一種發(fā)光二極管的外延片及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管的外延片及制備方法,屬于光電子制造技術領域。該外延片包括藍寶石襯底、低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和P型層,高溫緩沖層為N型摻雜的氮化鎵層,成核層包括層疊的多層N型AlxGa1?xN層,通過將成核層設計為多層摻雜濃度逐層遞增的N型AlxGa1?xN層,高溫緩沖層設計為摻雜濃度在成核層和N型層之間,有利于底層電流擴展,降低芯片正向電壓,從而降低芯片的能耗。而且AlxGa1?xN層可以有效緩解GaN和藍寶石襯底之間的晶格失配,加上高溫緩沖層的摻雜濃度在成核層和N型層之間,進一步提高成核層、高溫緩沖層、N型層之間的晶格匹配度,改善外延片的翹曲度。
【專利說明】
一種發(fā)光二極管的外延片及制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及光電子制造技術領域,特別涉及一種發(fā)光二極管的外延片及制備方法?!颈尘凹夹g】
[0002]LED(Light Emitting D1de,發(fā)光二極管)具有體積小、壽命長、功耗低等優(yōu)點,目前被廣泛應用于汽車信號燈、交通信號燈、顯示屏以及照明設備。
[0003]LED的核心結構是外延片,GaN基外延片主要包括藍寶石襯底、低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和P型層。
[0004]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中,發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術至少存在以下問題:
[0005]低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層均為非摻雜結構,當電流作用于LED芯片時,底層的電流擴展較差,導致芯片的正向電壓較高,進而造成能耗和發(fā)熱量較大,壽命較短。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了解決外延片的正向電壓較高的問題,本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片及制備方法。所述技術方案如下:
[0007]—方面,本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片,所述外延片包括依次層疊的藍寶石襯底、低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和P型層,所述高溫緩沖層為N型摻雜的氮化鎵層,所述成核層包括層疊的多層N型AlxGa1-xN層,其中,1,各層所述N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度不變,多層所述N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度沿所述外延片的層疊方向逐層遞增,所述高溫緩沖層的摻雜濃度大于或等于摻雜濃度最高的所述N型 AlxGm-xN層的摻雜濃度,且所述高溫緩沖層的摻雜濃度小于或等于所述N型層的摻雜濃度。
[0008]優(yōu)選地,所述成核層還包括多層N型GaN層,所述N型GaN層與所述N型AlxGa1-xN層交替層疊。
[0009]進一步地,所述N型GaN層與所述N型AlxGa1-xN層交替層疊的周期為3?10。
[0010]可選地,所述高溫緩沖層包括交替層疊的多層N型AhGauN層和多層N型GaN層,其中,X<Y<l〇[〇〇11] 優(yōu)選地,所述N型AlYGai—YN層和所述N型GaN層交替層疊的周期為3?10。[〇〇12]可選地,所述成核層的厚度大于或等于200nm。[〇〇13]優(yōu)選地,所述低溫緩沖層的厚度為15?30nm。[〇〇14]優(yōu)選地,所述高溫緩沖層的厚度為50?500nm。
[0015]另一方面,本發(fā)明實施例還提供了一種外延片的制備方法,所述制備方法包括:
[0016]提供藍寶石襯底;
