一種發光二極體外延片及其生長方法與流程

2023-05-02 02:13:41 1

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種發光二極體外延片及其生長方法。

背景技術：

發光二極體(英文：Light Emitting Diode，簡稱：LED)是一種能發光的半導體電子元件。作為一種高效、環保、綠色的新型固態照明光源，LED被迅速廣泛地應用於交通信號燈、汽車內外燈、城市景觀照明、手機背光源等。

現有LED的外延片包括襯底、以及依次層疊在襯底上的低溫緩衝層、高溫緩衝層、N型層、有源層、P型層。其中，N型層的生長環境和Si的摻雜濃度單一。

在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：

Si的摻雜濃度低會導致電子濃度低，電流擴展受到阻礙，降低了有源區的載流子注入，影響LED的發光效率；Si的摻雜濃度高，由摻雜產生的缺陷會在有源區產生非輻射中心，同樣會降低LED的發光效率。

技術實現要素：

為了解決現有技術LED的發光效率較低的問題，本發明實施例提供了一種發光二極體外延片及其生長方法。所述技術方案如下：

一方面，本發明實施例提供了一種發光二極體外延片，所述發光二極體外延片包括襯底、以及依次層疊在所述襯底上的低溫緩衝層、高溫緩衝層、N型層、有源層、P型層，所述N型層包括至少5層N型子層，所述N型子層包括依次層疊的低摻層、高摻層和中斷生長層，所述低摻層為不摻雜或者摻雜低於設定濃度Si的GaN層，所述高摻層為摻雜高於設定濃度Si的GaN層，所述中斷生長層為SiN層。

可選地，所述高摻層的Si摻雜濃度大於5e18/cm3。

可選地，所述N型層的厚度為1.5～2.5μm。

可選地，所述高摻層的厚度在所述N型子層中最大。

可選地，所述高摻層的Si摻雜濃度＞所述中斷生長層的Si摻雜濃度＞所述低摻層的Si摻雜濃度。

另一方面，本發明實施例提供了一種發光二極體外延片的生長方法，所述生長方法包括：

依次在襯底上生長低溫緩衝層、高溫緩衝層、N型層、有源層、P型層；

所述N型層包括至少5層N型子層，所述N型子層包括依次層疊的低摻層、高摻層和中斷生長層，所述低摻層為不摻雜或者摻雜低於設定濃度Si的GaN層，所述高摻層為摻雜高於設定濃度Si的GaN層，所述中斷生長層為SiN層。

可選地，所述高摻層的生長溫度在所述N型子層中最高。

優選地，所述N型子層中各層除生長溫度之外的所有生長條件相同。

可選地，所述高摻層的Si摻雜濃度＞所述中斷生長層的Si摻雜濃度＞所述低摻層的Si摻雜濃度。

可選地，所述高摻層的厚度在所述N型子層中最大。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

通過在高溫緩衝層上先生長不摻雜Si或者摻雜少量Si的GaN層，因為高溫緩衝層是填平層，所以不摻雜Si或者摻雜少量Si對於晶體質量是有提高的；接著再生長重摻雜Si的GaN層，主要用來提供電子；最後再不通Ga源只通Si以形成SiN，其一方面可以阻斷高摻雜Si帶來的缺陷延伸，另一方面也可以提供電子。三者循環生長，既可以提高晶體質量，又可以提供足夠的電子，還可以阻擋缺陷以減少非輻射複合中心的形成，並能形成有效的電流擴展通道。因此最終降低了工作電壓，又提升了LED的發光效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發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明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例一提供的一種發光二極體外延片的結構示意圖；

圖2是本發明實施例一提供的N型層的結構示意圖；

圖3是本發明實施例二提供的一種發光二極體外延片的生長方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例一

本發明實施例提供了一種發光二極體外延片，參見圖1，該發光二極體外延片包括襯底1、以及依次層疊在襯底1上的低溫緩衝層2、高溫緩衝層3、N型層4、有源層5、P型層6。

在本實施例中，參見圖2，N型層4包括至少5層N型子層40，N型子層40包括依次層疊的低摻層41、高摻層42和中斷生長層43，低摻層41為不摻雜或者摻雜低於設定濃度Si的GaN層，高摻層42為摻雜高於設定濃度Si的GaN層，中斷生長層43為SiN層。

在具體實現中，中斷生長層採用不通Ga源但通Si的生長方式實現，從而形成SiN阻斷層，以阻擋缺陷向上延伸。

需要說明的是，低摻層可以不摻雜Si，也可以摻雜少量Si。作為與高溫緩衝層(填平層)的銜接層，低摻層很重要。若低摻層不摻雜Si，則可以提高晶體質量；若低摻層摻雜少量Si，也不會影響到晶體質量；但是若低摻層的Si摻雜濃度大於1e18/cm3，則會因為接近填平層而嚴重影響晶體質量。

