專利名稱：一種發(fā)光二極管的外延片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管的外延片及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管芯片為半導(dǎo)體晶體，是發(fā)光二極管的核心組件。發(fā)光二極管芯片包括外延片以及在外延片上制作的電極。其中，外延片包括襯底和外延層，外延層包括依次層疊在襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、η型層、多量子阱層和P型層。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:現(xiàn)有的外延片中多量子阱層直接設(shè)于η型層上，由于η型層中的電子較P型層中的空穴具有較低的有效質(zhì)量和較高的遷移率，在電場的驅(qū)動(dòng)下，電子會(huì)以很快的速度越過多量子阱層而遷移到P型層，從而使得電子空穴的復(fù)合效率降低；且由于外延層與襯底之間具有較大的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配，會(huì)在外延片中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和缺陷，影響了外延片的內(nèi)量子效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片及其制造方法。所述技術(shù)方案如下:—方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，所述外延片包括襯底、以及依次層疊在所述襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、η型層、多量子阱層和P型層，所述外延片還包括設(shè)于所述η型層與所述多量子阱層之間的電流擴(kuò)展層，所述電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，所述超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層和第二子層交替層疊而成，所述第一子層和所述第二子層由AlxGahN制成，相鄰的所述第一子層和所述第二子層中的Al的組分含量不同，其中，0<x < 10可選地，各個(gè)所述第一子層的Al的組分含量相同，各個(gè)所述第二子層的Al的組分含量也相同。可選地，各個(gè)所述第一子層的Al的組分含量不同，各個(gè)所述第二子層的Al的組分
含量相同。可選地，各個(gè)所述第一子層的Al的組分含量不同，各個(gè)所述第二子層的Al的組分含量也不同。優(yōu)選地，所述電流擴(kuò)展層中各層的所述Al的最高組分含量為20% 60%可選地,所述第一子層厚度為I IOnm,所述第二子層的厚度也為I 10nm?？蛇x地，所述第一子層的厚度和所述第二子層的厚度相同。另一方面，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制造方法，所述方法包括:提供襯底，并依次在所述襯底上生長緩沖層、不摻 雜的GaN層和η型層；
在所述η型層上生長電流擴(kuò)展層，所述電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，所述超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層和第二子層交替層疊而成，所述第一子層和所述第二子層由AlxGahN制成，相鄰的所述第一子層和所述第二子層中的Al的組分含量不同，其中，0〈χ < I ；在所述電流擴(kuò)展層上依次生長多量子阱層和P型層。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在η型層和多量子阱層之間設(shè)有電流擴(kuò)展層，使得η型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，從而使電子和空穴在多量子阱層充分復(fù)合發(fā)光，提高了電子空穴的復(fù)合效率。并且由于應(yīng)力會(huì)在層與層的交界處得到比較好的釋放，而電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與η型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。


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(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種發(fā)光二極管的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種發(fā)光二極管的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例二提供的電流擴(kuò)展層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 7是本發(fā)明實(shí)施例三提供的電流擴(kuò)展層的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8 10是本發(fā)明實(shí)施例四提供的電流擴(kuò)展層的結(jié)構(gòu)示意
