续生长的gan层内部位错密度过高的问题；当压力过高时存在成核岛无法成功合并，成核层表面粗糙的缺陷，当压力过低时存在生长速率过低、生长时间过长以及外延成本偏高的缺陷。

13、优选地，所述选择性刻蚀包括采用刻蚀气体和氨气的混合气体，进行刻蚀。

14、优选地，所述刻蚀气体和氨气的流量比为(1～2)：(10～20)，例如可以是1：10、1.5：10、2：10、1：15、2：15、1：20或2：20等。

15、本发明为了获得期望的v坑，需要控制对n型gan的位错位置进行快速刻蚀而对n型gan的其他位置的刻蚀速率较慢；优选将刻蚀气体和氨气的流量控制在上述范围，能够更好地保障刻蚀的速度和均匀性，避免刻蚀气体流量过大导致刻蚀速率过快，gan表面的v坑相接，v坑的外部周边不再含平面结构(即gan表面不含极性面)的情况；同时避免流量过小导致的不能对位错充分刻蚀形成v坑，无法获得v坑。

16、优选地，所述选择性刻蚀的温度为500～600℃，例如可以是500℃、512℃、523℃、534℃、545℃、556℃、567℃、578℃、589℃或600℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

17、优选地，所述选择性刻蚀的压力为200～300mbar，例如可以是200mbar、212mbar、223mbar、234mbar、245mbar、256mbar、267mbar、278mbar、289mbar或300mbar等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

18、本发明优选将选择性性刻蚀的温度和压力控制在上述范围，能够将选择性刻蚀的速度控制在特定范围内，从而能够更精准的控制v坑的深度，避免出现因刻蚀的速度过快导致无法精确控制刻蚀深度，以及避免因温度及压力过低导致刻蚀反应无法启动等缺陷。

19、优选地，所述ingan层的生长中铟源：镓源：氨气的流量比为(10～15)：(20～30)：(3000～4000)，例如可以是10：20：3000、12：20：3000、15：20：3000、10：25：3000、10：30：3000、10：20：3500、10：20：4000或15：25：4000等。

20、本发明为了尽可能得到不重叠的两种发光波长，需要将ingan层中第一区域(比如：v坑对应的区域)和第二区域(比如：v坑的外部周边平面所在的区域)的in组分含量的差距拉开，通过将ingan层生长的nh3：tmga：tmin的流量比控制在上述范围，能够保障在不同晶面生长的ingan层中in组分的含量差距达到理想值，从而实现发射两种不同波长的光。

21、第二方面，本发明提供一种外延结构，所述外延结构包括：

22、衬底；

23、位于所述衬底上的成核层；

24、位于所述成核层上的缓冲层；

25、位于所述缓冲层上的n型gan层，所述n型gan层的位错位置处包括v坑，所述v坑的侧壁为半极性面，所述v坑的外部周边平面为极性面；

26、位于所述n型gan层上的多量子阱层，所述多量子阱层包括周期性交替叠加的ingan层和gan层，所述多量子阱层还包括与所述n型gan层相对应的v坑；所述v坑的侧壁和所述v坑的外部周边平面的铟组分含量不同；

27、位于所述多量子阱层上的电子阻挡层；

28、位于所述电子阻挡层上的p型氮化物层。

29、本发明提供的外延结构通过在n型gan层上设置v坑，使得同时含有极性面和半极性面，多量子阱层中的ingan层生长在极性面和半极性面上，形成与n型gan层相对应的v坑，v坑的侧壁为半极性面，v坑的外部周边平面为极性面，由于不同晶面的原子排列方式不同，会影响in原子并入gan晶格的效率，最终导致不同晶面的ingan中in组分含量不同，从而在单层ingan层中形成in组分含量不同的区域，实现同一个外延片上存在两种发光波长的双色led器件的外延片。

30、本发明优选在n型gan层上开始设置v坑，相较于在成核层或缓冲层上开始设置v坑而言，能够保留成核层和缓冲层的平面结构，v坑附近的gan层的导电性更好，电流流动更加均匀，因此器件发光时更加均匀，同时能够增加多量子阱层中v坑的大小，对于极性面和半极性面的面积之比更好把控。

31、本发明提供的外延片结构相较于叠加设置的双有源层结构而言，能够避免短波长的光被高in组分含量的有源层吸收，提高了器件的发光效率。

32、优选地，所述成核层的厚度为50～150nm，例如可以是50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或150nm等。

33、优选地，所述缓冲层的厚度为500～1000nm，例如可以是500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm等。

34、由于生长gan时的成核层和缓冲层的厚度越大，gan材料中的位错密度越低，因此通过改变成核层和外延层的厚度，能够灵活的对n型gan层的位错密度进行调控。

35、优选地，所述n型gan层的位错密度为5.0e+07～5.0e+08cm-2，例如可以是5.0e+07cm-2、6.0e+07cm-2、7.0e+07cm-2、8.0e+07cm-2、9.0e+07cm-2、1.0e+08cm-2、2.0e+08cm-2、3.0e+08cm-2、4.0e+08cm-2或5.0e+08cm-2等。

36、如前所述，v坑的密度与位错密度n有关，而成核层和缓冲层的厚度越大位错密度越小，同时通过将成核层的位错密度控制在上述范围，能够后续实现均匀分布的v坑，得到强度均匀的两种双色光；当位错密度过大时，具有v坑相互连接，不能保留平面结构，因此不能获得两种双色光的劣势；当位错密度过小时，v坑面积过小，v坑发光所占比例过低，不能获得两种双色光。

