CN106410005B - 一种氮化镓基led外延片及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基LED外延片及其生长方法,属于半导体技术领域。包括依次层叠的蓝宝石衬底、缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层,多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,量子阱层为InGaN层,最靠近低温P型GaN层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,第一子层和第四子层均为GaN层,第二子层为AlxGa1‑xN层,0.03≤x≤0.15,第三子层为MgyGa1‑yN层,0.02≤y≤0.08,其它量子垒层为N型掺杂的GaN层。本发明减少电子溢流和提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种氮化镓基LED外延片及其生长方法。
背景技术
发光二极管(英文:Light Emitting Diode,简称LED)的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为pn结。在pn结中,p型半导体注入的空穴与n型半导体注入的电子复合,多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
以氮化镓为代表的Ⅲ族氮化物是直接带隙的宽禁带半导体材料,具有电子漂移饱和速度高,热导率好、强化学键、耐高温以及抗腐蚀等优良性能,广泛应用于LED。现有的氮化镓基LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层,其中多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
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:
电子的迁移速率和迁移率均大于空穴,电子容易越过多量子阱层达到P型GaN层,与P型GaN层中的空穴进行非辐射复合,造成电子溢流和发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术的问题,本发明实施例提供了一种氮化镓基LED外延片及其生长方法。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LED外延片,所述氮化镓基LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层,所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,所述量子阱层为InGaN层,最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,所述第一子层和所述第四子层均为GaN层,所述第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,所述第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,除最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层之外的所述量子垒层为N型掺杂的GaN层。
可选地,所述第二子层和所述第三子层的厚度之和为2~8nm。
可选地,所述量子垒层的厚度为5~15nm。
可选地,所述量子阱层的厚度为2~5nm。
可选地,所述量子垒层的层数与所述量子阱层的层数相同,所述量子阱层的层数为6~15层。
另一方面,本发明实施例提供了一种氮化镓基LED外延片的生长方法,所述生长方法包括:
在蓝宝石衬底上生长缓冲层;
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层;
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层;
在所述N型GaN层上生长浅阱层;
在所述浅阱层上生长多量子阱层;
在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层;
在所述低温P型GaN层上生长P型电子阻挡层;
在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层;
在所述高温P型GaN层上生长P型接触层;
其中,所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,所述量子阱层为InGaN层,最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,所述第一子层和所述第四子层均为GaN层,所述第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,所述第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,除最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层之外的所述量子垒层为N型掺杂的GaN层。
可选地,所述第二子层和所述第三子层的厚度之和为2~8nm。
可选地,所述量子垒层的厚度为5~15nm。
可选地,所述量子垒层的生长温度为850~950℃,所述量子垒层的生长压力为100~500Torr,所述量子垒层的Ⅴ/Ⅲ比为2000~20000。
可选地,所述量子阱层的生长温度为700~850℃,所述量子阱层的生长压力为100~500Torr,所述量子阱层的Ⅴ/Ⅲ比为2000~20000。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
通过最靠近低温P型GaN层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,第一子层为GaN层,可以防止量子阱层中的In向P区扩散而造成电子溢流;第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,作为宽禁带半导体能够提高势垒,减少电子溢流,提高量子阱层的发光效率;第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,通过在量子垒层中注入空穴抵消PN结中的内建电场,降低电子阻挡层和量子阱层之间价带的势垒,提高空穴的注入效率,使发光界面向N区移动,各层量子阱层的发光更加均匀,电子和空穴的复合概率更高;第四子层为GaN层,可以减小Al和Mg的并入带来的应力,降低能带扭曲,提高发光效率。
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是本发明实施例一提供的一种氮化镓基LED外延片的结构示意图;