圖11是本發(fā)明實(shí)施例五提供的一種發(fā)光二極管的外延片的制造方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(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。實(shí)施例一本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，參見圖1，該外延片包括:襯底11、以及依次層疊在襯底11上的緩沖層12、不摻雜的GaN層13、η型層14、電流擴(kuò)展層15、多量子阱層16和P型層17，電流擴(kuò)展層15為超晶格結(jié)構(gòu)，該超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層151和第二子層152交替層疊而成,第一子層151和第二子層152由AlxGa^N制成，相鄰的第一子層151和第二子層152中的Al的組分含量不同，其中，0〈χ < I。具體地，由于電流擴(kuò)展層15為超晶格結(jié)構(gòu)，若干個(gè)第一子層151和若干個(gè)第二子層152交替層疊，使得電流擴(kuò)展層15具有若干個(gè)交界面，而交界面可以很好地釋放襯底11到η型層14之間積累的應(yīng)力，從而降低了外延片中的應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上生長多量子阱層16和P型層17，由于應(yīng)力的減小，在生長過程中，可以進(jìn)一步降低外延片中的缺陷，從而可以提供發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在η型層和多量子阱層之間設(shè)有電流擴(kuò)展層，使得η型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，從而使電子和空穴在多量子阱層充分復(fù)合發(fā)光，提高了電子空穴的復(fù)合效率。并且由于應(yīng)力會(huì)在層與層的交界處得到比較好的釋放，而電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與η型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。實(shí)施例二本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，參見圖2，該外延片包括:襯底21、以及依次層疊在襯底21上的緩沖層22、不摻雜的GaN層23、η型層24、電流擴(kuò)展層25、多量子阱層26和P型層27，電流擴(kuò)展層25為超晶格結(jié)構(gòu)，超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層251和第二子層252交替層疊而成,第一子層251和第二子層252由AlxGapxN制成，相鄰的第一子層251和第二子層252中的Al的組分含量不同，其中，0〈χ < I。具體地，由于電流擴(kuò)展層25為超晶格結(jié)構(gòu)，若干個(gè)第一子層251和若干個(gè)第二子層252交替層疊，使得電流擴(kuò)展25具有若干個(gè)交界面，而交界面可以很好地釋放襯底21到η型層24之間積累的應(yīng) 力，從而降低了外延片中的應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上生長多量子阱層26和P型層27，由于應(yīng)力的減小，在生長過程中，可以進(jìn)一步降低外延片中的缺陷，從而可以提供發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。具體地，襯底21可以為藍(lán)寶石襯底?？蛇x地，在本實(shí)施例中，各個(gè)第一子層251的Al的組分含量相同，各個(gè)第二子層252的Al的組分含量也相同。優(yōu)選地，電流擴(kuò)展層25中的Al的最高組分為20% 60%?？蛇x地,第一子層251的厚度為I IOnm,第二子層252的厚度為I 10nm?？蛇x地，在本實(shí)施例中，第一子層251的厚度可以和第二子層252的厚度相同。顯然地，在其他實(shí)施例中，第一子層251的厚度也可以和第二子層252的厚度不同。在具體實(shí)現(xiàn)中，如圖3所示，第一子層251為Ala3Gaa7N層，第二子層252為Al0.5Ga0.5N 層，且 Al0.3Ga0.7N 層和 Al0.5Ga0.5N 層的厚度都為 1.5nm。可選地，在本實(shí)施例中，第一子層51的厚度與第二子層52的厚度不同。在其他實(shí)施例中，第一子層51的厚度與第二子層52的厚度也可以相同。具體地，在本實(shí)施例中，η型層4的η型摻雜可以為Si摻雜。具體地，在本實(shí)施例中，多量子阱層6可以為InGaN/GaN多量子阱層。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在η型層和多量子阱層之間設(shè)有電流擴(kuò)展層，使得η型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，從而使電子和空穴在多量子阱層充分復(fù)合發(fā)光，提高了電子空穴的復(fù)合效率。并且由于應(yīng)力會(huì)在層與層的交界處得到比較好的釋放，而電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與η型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。實(shí)施例三本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，本實(shí)施例提供的外延片與實(shí)施例二提供的外延片大致相同，不同之處僅在于，在本實(shí)施例中，各個(gè)第一子層251的Al的組分含量不同，各個(gè)第二子層252的Al的組分含量相同。在本實(shí)施例的一種具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以逐漸增大，如圖4所示，第二子層252為Ala4Gaa6N層，第一子層251為AlxGai_xN，其中，Al的組分含量即X的值為(0.2+0.02*n)，其中η為層數(shù)。