[0017]在所述藍寶石襯底上依次外延生長低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和P型層,所述高溫緩沖層為N型摻雜的氮化鎵層,所述成核層包括層疊的多層N型 AlxGa1-xN層,其中,1,各層所述N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度不變,多層所述N型AlxGa1-XN層的摻雜濃度沿所述外延片的層疊方向逐層遞增,所述高溫緩沖層的摻雜濃度大于或等于摻雜濃度最高的所述N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度,且所述高溫緩沖層的摻雜濃度小于或等于所述N型層的摻雜濃度。
[0018]進一步地,所述高溫緩沖層包括交替層疊的多層N型AlYGa1-YN層和多層N型GaN層, 其中,X<Y<1。
[0019]本發(fā)明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:通過將成核層設計為多層摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐層遞增的N型AlxGanN層,高溫緩沖層設計為摻雜濃度在成核層和N型層之間,有利于底層的電流擴展,降低芯片的正向電壓,從而可以降低芯片的能耗, 延長芯片的使用壽命。而且AlxGa1-xN層可以有效緩解GaN和藍寶石襯底之間的晶格失配,加上高溫緩沖層的摻雜濃度在成核層和N型層之間,進一步提高成核層、高溫緩沖層、N型層之間的晶格匹配度,減小對晶體質量的不良影響,改善外延片的翹曲度?!靖綀D說明】
[0020]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案,下面將對實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)明的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,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。[0021 ]圖1是本發(fā)明實施例提供的一種發(fā)光二極管的外延片的結構示意圖;
[0022]圖2是本發(fā)明實施例提供的一種成核層的結構示意圖;
[0023]圖3是本發(fā)明實施例提供的另一種成核層的結構示意圖;
[0024]圖4是本發(fā)明實施例提供的一種高溫緩沖層的結構示意圖;
[0025]圖5是本發(fā)明實施例提供的一種外延片的制備方法流程圖;
[0026]圖6是本發(fā)明實施例提供的另一種外延片的制備方法流程圖?!揪唧w實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚,下面將結合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。
[0028]本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片,圖1是本發(fā)明實施例提供的一種發(fā)光二極管的外延片的結構示意圖,如圖1所示,該外延片包括依次層疊的藍寶石襯底10、 低溫緩沖層20、成核層30、高溫緩沖層40、N型層50、有源層60和P型層70,其中,高溫緩沖層 40為N型摻雜的氮化鎵層,圖2是本發(fā)明實施例提供的一種成核層的結構示意圖,如圖2所示,成核層30包括層疊的多層N型AlxGai—XN層(如圖2中的N型AlxGai—XN層31、32、33、34),其中,0彡X彡1,各層N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度不變,多層N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐層遞增,高溫緩沖層40的摻雜濃度大于或等于摻雜濃度最高的N型AlxGanN 層的摻雜濃度,且高溫緩沖層40的摻雜濃度小于或等于N型層50的摻雜濃度。
[0029]本發(fā)明實施例通過將成核層設計為多層摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐層遞增的N型AlxGanN層,高溫緩沖層設計為摻雜濃度在成核層和N型層之間,有利于底層的電流擴展,降低芯片的正向電壓,從而可以降低芯片的能耗,延長芯片的使用壽命。而且AlxGa1-XN層可以有效緩解GaN和藍寶石襯底之間的晶格失配,加上高溫緩沖層的摻雜濃度在成核層和N型層之間,進一步提高成核層、高溫緩沖層、N型層之間的晶格匹配度,減小對晶體質量的不良影響,改善外延片的翹曲度。