图2是本发明实施例二提供的一种氮化镓基LED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。
实施例一
本发明实施例提供了一种氮化镓基LED外延片,参见图1,该发光二极管外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、浅阱层5、多量子阱层6、低温P型GaN层7、P型电子阻挡层8、高温P型GaN层9、P型接触层10。
在本实施例中,如图1所示,多量子阱层6包括交替层叠的量子阱层61和量子垒层62,量子阱层61为InGaN层,最靠近低温P型GaN层7的量子垒层62包括依次层叠的第一子层62a、第二子层62b、第三子层62c、第四子层62d,第一子层62a和第四子层62d均为GaN层,第二子层62b为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,第三子层62c为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,除最靠近低温P型GaN层7的量子垒层62之外的量子垒层62为N型掺杂的GaN层。
具体地,缓冲层2为GaN层。浅阱层5包括交替层叠的InpGa1-pN层和GaN层,0<p<0.1。量子阱层61具体为InqGa1-qN层,0.2<q<0.5。P型电子阻挡层8为P型掺杂的AlGaN层,P型接触层10为P型掺杂的GaN层。
可选地,第二子层62b和第三子层62c的厚度之和可以为2~8nm。
可选地,量子垒层62的厚度可以为5~15nm。
可选地,量子阱层61的厚度可以为2~5nm。
可选地,量子垒层62的层数可以与量子阱层61的层数相同,量子阱层61的层数可以为6~15层。
可选地,缓冲层2的厚度可以为2~8nm。
可选地,未掺杂GaN层3的厚度可以为1~2μm。
可选地,N型GaN层4的厚度可以为1.5~3.5μm。
可选地,浅阱层5中的InpGa1-pN层和GaN层的层数之和可以为10~40。
可选地,浅阱层5中的InpGa1-pN层的厚度可以为1~4nm。
可选地,浅阱层5中的GaN层的厚度可以为10~30nm。
可选地,低温P型GaN层7的厚度可以为30~120nm。
可选地,P型电子阻挡层8的厚度可以为50~150nm。
可选地,高温P型GaN层9的厚度可以为50~150nm。
可选地,P型接触层10的厚度可以为3~10nm。
本发明实施例通过最靠近低温P型GaN层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,第一子层为GaN层,可以防止量子阱层中的In向P区扩散而造成电子溢流;第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,作为宽禁带半导体能够提高势垒,减少电子溢流,提高量子阱层的发光效率;第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,通过在量子垒层中注入空穴抵消PN结中的内建电场,降低电子阻挡层和量子阱层之间价带的势垒,提高空穴的注入效率,使发光界面向N区移动,各层量子阱层的发光更加均匀,电子和空穴的复合概率更高;第四子层为GaN层,可以减小Al和Mg的并入带来的应力,降低能带扭曲,提高发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基LED外延片的生长方法,适用于生长实施例一提供的发光二极管外延片,参见图2,该生长方法包括:
步骤200:将蓝宝石衬底在温度为1000~1200℃的氢气气氛里进行高温清洁处理5~20min,并进行氮化处理。
在本实施例中,以氮气(N2)或氢气(H2)作为载气,以三甲基稼(TMGa)、三乙基稼(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源,用硅烷(SiH4)、二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
步骤201:控制生长温度为500~650℃,生长压力为50~200Torr,V/III比为50~300,转速为200~600r/min,在蓝宝石衬底上生长厚度为2~8nm的缓冲层,并控制生长温度为1000~1100℃进行退火处理3~10min。
在本实施例中,缓冲层为GaN层。V/III比为Ⅴ价原子与Ⅲ价原子的摩尔比。
步骤202:控制生长温度为1000~1200℃,生长压力为100~500Torr,V/III比为200~3000,在缓冲层上生长厚度为1~2μm的未掺杂GaN层。
步骤203:控制生长温度为950~1150℃,生长压力为300~500Torr,V/III比为400~3000,在未掺杂GaN层上生长厚度为1.5~3.5μm的N型GaN层。
在本实施例中,N型GaN层采用Si掺杂且掺杂浓度保持不变。
步骤204:控制生长压力为100~500Torr,V/III比为500~10000,在N型GaN层上生长浅阱层。
在本实施例中,浅阱层包括交替层叠的InpGa1-pN层层和GaN层,0<p<0.1。
可选地,浅阱层中的InpGa1-pN层和GaN层的层数之和可以为10~40。
可选地,浅阱层中的InpGa1-pN层的厚度可以为1~4nm。
可选地,浅阱层中的InpGa1-pN层的生长温度可以为750~850℃。
可选地,浅阱层中的GaN层的厚度可以为10~30nm。
可选地,浅阱层中的GaN层的生长温度可以为850~950℃。
步骤205:控制生长压力为100~500Torr,V/III比为2000~20000,在浅阱层上生长多量子阱层。
在本实施例中,多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,量子阱层为InGaN层,最靠近低温P型GaN层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,第一子层和第四子层均为GaN层,第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,除最靠近低温P型GaN层的量子垒层之外的量子垒层为N型掺杂的GaN层。
可选地,第二子层和第三子层的厚度之和可以为2~8nm。
可选地,量子垒层的厚度可以为5~15nm。
可选地,量子垒层的生长温度可以为850~950℃。
可选地,量子阱层的厚度可以为2~5nm。
可选地,量子阱层的生长温度可以为700~850℃。
可选地,量子垒层的层数可以与量子阱层的层数相同,量子阱层的层数可以为6~15层。
步骤206:控制生长温度为700~800℃,生长压力为100~600Torr,V/III比为1000~4000,生长时间为3~15min,在多量子阱层上生长厚度为30~120nm的低温P型GaN层。
步骤207:控制生长温度为900~1000℃,生长压力为50~300Torr,V/III比为1000~10000,生长时间为4~15min,在低温P型GaN层上生长厚度为50~150nm的P型电子阻挡层。
