一種發(fā)光二極管外延片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管外延片及其制備方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。所述發(fā)光二極管外延片包括藍(lán)寶石襯底、以及依次層疊在藍(lán)寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、有源層、P型層，P型層包括摻雜Mg的GaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度先逐漸減少再逐漸增多，摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層。本發(fā)明通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，調(diào)節(jié)空穴的注入，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
【專利說明】
一種發(fā)光二極管外延片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管外延片及其制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(Light Emitting D1de，簡稱LED)是一種能夠?qū)㈦娔苡行мD(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件，目前氮化鎵基LED受到越來越多的關(guān)注和研究。
[0003]LED外延片包括藍(lán)寶石襯底、以及依次層疊在藍(lán)寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜 GaN層、N型GaN層、有源層、P型AlGaN層、P型GaN層。當(dāng)有電流通過時，N型GaN層的電子和P型 GaN層的空穴進(jìn)入有源層復(fù)合發(fā)光。
[0004]在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題:
[0005]空穴的質(zhì)量比電子大，迀移率和迀移速率都比電子低，而且P型GaN層中摻雜的Mg 只有很少一部分可以活化，因此注入有源層的空穴數(shù)量較少，極大限制發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)極大限制發(fā)光二極管的發(fā)光效率的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片及其制備方法。所述技術(shù)方案如下:
[0007]—方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片，所述發(fā)光二極管外延片包括藍(lán)寶石襯底、以及依次層疊在所述藍(lán)寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、 有源層、P型層，所述P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分插入有P型AlGaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型InGaN層。
[0008]可選地，所述摻雜Mg的GaN層包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個所述摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度保持不變，多個所述摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。
[0009]可選地，所述P型AlGaN層包括多個P型AlGaN子層，所述P型AlGaN子層中A1的摩爾質(zhì)量沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。
[0010]可選地，所述P型AlGaN層中A1的摩爾質(zhì)量保持不變。
[0011]可選地，所述P 型 AlGaN 層為 AlxGai—XN層，0<x<0.2。
[0012]可選地，所述P型InGaN層包括多個P型InGaN子層，每個所述P型InGaN子層中In的摩爾含量沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。
[0013]可選地，所述P型InGaN層中In的摩爾含量保持不變。
[0014]可選地，所述P 型 InGaN 層為InyGai—yN層，0<y<0.35。[0〇15] 可選地，所述P型AlGaN層的厚度為10nm?50nm，所述P型InGaN層的厚度為10nm? 50nm〇
[0016]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的制備方法，所述制備方法包括:
[0017]在藍(lán)寶石襯底上生長GaN緩沖層；[〇〇18] 在所述GaN緩沖層上生長未摻雜GaN層；[〇〇19] 在所述未摻雜GaN層上生長N型GaN層；
[0020]在所述N型GaN層上生長有源層；
[0021]在所述有源層上生長P型層，所述P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸減少，所述摻雜Mg的GaN層中插入有P型InGaN層。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:[〇〇23]通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，利用摻雜不同濃度的Mg形成不同晶體質(zhì)量的GaN，有利于空穴的有效擴(kuò)展，同時利用Mg摻雜濃度的差異驅(qū)動空穴的縱向傳輸，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，P型AlGaN層和P型InGaN層通過能帶的變化調(diào)節(jié)空穴的注入，P型AlGaN層可以緩解電子的溢流，改變勢皇對空穴的阻隔，P型InGaN層可以提供空穴的低勢位置，方便后端空穴的驅(qū)動，進(jìn)而提高空穴的有效注入，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。另外，A1原子的半徑較小，A1N的晶格常數(shù)減小，AlGaN層可以減少和緩解GaN層生長引入的缺陷和應(yīng)力釋放?！靖綀D說明】
[0024]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種發(fā)光二極管外延片的制備方法的流程圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。[〇〇28] 實(shí)施例一
[0029]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片，參見圖1，該發(fā)光二極管外延片包括藍(lán)寶石襯底1、以及依次層疊在藍(lán)寶石襯底1上的GaN緩沖層2、未摻雜GaN層3、N型GaN層4、有源層5、P型層6。