在本實(shí)施例的又一具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以逐漸減小，如圖5所示，第二子層252為Ala4Gaa6N層，第一子層251為AlxGai_xN，其中，Al的組分含量即X的值為(0.4-0.02*n)，其中η為層數(shù)。在本實(shí)施例的另一具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以先增大再減小，如圖6所不,第二子層252為Ala4Gaa6N層，各個(gè)第一子層251為AlxGa1J^層,其中Al的組分含量即X的值依次為0.1,0.2,0.3,0.2,0.1。在本實(shí)施例的再一具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以先減小再增大，如圖7所示，第二子層252為八1(|.46&(|.#層，第一子層251為AlxGahN層，其中Al的組分含量即X的值依次為0.3,0.2,0.1,0.2,0.3。在本實(shí)施例的另一具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量還可以呈周期性變化。優(yōu)選地，電流擴(kuò)展層25中的Al的最高組分為20% 60%。即在本實(shí)施例中，上述第一子層251中X的最高取值在0.2 0.6之間。顯然地，X的取值不大于0.2也可以，即X的取值不大于0.6。上述第二子層252中Al的最高組分取值也在0.2 0.6之間，顯然地，Al的取值不大于0.2也可以。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在η型層和多量子阱層之間設(shè)有電流擴(kuò)展層，使得η型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，從而使電子和空穴在多量子阱層充分復(fù)合發(fā)光，提高了電子空穴的復(fù)合效率。并且由于應(yīng)力會(huì)在層與層的交界處得到比較好的釋放，而電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與η型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。實(shí)施例四本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，本實(shí)施例提供的外延片與實(shí)施例二提供的外延片大致相同，不同之處僅在于，在本實(shí)施例中，各個(gè)第一子層251的Al的組分含量不同，各個(gè)第二子層252的Al的組`分含量也不同。在本實(shí)施例的一種具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以逐漸增大，第二子層252中的Al的組分含量也可以逐漸增大，如圖8所示，第一子層251為AlxGa^N,其中Al的組分含量即χ的值為(0.2+0.02*η)，η為層數(shù)；第二子層252為AlyGai_yN，其中Al的組分含量即y的值依次為(0.25+0.02*η)，η為層數(shù)。在本實(shí)施例的又一具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以逐漸減小，第二子層252中的Al的組分含量可以逐漸增大，如圖9所示，第一子層251為AlxGai_xN，其中，Al的組分含量即χ的值為(0.45-0.02*n)，其η為層數(shù)；第二子層252為AlyGai_yN，其中Al的組分含量即y的值依次為(0.2+0.02*η)，η為層數(shù)。在本實(shí)施例的另一具體實(shí)施方式
中，第一子層251中的Al的組分含量可以逐漸減小，第二子層252中的Al的組分含量也可以逐漸減小，如圖10所示，第一子層251為AlxGai_xN，其中Al的組分含量即χ的值為(0.45-0.02*η)，η為層數(shù)；第二子層252為AlyGai_yN，其中Al的組分含量即y的值依次為(0.4-0.02*η)，η為層數(shù)。優(yōu)選地，電流擴(kuò)展層25中的Al的最高組分為20% 60%。即在本實(shí)施例中，上述第一子層251和第二子層252中χ和y的最高取值在0.2 0.6之間。顯然地，χ和y的取值不大于0.2也可以，即χ和y的取值不大于0.6都可以。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在η型層和多量子阱層之間設(shè)有電流擴(kuò)展層，使得η型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，從而使電子和空穴在多量子阱層充分復(fù)合發(fā)光，提高了電子空穴的復(fù)合效率。并且由于應(yīng)力會(huì)在層與層的交界處得到比較好的釋放，而電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與η型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。實(shí)施例五本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制造方法，該方法可以用來生長實(shí)施例一 實(shí)施例四提供的外延片，參見圖11，該方法包括:步驟501:提供襯底，并依次在襯底上生長緩沖層、不摻雜的GaN層和η型層。步驟502:在η型層上生長電流擴(kuò)展層，電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層和第二子層交替層疊而成，第一子層和第二子層由AlxGahN制成，相鄰的第一子層和第二子層中的Al的組分含量不同，其中，0〈χ< I ；步驟503:在電流擴(kuò)展層上依次生長多量子阱層和P型層。