[0030] 需要說明的是,雖然圖2中顯示的成核層30包括4層N型AlxGai—xN層,在其他實施例中,N型AlxGm-xN層的層數(shù)也可以大于或小于4,本發(fā)明并不以此為限。[〇〇31] 可選地,低溫緩沖層20的厚度為15?30nm,緩沖層20過厚和過薄都會影響到外延片的晶格質量。
[0032]圖3是本發(fā)明實施例提供的另一種成核層的結構示意圖,如圖3所示,成核層30還可以包括多層N型GaN層(如圖3中的N型GaN層35a、36a、37a、38a),N型GaN層與N型AlxGai—xN 層(如圖3中的N型AlxGai—XN層35b、36b、37b、38b)交替層疊,多層N型GaN層的層數(shù)與多層N型 AlxGa1-xN層的層數(shù)可以相同,通過設置交替的N型GaN層和N型AlxGa1-xN層,可以進一步降低外延片中的晶格失配度,提升晶體質量,釋放晶格失配所產(chǎn)生的應力。[〇〇33]可選地,成核層30的厚度大于或等于200nm,成核層30厚度太薄則無法有效降低外延片內(nèi)的應力,從而使得外延片翹曲度較大,晶格失配度高,降低了外延片的晶格質量。 [〇〇34] 優(yōu)選地,成核層30中N型GaN層與N型AlxGai—XN層交替層疊的周期數(shù)為3?10,周期數(shù)過小,則釋放應力的效果十分有限,無法充分釋放晶格失配所產(chǎn)生的應力,周期數(shù)過大, 則會造成成核層30的總厚度增加,從而導致成核層30電阻增大,電壓偏高。[0〇35]進一步地,成核層30的厚度為200nm?500nm,成核層30厚度過厚會造成電阻過大, 從而導致電壓偏高。
[0036]需要說明的是,N型GaN層和N型AlxGa1-xN層各層的厚度與周期數(shù)無關。如果保持成核層30的總厚度不變,降低單層N型AlxGahN層和N型GaN層的厚度以增加周期數(shù),則會由于單層N型AlxGa1-xN層和N型GaN層的厚度過薄而難以加工,導致加工成本上升。[〇〇37] 需要說明的是,雖然圖3中顯示的成核層30中N型GaN層與N型AlxGa1-xN層交替層疊的周期數(shù)為4,在其他實施例中,成核層30中N型GaN層與N型AlxGa^N層交替層疊的周期數(shù)也可以大于或小于4,本發(fā)明并不以此為限。
[0038]圖4是本發(fā)明實施例提供的一種高溫緩沖層的結構示意圖,如圖4所示,高溫緩沖層40可以包括交替層疊的多層N型AlYGai—YN層(如圖4中的N型AlYGai—YN層41b、42b、43b、44b) 和多層N型GaN層(如圖4中的N型GaN層41&、42&、43&、44&),其中4<¥彡1,通過交替層疊的多層N型AlYGa1-YN層和多層N型GaN層可以阻隔已經(jīng)存在的晶格缺陷,進一步釋放應力,改善晶體質量,從而提高發(fā)光二極管的抗靜電能力,提高發(fā)光二極管的可靠性和穩(wěn)定性。
[0039]可選地,N型AlYGa1-YN層和N型GaN層交替層疊的周期為3?10,周期數(shù)過小,則成核層、高溫緩沖層、N型層之間的晶格匹配度提高的效果十分有限,無法有效提高晶體質量,周期數(shù)過大,則會造成高溫緩沖層40的總厚度增加,從而導致高溫緩沖層40電阻增大,電壓偏尚
[0040]進一步地,高溫緩沖層40的厚度為50?500nm,高溫緩沖層40過厚則會增大高溫緩沖層40的電阻,從而導致正向電壓升高,而過薄則無法充分釋放應力,導致晶格失配度升高,也會導致正向電壓的升高。[0041 ] 需要說明的是,雖然圖4中顯示的高溫緩沖層40中N型GaN層與N型AhGa^N層交替層疊的周期數(shù)為4,在其他實施例中,高溫緩沖層40中N型GaN層與N型AlYGa1-YN層交替層疊的周期數(shù)也可以大于或小于4,本發(fā)明并不以此為限。
[0042]本發(fā)明實施例還提供了一種外延片的制備方法,圖5是本發(fā)明實施例提供的一種外延片的制備方法流程圖,如圖5所示,該制備方法包括:[〇〇43]S11:提供藍寶石襯底。