在本实施例中,P型电子阻挡层为P型AlGaN层。
步骤208:控制生长温度为900~1050℃,生长压力为100~500Torr,V/III比为500~4000,生长时间为10~20min,在P型电子阻挡层上生长50~150nm的高温P型GaN层。
步骤209:控制生长温度为700~850℃,生长压力为100~500Torr,V/III比为10000~20000,生长时间为0.5~5min,在高温P型GaN层上生长厚度为3~10nm的P型接触层。
需要说明的是,在外延生长工艺结束后,将反应腔的温度降至600~900℃,在PN2气氛下进行退火处理10~30min,然后降至室温,结束外延生长。经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后,将LED外延片制成17*35mil的LED芯片。
本发明实施例通过最靠近低温P型GaN层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,第一子层为GaN层,可以防止量子阱层中的In向P区扩散而造成电子溢流;第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,作为宽禁带半导体能够提高势垒,减少电子溢流,提高量子阱层的发光效率;第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,通过在量子垒层中注入空穴抵消PN结中的内建电场,降低电子阻挡层和量子阱层之间价带的势垒,提高空穴的注入效率,使发光界面向N区移动,各层量子阱层的发光更加均匀,电子和空穴的复合概率更高;第四子层为GaN层,可以减小Al和Mg的并入带来的应力,降低能带扭曲,提高发光效率。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法,该生长方法为实施例二提供的生长方法的一种具体实现。
在本实施例中,第一子层的厚度为2nm的GaN层,第二子层为厚度为4nm的AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.08,第三子层为厚度为3nm的MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.04,第四子层为厚度为5nm的GaN层。
经过LED芯片测试后发现,光效提升近2%。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的生长方法,该生长方法为实施例二提供的生长方法的另一种具体实现。
在本实施例中,第一子层的厚度为2nm的GaN层,第二子层为厚度为6nm的AlxGa1-xN层,0.08≤x≤0.15,第三子层为厚度为2nm的MgyGa1-yN层,0.04≤y≤0.08,第四子层为厚度为5nm的GaN层。
经过LED芯片测试后发现,光效提升4%。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述,不代表实施例的优劣。
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。
Claims (10)
1.一种氮化镓基LED外延片,所述氮化镓基LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、浅阱层、多量子阱层、低温P型GaN层、P型电子阻挡层、高温P型GaN层、P型接触层,所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,所述量子阱层为InGaN层,其特征在于,最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,所述第一子层和所述第四子层均为GaN层,所述第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,所述第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,除最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层之外的所述量子垒层为N型掺杂的GaN层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基LED外延片,其特征在于,所述第二子层和所述第三子层的厚度之和为2~8nm。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓基LED外延片,其特征在于,所述量子垒层的厚度为5~15nm。
4.根据权利要求1或2所述的氮化镓基LED外延片,其特征在于,所述量子阱层的厚度为2~5nm。
5.根据权利要求1或2所述的氮化镓基LED外延片,其特征在于,所述量子垒层的层数与所述量子阱层的层数相同,所述量子阱层的层数为6~15层。
6.一种氮化镓基LED外延片的生长方法,其特征在于,所述生长方法包括:
在蓝宝石衬底上生长缓冲层;
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层;
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层;
在所述N型GaN层上生长浅阱层;
在所述浅阱层上生长多量子阱层;
在所述多量子阱层上生长低温P型GaN层;
在所述低温P型GaN层上生长P型电子阻挡层;
在所述P型电子阻挡层上生长高温P型GaN层;
在所述高温P型GaN层上生长P型接触层;
其中,所述多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层,所述量子阱层为InGaN层,最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层、第四子层,所述第一子层和所述第四子层均为GaN层,所述第二子层为AlxGa1-xN层,0.03≤x≤0.15,所述第三子层为MgyGa1-yN层,0.02≤y≤0.08,除最靠近所述低温P型GaN层的所述量子垒层之外的所述量子垒层为N型掺杂的GaN层。
7.根据权利要求6所述的生长方法,其特征在于,所述第二子层和所述第三子层的厚度之和为2~8nm。
8.根据权利要求6或7所述的生长方法,其特征在于,所述量子垒层的厚度为5~15nm。
9.根据权利要求6或7所述的生长方法,其特征在于,所述量子垒层的生长温度为850~950℃,所述量子垒层的生长压力为100~500Torr,所述量子垒层的Ⅴ/Ⅲ比为2000~20000。
10.根据权利要求6或7所述的生长方法,其特征在于,所述量子阱层的生长温度为700~850℃,所述量子阱层的生长压力为100~500Torr,所述量子阱层的Ⅴ/Ⅲ比为2000~20000。
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