具體地，步驟201 203具體可以通過以下步驟實(shí)現(xiàn):將藍(lán)寶石襯底在H2氛圍并加溫至1300°C下進(jìn)行熱處理10分鐘，以清潔表面；降溫至625 °C,沉積一層30nm的低溫GaN緩沖層；升溫至1230°C,沉積一層2 μ m的非摻雜GaN層；生長2 μ m的Si摻雜的GaN層，作為η型層；在1220°C下生長5個(gè)周期的的電流擴(kuò)展層，其中，第一子層為Ala3Gaa7N層，第二子層為Al0.5Ga0.5N層，且各個(gè)Al0.3Ga0.7N層和各個(gè)Al0.5Ga0.5N層的厚度都為1.5nm ；降溫生長8個(gè)周期的InGaN/GaN的多量子阱層，其中，InGaN層的厚度為3.0nm，生長溫度為850°C ;GaN層的厚度為12nm，生長溫度為950°C ；在多量子阱層上面生長300nm的P型層。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在η型層和多量子阱層之間設(shè)有電流擴(kuò)展層，使得η型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，從而使電子和空穴在多量子阱層充分復(fù)合發(fā)光，提高了電子空穴的復(fù)合效率。并且由于應(yīng)力會(huì)在層與層的交界處得到比較好的釋放，而電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與η型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。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)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管的外延片，所述外延片包括襯底、以及依次層疊在所述襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、η型層、多量子阱層和P型層，其特征在于，所述外延片還包括設(shè)于所述η型層與所述多量子阱層之間的電流擴(kuò)展層，所述電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，所述超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層和第二子層交替層疊而成，所述第一子層和所述第二子層由AlxGahN制成，相鄰的所述第一子層和所述第二子層中的Al的組分含量不同，其中，0〈χ < I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延片，其特征在于，各個(gè)所述第一子層中的Al的組分含量相同，各個(gè)所述第二子層的Al的組分含量也相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延片，其特征在于，各個(gè)所述第一子層的Al的組分含量不同，各個(gè)所述第二子層的Al的組分含量相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延片，其特征在于，各個(gè)所述第一子層的Al的組分含量不同，各個(gè)所述第二子層的Al的組分含量不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的外延片，其特征在于，所述電流擴(kuò)展層中各層的所述Al的最高組分含量為20% 60%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的外延片，其特征在于，所述第一子層的厚度為I IOnm,所述第二子層的厚度為I 10nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的外延片，其特征在于，所述第一子層的厚度和所述第二子層的厚度相同。
8.一種發(fā)光二極管的外延片的制造方法，其特征在于，所述方法包括:提供襯底，并依次在所述襯底上生長緩沖層、不摻雜的GaN層和η型層； 在所述η型層上生長電流擴(kuò)展層，所述電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，所述超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層和第二子層交替層疊而成，所述第一子層和所述第二子層由AlxGahN制成，相鄰的所述第一子層和所述第二子層中的Al的組分含量不同，其中，0〈χ < I ； 在所述電流擴(kuò)展層上依次生長多量子阱層和P型層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管的外延片及其制造方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。該外延片包括襯底、以及依次層疊在襯底上的緩沖層、不摻雜的GaN層、n型層、多量子阱層和p型層，外延片還包括設(shè)于n型層與多量子阱層之間的電流擴(kuò)展層，電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，超晶格結(jié)構(gòu)由第一子層和第二子層交替層疊而成，第一子層和第二子層由AlxGa1-xN制成，相鄰的第一子層和第二子層中的Al的組分含量不同，其中，0<x＜1。本發(fā)明通過上述技術(shù)方案，使得n型層中的電子在進(jìn)入多量子阱層之前速度降低，使電子和空穴可以充分復(fù)合發(fā)光，提高了復(fù)合效率，且電流擴(kuò)展層為超晶格結(jié)構(gòu)，其多層結(jié)構(gòu)可以有效釋放襯底與n型層之間的應(yīng)力，降低外延片中的缺陷，提高了內(nèi)量子效率。
文檔編號H01L33/14GK103236480SQ20131015677
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者萬林, 魏世禎 申請人:華燦光電股份有限公司