具體地，低摻層的Si摻雜濃度小於1e18/cm3，可保證晶體質量。

可選地，高摻層的Si摻雜濃度可以大於5e18/cm3，且小於5e19/cm3。若高摻層的Si摻雜濃度小於5e18/cm3，則會由於Si摻雜濃度低而影響電子濃度；若高摻層的Si摻雜濃度大於5e19/cm3，則會因為Si摻雜太多引入過多缺陷而影響晶體質量。高摻層的Si摻雜濃度大於5e18/cm3，且小於5e19/cm3，既能保證足夠的電子濃度，也不會影響晶體質量太多。

可選地，N型子層的層數為5～12層。若少於5層，會由於層數較少而影響發光效率；5～12層，既不影響發光效率，也不會增加較多的生產成本。

可選地，N型層的厚度可以為1.5～2.5μm。若小於1.μm，會由於厚度偏薄影響電流擴展進而影響工作電壓；若大於1.5μm，又會因為厚度太厚而增加生產成本。

優選地，N型層的厚度可以為1.5～2.3μm，既不影響電流擴展，又不增加較多成本。

可選地，高摻層的厚度在N型子層中可以最大，主要是考慮到其是主要的電子提供層，因此需要保障電子的供應。

可選地，高摻層的Si摻雜濃度＞中斷生長層的Si摻雜濃度＞低摻層的Si摻雜濃度。

在本實施例中，襯底為藍寶石；低溫緩衝層為GaN層，厚度可以為15～30nm；高溫緩衝層為不摻雜的GaN層，厚度可以為2～3.5μm；有源層包括交替層疊的InGaN層和GaN層，InGaN層的厚度可以為2～3.5nm，GaN層的厚度可以為8～15nm；P型層包括電子阻擋層和空穴提供層，電子阻擋層為摻雜Mg的AlyGa1-yN層，0.15≤y≤0.25，厚度為30～50nm，空穴提供層的摻雜高於設定濃度Mg的GaN層，厚度為50～80nm。

本發明實施例通過在高溫緩衝層上先生長不摻雜Si或者摻雜少量Si的GaN層，因為高溫緩衝層是填平層，所以不摻雜Si或者摻雜少量Si對於晶體質量是有提高的；接著再生長重摻雜Si的GaN層，主要用來提供電子；最後再不通Ga源只通Si以形成SiN，其一方面可以阻斷高摻雜Si帶來的缺陷延伸，另一方面也可以提供電子。三者循環生長，既可以提高晶體質量，又可以提供足夠的電子，還可以阻擋缺陷以減少非輻射複合中心的形成，並能形成有效的電流擴展通道。因此最終降低了工作電壓，又提升了LED的發光效率。

實施例二

本發明實施例提供了一種發光二極體外延片的生長方法，適用於實施例一提供的發光二極體外延片。在本實施例中，採用Veeco K465i or C4金屬有機化合物化學氣相沉澱(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱：MOCVD)設備實現LED的生長方法。採用高純氫氣(H2)或高純氮氣(N2)或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為N源，三甲基鎵(TMGa)及三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，矽烷(SiH4)作為N型摻雜劑，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，二茂鎂(CP2Mg)作為P型摻雜劑。反應室壓力為100-600torr。

參見圖3，該生長方法包括：

步驟201：對襯底進行預處理。

在本實施例中，襯底為藍寶石。

具體地，該步驟201可以包括：

在氫氣氣氛下，高溫處理襯底5-6min。

其中，反應室溫度為1000-1100℃，反應室壓力控制在200-500torr。

步驟202：在襯底上生長低溫緩衝層。

在本實施例中，低溫緩衝層為GaN層，厚度可以為15～30nm。生長低溫緩衝層時，反應室溫度可以為530～560℃，反應室壓力可以控制在200～500torr。

具體地，低溫緩衝層生長在藍寶石的[0001]面上。

步驟203：在低溫緩衝層上生長高溫緩衝層。

在本實施例中，高溫緩衝層為不摻雜的GaN層，厚度可以為2～3.5μm。生長高溫緩衝層時，反應室溫度可以為1000～1100℃，反應室壓力可以控制在200～600torr。

步驟204：在高溫緩衝層上生長N型層。

在本實施例中，N型層包括至少5層N型子層，N型子層包括依次層疊的低摻層、高摻層和中斷生長層，低摻層為不摻雜或者摻雜低於設定濃度Si的GaN層，高摻層為摻雜高於設定濃度Si的GaN層，中斷生長層為SiN層。

在具體實現中，中斷生長層採用不通Ga源但通Si的生長方式實現，從而形成SiN阻斷層，以阻擋缺陷向上延伸。

需要說明的是，低摻層可以不摻雜Si，也可以摻雜少量Si。作為與高溫緩衝層(填平層)的銜接層，低摻層很重要。若低摻層不摻雜Si，則可以提高晶體質量；若低摻層摻雜少量Si，也不會影響到晶體質量；但是若低摻層的Si摻雜濃度大於1e18/cm3，則會因為接近填平層而嚴重影響晶體質量。