[0030]在本實(shí)施例中，藍(lán)寶石襯底1采用(0001)晶向藍(lán)寶石。有源層5包括交替層疊的 InGaN層和GaN層。P型層6包括摻雜Mg的GaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，摻雜Mg的GaN層中插入有Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分插入有P型AlGaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型 InGaN層。
[0031]在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過生長氣氛和生長速率的控制實(shí)現(xiàn)Mg摻雜濃度的和逐漸變化。[〇〇32]可選地，摻雜Mg的GaN層可以包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度保持不變，多個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。
[0033]可選地，P型AlGaN層可以包括多個P型AlGaN子層，每個P型AlGaN子層中In的摩爾含量沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少，改變整個P型層6的能帶位置， 提高空穴的有效注入。[〇〇34]可選地，P型AlGaN層中A1的摩爾含量可以保持不變。
[0035]可選地，P型AlGaN層可以為AlxGai—XN層，0<x<0.2。實(shí)驗(yàn)證明，0<x<0.2的P型 AlGaN層可以提尚空穴的有效注入。
[0036]可選地，P型InGaN層可以包括多個P型InGaN子層，每個P型InGaN子層中In的摩爾含量沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少，改變整個P型層6的能帶位置， 提高空穴的有效注入。[〇〇37]可選地，P型InGaN層中In的摩爾含量可以保持不變。
[0038]可選地，P型InGaN層可以為InxGai—XN層，0<x<0.35。實(shí)驗(yàn)證明，0<x<0.35的P型 InGaN層可以提尚空穴的有效注入。
[0039]可選地，P型AlGaN層的厚度可以為10nm?50nm。當(dāng)P型AlGaN層的厚度小于10nm時， 無法提高空穴的有效注入;當(dāng)P型AlGaN層的厚度大于50nm時，會造成材料的浪費(fèi)。[〇〇4〇]可選地，P型InGaN層的厚度可以為10nm?50nm。當(dāng)P型InGaN層的厚度小于10nm時，無法提高空穴的有效注入;當(dāng)P型InGaN層的厚度大于50nm時，會造成材料的浪費(fèi)。[〇〇41 ]可選地，P型層6的厚度可以為lOOnm?200nm。當(dāng)P型層6的厚度小于lOOnm時，無法提供足夠的空穴；當(dāng)P型層6的厚度大于200nm時，會造成材料的浪費(fèi)。[〇〇42]可選地，GaN緩沖層2的厚度可以為15?35nm。
[0043]可選地，未摻雜GaN層3的厚度可以為1?5ym。
[0044]可選地，N型GaN層4的厚度可以為1?5ym。
[0045]可選地，N型GaN層4的摻雜濃度可以為1018?1019cm—3。
[0046]可選地，有源層5中的InGaN層的厚度可以為1?5nm，有源層5中的GaN層的厚度可以為9?20nm。
[0047]可選地，有源層5中的InGaN層和GaN層的層數(shù)之和可以為10?22。[〇〇48]通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，利用摻雜不同濃度的Mg形成不同晶體質(zhì)量的GaN，有利于空穴的有效擴(kuò)展，同時利用Mg摻雜濃度的差異驅(qū)動空穴的縱向傳輸，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，P型AlGaN層和P型InGaN層通過能帶的變化調(diào)節(jié)空穴的注入，P型AlGaN層可以緩解電子的溢流，改變勢皇對空穴的阻隔，P型InGaN層可以提供空穴的低勢位置，方便后端空穴的驅(qū)動，進(jìn)而提高空穴的有效注入，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。另外，A1原子的半徑較小，A1N的晶格常數(shù)減小，AlGaN層可以減少和緩解GaN層生長引入的缺陷和應(yīng)力釋放。
[0049] 實(shí)施例二
[0050]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的制備方法，適用于制備實(shí)施例一提供的發(fā)光二極管外延片，參見圖2,該制備方法包括:[0051 ]步驟200:控制溫度為1000?1200°C，將藍(lán)寶石襯底在氫氣氣氛中退火8分鐘，并進(jìn)行氮化處理。[〇〇52] 可以理解地，步驟200可以清潔藍(lán)寶石襯底表面。
[0053]在本實(shí)施例中，藍(lán)寶石襯底1采用(0001)晶向藍(lán)寶石。[〇〇54] 步驟201:控制溫度為400?600°C，壓力為400?600Torr，在藍(lán)寶石襯底上生長GaN緩沖層。[〇〇55] 可選地，GaN緩沖層的厚度可以為15?35nm。
[0056]可選地，在步驟201之后，該制備方法還可以包括:
[0057]控制溫度為1000?1200°C，壓力為400?600Torr，時間為5?10分鐘，對緩沖層進(jìn)行原位退火處理。[〇〇58] 步驟202:控制溫度為1000?1100°C，壓力為100?500Torr，在GaN緩沖層上生長未慘雜GaN層。[0〇59 ] 可選地，未摻雜GaN層的厚度可以為1?5ym。
[0060] 步驟203:控制溫度為1000?1200°C，壓力為100?500Torr，在未摻雜GaN層上生長N型GaN層。[〇〇61 ] 可選地，N型GaN層的厚度可以為1?5ym。[〇〇62] 可選地，N型GaN層的摻雜濃度可以為1018?1019cnf3。[〇〇63] 步驟204:在N型GaN層上生長有源層。
[0064]在本實(shí)施例中，有源層包括交替層疊的InGaN層和GaN層。[〇〇65] 具體地，當(dāng)生長InGaN層時，溫度為720?829°C，壓力為100?500Torr;當(dāng)生長GaN 層時，溫度為850?959°C，壓力為100?500Torr。
[0066]可選地，有源層中的InGaN層的厚度可以為3nm，有源層中的GaN層的厚度可以為9 ?20nm〇[〇〇67] 可選地，有源層中的InGaN層和GaN層的層數(shù)之和可以為10?22。[〇〇68] 步驟205:控制溫度為750?1080°C，壓力為200?500Torr，在有源層上生長P型層。 [〇〇69] 在本實(shí)施例中，P型層包括摻雜Mg的GaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，摻雜Mg的GaN層中插入有Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分插入有P型AlGaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型InGaN層。