[0044]S12:在藍寶石襯底上依次外延生長低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和P型層,高溫緩沖層為N型摻雜的氮化鎵層,成核層包括層疊的多層N型AlxGanN層,其中,0彡X彡1,各層N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度不變,多層N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐層遞增,高溫緩沖層的摻雜濃度大于或等于摻雜濃度最高的N型AlxGanN層的摻雜濃度,且高溫緩沖層的摻雜濃度小于或等于N型層的摻雜濃度。
[0045]本發(fā)明實施例通過將成核層設計為多層摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐層遞增的N型AlxGanN層,高溫緩沖層設計為摻雜濃度在成核層和N型層之間,有利于底層的電流擴展,降低芯片的正向電壓,從而可以降低芯片的能耗。而且AlxGa1-xN層可以有效緩解GaN 和藍寶石襯底之間的晶格失配,加上高溫緩沖層的摻雜濃度在成核層和N型層之間,進一步提高成核層、高溫緩沖層、N型層之間的晶格匹配度,減小對晶體質量的不良影響,改善外延片的翹曲度。
[0046]圖6是本發(fā)明實施例提供的另一種外延片的制備方法流程圖,如圖6所示,該制備方法包括:[〇〇47]S21:提供藍寶石襯底。
[0048]實現(xiàn)時,可以將藍寶石襯底在MOCVD (Me ta 1 Or gan i c Chemi ca 1 Vapor Deposit1n,金屬有機化合物化學氣相沉淀)反應腔中加熱至1060°C,在氫氣氣氛里對藍寶石襯底進行退火處理以及氮化處理10分鐘,以對襯底表面進行清理。
[0049]S22:在藍寶石襯底上外延生長低溫緩沖層。
[0050]具體地,控制生長溫度為500?650°C,壓力為300?760Torr,V/m摩爾比為500? 3000,緩沖層的厚度為15?30nm〇
[0051]需要說明的是,v/m摩爾比表示用于生長緩沖層的五族元素與三族元素的摩爾比,例如,若低溫緩沖層為GaN,選用的鎵源中的鎵元素與選用的氮源中的氮元素的摩爾比為500?3000。[〇〇52]S23:在低溫緩沖層上外延生長成核層。[〇〇53] 具體地,控制生長溫度為1000?1200°C,壓力為400?600Torr,V/m摩爾比為300 ?1000,成核層的厚度可以為200?500nm,成核層厚度太薄則無法有效降低外延片內(nèi)的應力,從而使得外延片翹曲度較大,晶格失配度高,降低了外延片的晶格質量,過厚則會造成電阻過大,從而導致電壓偏高。
[0054] 實現(xiàn)時,該成核層可以包括層疊的多層N型AlxGa1-xN層,其中,1,各層N型 AlxGa1-xN層的摻雜濃度不變,多層N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐層遞增,由于多層N型AlxGa^N層的摻雜濃度在外延片的層疊方向上逐層遞增,降低了成核層的電阻,提高了電流擴展的能力,從而可以降低外延片的正向電壓,降低LED的能耗和發(fā)熱量, 延長使用壽命。
[0055]此外,該成核層也可以包括交替層疊的多層N型AlxGa1-xN層和多層N型GaN層,多層 N型GaN層的層數(shù)與多層N型AlxGa1-xN層的層數(shù)相同,通過設置交替的N型GaN層和N型AlxGa1-XN層,可以進一步降低外延片中的晶格失配度,提升晶體質量,釋放晶格失配所產(chǎn)生的應力。
[0056]S24:在成核層上外延生長高溫緩沖層。[〇〇57] 具體地,控制生長溫度為1000?1200°C,壓力為30?500Torr,V/m摩爾比為300 ?3000,高溫緩沖層的厚度為50?500nm〇[〇〇58] 實現(xiàn)時,高溫緩沖層可以包括交替層疊的多層N型AlYGa1-YN層和多層N型GaN層,其中,X<Y<1,通過交替層疊的多層N型AlYGa1-YN層和多層N型GaN層可以阻隔已經(jīng)存在的晶格缺陷,進一步釋放應力,改善晶體質量,從而提高發(fā)光二極管的抗靜電能力,提高發(fā)光二極管的可靠性和穩(wěn)定性。[〇〇59]S25:在高溫緩沖層上外延生長N型層。[〇〇6〇] 具體地,控制N型層的生長溫度為1000?1200°C,壓力為50?760Torr,V/m摩爾比為300?3000,N型層的厚度為3000?4000nm。[〇〇61 ]S26:在N型層上外延生長有源層。