具體地，低摻層的Si摻雜濃度小於1e18/cm3，可保證晶體質量。

可選地，高摻層的Si摻雜濃度可以大於5e18/cm3，且小於5e19/cm3。若高摻層的Si摻雜濃度小於5e18/cm3，則會由於Si摻雜濃度低而影響電子濃度；若高摻層的Si摻雜濃度大於5e19/cm3，則會因為Si摻雜太多引入過多缺陷而影響晶體質量。高摻層的Si摻雜濃度大於5e18/cm3，且小於5e19/cm3，既能保證足夠的電子濃度，也不會影響晶體質量太多。

可選地，N型子層的層數為5～12層。若少於5層，會由於層數較少而影響發光效率；5～12層，既不影響發光效率，也不會增加較多的生產成本。

可選地，N型層的厚度可以為1.5～2.5μm。若小於1.μm，會由於厚度偏薄影響電流擴展進而影響工作電壓；若大於1.5μm，又會因為厚度太厚而增加生產成本。

優選地，N型層的厚度可以為1.5～2.3μm，既不影響電流擴展，又不增加較多成本。

可選地，高摻層的厚度在N型子層中可以最大，主要是考慮到其是主要的電子提供層，因此需要保障電子的供應。

可選地，高摻層的生長溫度在N型子層中可以最高，主要是考慮到其是主要的雜質滲入層，因此需要高溫實現雜質的滲入。

優選地，N型子層中各層除生長溫度之外的所有生長條件可以相同，以方便實現。

可選地，高摻層的Si摻雜濃度＞中斷生長層的Si摻雜濃度＞低摻層的Si摻雜濃度。

步驟205：在N型層上生長有源層。

在本實施例中，有源層包括交替層疊的InGaN層和GaN層。InGaN層的厚度可以為2～3.5nm，GaN層的厚度可以為8～15nm。生長有源層時，反應室溫度可以為750～900℃，反應室壓力可以控制在200torr。

步驟206：在有源層上生長P型層。

在本實施例中，P型層包括電子阻擋層和空穴提供層。電子阻擋層為摻雜Mg的AlyGa1-yN層，0.15≤y≤0.25，厚度為30～50nm。生長電子阻擋層時，反應室溫度可以為930～970℃，反應室壓力可以控制在100torr。空穴提供層的摻雜高於設定濃度Mg的GaN層，厚度為50～80nm。生長空穴提供層時，反應室溫度可以為940～980℃，反應室壓力可以控制在200～600torr。

步驟207：活化P型層。

具體地，活化時間可以為30min。其中，反應室溫度可以為650～750℃。

需要說明的是，活化P型層主要是活化空穴提供層中摻雜的Mg，使Mg活化後產生更多的空穴，避免由於不活化而導致歐姆接觸差，引起晶片亮度低和電壓高的情況。

下面分別對第一樣品和第二樣品在相同的工藝條件下鍍110nm的氧化銦錫金屬氧化物(英文：Indium Tin Oxides，簡稱：ITO)層，120nm的Cr/Pt/Au電極和40nm的SiO2保護層，並分別將處理後的第一樣品和第二樣品研磨切割成305μm*635μm(12mi*25mil)的芯粒和229μm*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中，第一樣品是採用傳統的發光二極體外延片的生長方法得到的，第二樣品是採用本實施例提供的發光二極體外延片的生長方法得到的。

接著在處理後的第一樣品和第二樣品的相同位置各自挑選200顆晶粒，在相同的工藝條件下，封裝成白光LED。採用積分球分別在驅動電流120mA和60mA條件下測試來自於第一樣品的晶粒和來自於第二樣品的晶粒的光電性能。

結果顯示，兩種來自於第二樣品的晶粒與比來自於第一樣品的晶粒相比，工作電壓分別在120mA和60mA驅動電流下有明顯降低，抗靜電能力也明顯增強，說明本實施例提供的生長方法確實可以減少缺陷，減少了非輻射複合中心的形成，也提高了發光效率。

本發明實施例通過在高溫緩衝層上先生長不摻雜Si或者摻雜少量Si的GaN層，因為高溫緩衝層是填平層，所以不摻雜Si或者摻雜少量Si對於晶體質量是有提高的；接著再生長重摻雜Si的GaN層，主要用來提供電子；雖然摻雜濃度較高會對晶體質量有一定的破壞，但此段生長溫度最高，可以增加吸附原子的遷移率，提高晶體質量，彌補重摻雜Si帶來的晶體質量變差；最後再不通Ga源只通Si以形成SiN，其一方面可以阻斷高摻雜Si帶來的缺陷延伸，另一方面也可以提供電子。三者循環生長，既可以提高晶體質量，又可以提供足夠的電子，還可以阻擋缺陷以減少非輻射複合中心的形成，並能形成有效的電流擴展通道。因此最終降低了工作電壓，又提升了LED的發光效率。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。