37、优选地，所述极性面为(0001)面，所述半极性面为(10-11)面。

38、优选地，所述v坑的深度为100～800nm，例如可以是100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm或800nm等。

39、本发明所述v坑的侧壁为(10-11)面，与生长面(0001)面的夹角θ为61.96°，优选控制v坑的深度在上述范围，从而能够较好地控制v坑的侧壁面积与v坑的外部周边平面面积之比，最终能够控制两种波长的强度之比。

40、优选地，所述多量子阱层中v坑的侧壁面积s1与v坑的外部周边平面面积s2之比s1/s2＝2.09h2×n/(s-2.09h2×n/sinθ)，其中，h为v坑的深度，n为单位面积内的位错数量，θ为v坑的侧壁与生长面之间的夹角。

41、根据三角函数关系，v坑的单一侧壁的面积为h2/(31/2×sinθ×tanθ)，h为v坑的深度，θ为v坑的侧壁与生长面之间的夹角，计算得到v坑的侧壁总面积为2.09h2。如果单位面积s内的位错数量为n，半极性面(10-11)的面积为s1，极性面(0001)的面积为s2，则s1/s2＝2.09h2×n/(s-2.09h2×n/sinθ)，因此在最终产品结构中通过严格控制v坑的深度即可较好地控制两种波长的强度。以位错密度为1e8cm-2，v坑深度为500nm的样品为例进行计算，得到s1/s2＝1.28。根据上述讨论可知，想要增加半极性面的面积s1，可以通过增加v坑深度h，或者通过减小成核层和外延层厚度来增加位错密度n来实现；想要增加极性面的面积s2，可以通过减小v坑深度h，或者通过增加成核层和外延层厚度来降低位错密度n来实现。

42、优选地，所述多量子阱层中v坑的侧壁面积与v坑的外部周边平面面积之比为(1：2)～(2.1：1)，例如可以是1：2、1：1、1：1.5、2：1、2：1.5、2：1.2或2.1:1等。

43、本发明优选将v坑的侧壁面积与v坑的外部周边平面面积之比控制在上述范围内，从而能够有效控制两种波长的光的强度比值。

44、优选地，所述n型gan层的厚度为2000～4000nm，例如可以是2000nm、2200nm、2400nm、2600nm、2800nm、3100nm、3300nm、3500nm、3700nm或4000nm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。

45、本发明提及的n型gan层的厚度是指整体厚度，通过将n型gan层的厚度控制在上述范围，特定厚度的gan层能够为刻蚀后的半极性侧壁提供区域，从而可灵活调节gan的极性面和gan的半极性面的面积之比；且在刻蚀之后仍然能够使刻蚀之后的n型gan层厚度适中，不影响原本发光的亮度等性能，具有成本及性能可控的优势；当n型gan层的厚度过厚时，将导致生长时间过长，成本过高，降低最终器件的成本竞争力；当n型gan层的厚度过薄时，将导致gan材料中位错密度过高、器件发光效率偏低等问题。

46、优选地，所述多量子阱层中v坑的侧壁面积与v坑的外部周边平面之间的铟组分含量之差为6％～15％，例如可以是6％、6.5％、7％、7.5％、8％、9％、10％、12％、13％、14％或15％等。

47、由于in组分含量越高，发光波长越长，本发明通过将v坑的侧壁面积与v坑的外部周边平面中in组分含量的差距控制在5％～10％范围内，能够保障获得波长差距达25nm～50nm的两种发光波长，从而更好地实现白光发射技术。铟组分含量是指摩尔百分含量，例如v坑的侧壁面积中in的摩尔百分含量为15％，v坑的外部周边平面之间的铟组分的摩尔百分含量为8％，则v坑的侧壁面积与v坑的外部周边平面之间的铟组分含量之差的绝对值为7％。本发明第二方面所述的外延结构优选采用第一方面所述的制备方法制得，能够避免光刻工艺的引入且能够较为方便的调控两种光的发光强度。

48、第三方面，本发明提供一种双色led半导体器件，包括第一方面所述的外延结构，其中所述v坑的侧壁和所述v坑的外部周边平面分别出射不同波长的光。

49、本发明提供的半导体器件由于包括第一方面所述的外延结构，能够在单个量子阱层中发射两种不同波长的光，能够实现白光的发射，且出光效率高。

50、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

51、(1)本发明提供的外延结构在单个ingan层中实现了in组分含量不同的设计，能够同时发射两种波长的光，而且两个有源层不存在叠加的位置关系，因此取光的时候中不存在短波长的光穿过长波长的有源层从而被吸收的问题，能够提高器件的光取出效率，从而提高led器件的发光效率。

52、(2)本发明提供的外延结构能够通过调节v坑的深度实现对gan的极性面和gan的半极性面的面积之比的调节，从而能在预设范围内调节两种发光波长的强度之比，在最终产品结构中通过严格控制v坑的深度和v坑的密度，即可较好地控制两种波长的强度，从而能够满足不同需求的半导体器件制备。

53、(3)本发明提供的外延结构的制备方法通过调节位错的密度，对基础n型gan进行刻蚀，得到不同晶面的gan，使得同一生长条件下即可实现不同in组分的生长，避免产生现有方案中因生长条件不同使长波长的光对应的量子阱结构发生退化的问题，有助于提升器件的性能。

54、(4)本发明提供的外延结构的制备方法通过调节工艺参数能够调节多量子阱层中ingan层v坑的侧壁和v坑的外部周边平面的in组分含量之差，从而能较好的调节发光波长之间的波长差距，满足不同的应用需求，扩大了应用范围。