[〇〇62] 具體地,控制有源層的生長溫度為720?820°C,壓力為200?400Torr,V/m摩爾比為300?5000,有源層的厚度為400?500nm。[〇〇63]S27:在有源層上外延生長P型層。[〇〇64] 具體地,控制P型層的生長溫度為850?1050°C,壓力為100?760Torr,V/m摩爾比為1000?20000,P型層的厚度為50?800nm。[〇〇65] 此外,在P型層生長完成后,可以先將反應腔的溫度降低至650?850°C,在純氮氣氛圍中退火處理5?15min,再將反應腔的溫度降至室溫,結束外延片的生長,此后即可對外延片進行清洗、沉積、光刻和刻蝕等其他半導體加工工藝。[〇〇66] 可選地,鎵源可以為三甲基鎵或三乙基鎵,氮源可以為高純度的NH3,銦源可以為三甲基銦,鋁源可以為三甲基鋁,N型摻雜可以選用硅烷,P型摻雜可以選用二茂鎂。
[0067]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例,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、改進等,均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種發(fā)光二極管的外延片,所述外延片包括依次層疊的藍寶石襯底、低溫緩沖層、成 核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和P型層,其特征在于,所述高溫緩沖層為N型摻雜的氮化 鎵層,所述成核層包括層疊的多層N型AlxGa1-xN層,其中,1,各層所述N型AlxGa1-xN層 的摻雜濃度不變,多層所述N型AlxGa^N層的摻雜濃度沿所述外延片的層疊方向逐層遞增, 所述高溫緩沖層的摻雜濃度大于或等于摻雜濃度最高的所述N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度, 且所述高溫緩沖層的摻雜濃度小于或等于所述N型層的摻雜濃度。2.根據(jù)權利要求1所述的外延片,其特征在于,所述成核層還包括多層N型GaN層,所述N 型GaN層與所述N型AlxGa1-xN層交替層疊。3.根據(jù)權利要求2所述的外延片,其特征在于,所述N型GaN層與所述N型AlxGm-xN層交替 層疊的周期為3?10。4.根據(jù)權利要求2所述的外延片,其特征在于,所述高溫緩沖層包括交替層疊的多層N 型AhGapyN層和多層N型GaN層,其中,X<Y<1。5.根據(jù)權利要求4所述的外延片,其特征在于,所述N型AlyGa1-yN層和所述N型GaN層交替 層疊的周期為3?10。6.根據(jù)權利要求1?4任一項所述的外延片,其特征在于,所述成核層的厚度大于或等 于200nm。7.根據(jù)權利要求1?4任一項所述的外延片,其特征在于,所述低溫緩沖層的厚度為15 ?30nm〇8.根據(jù)權利要求1?4任一項所述的外延片,其特征在于,所述高溫緩沖層的厚度為50 ?500nm。9.一種外延片的制備方法,其特征在于,所述制備方法包括:提供藍寶石襯底;在所述藍寶石襯底上依次外延生長低溫緩沖層、成核層、高溫緩沖層、N型層、有源層和 P型層,所述高溫緩沖層為N型摻雜的氮化鎵層,所述成核層包括層疊的多層N型AlxGa^N 層,其中,1,各層所述N型AlxGa1-xN層的摻雜濃度不變,多層所述N型AlxGa1-xN層的摻 雜濃度沿所述外延片的層疊方向逐層遞增,所述高溫緩沖層的摻雜濃度大于或等于摻雜濃 度最高的所述N型AlxGa^N層的摻雜濃度,且所述高溫緩沖層的摻雜濃度小于或等于所述N 型層的摻雜濃度。10.根據(jù)權利要求9所述的制備方法,其特征在于,所述高溫緩沖層包括交替層疊的多 層N型AhGapyN層和多層N型GaN層,其中,X<Y<1。
【文檔編號】H01L33/12GK106098874SQ201610616141
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月29日 公開號201610616141.5, CN 106098874 A, CN 106098874A, CN 201610616141, CN-A-106098874, CN106098874 A, CN106098874A, CN201610616141, CN201610616141.5
【發(fā)明人】代露, 萬林, 胡加輝
【申請人】華燦光電(浙江)有限公司