[0070] 可選地，摻雜Mg的GaN層可以包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個摻雜Mg的GaN子層中 Mg的摻雜濃度保持不變，多個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸減少。[〇〇71] 可選地，摻雜Mg的GaN層可以包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個摻雜Mg的GaN子層中 Mg的摻雜濃度保持不變，多個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。
[0072] 可選地，P型AlGaN層可以包括多個P型AlGaN子層，每個P型AlGaN子層中In的摩爾含量沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。
[0073] 可選地，P型AlGaN層中A1的摩爾含量可以保持不變。
[0074]可選地，P型 AlGaN 層可以為AlxGai—XN層，0 < x < 0 ? 2。
[0075] 可選地，P型InGaN層可以包括多個P型I nGaN子層，每個P型I nGaN子層中I n的摩爾含量沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。[〇〇76] 可選地，P型InGaN層中In的摩爾含量可以保持不變。
[0077]可選地，P型 InGaN 層可以為 InxGai—XN層，0 < x < 0 ? 35。
[0078] 可選地，P型AlGaN層的厚度可以為10nm?50nm。
[0079] 可選地，P型InGaN層的厚度可以為10nm?50nm。[〇〇8〇] 可選地，P型層的厚度可以為lOOnm?200nm。[〇〇81 ]步驟206:控制溫度為850?1050°C，壓力為100?300Torr，在P型GaN層上生長P型接觸層。[〇〇82] 可選地，P型接觸層的厚度可以為5?300nm。[〇〇83]步驟207:控制溫度為650?850°C，時間為5?15分鐘，在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行退火處理。[0〇84]外延片經(jīng)過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體工藝制作成單顆尺寸大小為9*7mil 的LED芯片。經(jīng)過LED芯片測試后發(fā)現(xiàn)，工作電流為20mA時，光效有明顯提高。[〇〇85]通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，利用摻雜不同濃度的Mg形成不同晶體質(zhì)量的GaN，有利于空穴的有效擴(kuò)展，同時利用Mg摻雜濃度的差異驅(qū)動空穴的縱向傳輸，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，P型AlGaN層和P型InGaN層通過能帶的變化調(diào)節(jié)空穴的注入，P型AlGaN層可以緩解電子的溢流，改變勢皇對空穴的阻隔，P型InGaN層可以提供空穴的低勢位置，方便后端空穴的驅(qū)動，進(jìn)而提高空穴的有效注入，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。另外，A1原子的半徑較小，A1N的晶格常數(shù)減小，AlGaN層可以減少和緩解GaN層生長引入的缺陷和應(yīng)力釋放。
[0086]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種發(fā)光二極管外延片，所述發(fā)光二極管外延片包括藍(lán)寶石襯底、以及依次層疊在 所述藍(lán)寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、有源層、P型層，其特征在于，所述 P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿所述發(fā)光二極管外延片 的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分 插入有P型AlGaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型InGaN 層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述摻雜Mg的GaN層包括多 個摻雜Mg的GaN子層，每個所述摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度保持不變，多個所述摻雜 Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層包括多個P 型AlGaN子層，所述P型AlGaN子層中A1的摩爾質(zhì)量沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐 漸增加或逐漸減少。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層中A1的摩爾 質(zhì)量保持不變。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層為AlxGa^N 層，0<x<0.2〇6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型InGaN層包括多個P 型InGaN子層，每個所述P型InGaN子層中In的摩爾含量沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方 向逐漸增加或逐漸減少。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型InGaN層中In的摩爾 含量保持不變。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型InGaN層為InyGa1-yN 層，0<y<0.35。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層的厚度為 10nm?50nm，所述P型InGaN層的厚度為10nm?50nm。10.—種如權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管外延片的制備方法，其特征在于，所 述制備方法包括:在藍(lán)寶石襯底上生長GaN緩沖層；在所述GaN緩沖層上生長未慘雜GaN層；在所述未摻雜GaN層上生長N型GaN層；在所述N型GaN層上生長有源層；在所述有源層上生長P型層，所述P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg 的摻雜濃度沿所述發(fā)光二極管外延片的層疊方向逐漸減少，所述摻雜Mg的GaN層中插入有P 型InGaN層。
【文檔編號】H01L33/12GK106025016SQ201610325623
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】王群, 郭炳磊, 董彬忠, 李鵬, 王江波
【申請人】華燦光電(蘇州）有限公司