一種發光二極管的外延片及其制造方法與流程

本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種發光二極管的外延片及其制造方法。

背景技術：

發光二極管(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被迅速廣泛地應用于交通信號燈、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氮化鎵層、高溫氮化鎵層、N型氮化鎵層、應力釋放層、有源層、電子阻擋層和P型氮化鎵層。其中，應力釋放層包括依次層疊的第一子層、第二子層和第三子層，第一子層為摻有硅的氮化鎵層，第二子層包括多層未摻雜的銦鎵氮層和多層未摻雜的氮化鎵層，多層未摻雜的銦鎵氮層和多層未摻雜的氮化鎵層交替層疊設置，第三子層為摻有硅的氮化鎵層；有源層包括多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層，多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層交替層疊設置。

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：

有源層包括多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層，第三子層為摻有硅的氮化鎵層，第三子層和有源層的組成不同，因此第三子層與有源層之間存在晶格失配，會產生作用于有源層的應力。由于第三子層距離有源層最近，會對有源層造成極大的影響，同時有源層是LED中的發光層，因此第三子層與有源層之間晶格失配產生的應力對LED的亮度和反向擊穿電壓產生很大的影響。

技術實現要素：

為了解決現有技術對LED的亮度和反向擊穿電壓產生很大的影響的問題，本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片及其制造方法。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低溫氮化鎵層、高溫氮化鎵層、N型氮化鎵層、應力釋放層、有源層、電子阻擋層和P型氮化鎵層；所述應力釋放層包括依次層疊的第一子層、第二子層和第三子層，所述第一子層為摻有硅的氮化鎵層，所述第二子層包括多層未摻雜的銦鎵氮層和多層未摻雜的氮化鎵層，所述多層未摻雜的銦鎵氮層和所述多層未摻雜的氮化鎵層交替層疊設置；所述有源層包括多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層，所述多層銦鎵氮層和所述多層氮化鎵層交替層疊設置，所述第三子層為摻雜銦和硅的氮化鎵層，所述第三子層中銦的摻雜濃度沿所述外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低。

可選地，所述第三子層中銦的摻雜濃度為所述第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/15～1/5。

可選地，所述第三子層中銦的摻雜濃度為所述有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/25～1/10。

可選地，所述有源層中的每個氮化鎵層中和所述N型氮化鎵層中均摻有硅，所述第三子層中硅的摻雜濃度小于所述N型氮化鎵層中硅的摻雜濃度，且所述第三子層中硅的摻雜濃度小于所述有源層中每個氮化鎵層中硅的摻雜濃度。

另一方面，本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片的制造方法，所述制造方法包括：

提供一襯底；

在所述襯底上依次生長低溫氮化鎵層、高溫氮化鎵層、N型氮化鎵層、應力釋放層、有源層、電子阻擋層和P型氮化鎵層；其中，所述應力釋放層包括依次層疊的第一子層、第二子層和第三子層，所述第一子層為摻有硅的氮化鎵層，所述第二子層包括多層未摻雜的銦鎵氮層和多層未摻雜的氮化鎵層，所述多層未摻雜的銦鎵氮層和所述多層未摻雜的氮化鎵層交替層疊設置，所述第三子層為摻雜銦和硅的氮化鎵層，所述第三子層中銦的摻雜濃度沿所述外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低；所述有源層包括多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層，所述多層銦鎵氮層和所述多層氮化鎵層交替層疊設置。

可選地，所述第三子層的生長溫度為800～850℃。

可選地，所述第三子層的生長溫度低于所述第一子層的生長溫度，且所述第三子層的生長溫度低于所述第二子層的生長溫度。

優選地，所述第三子層的生長速率大于所述第一子層的生長速率，且所述第三子層的生長速率大于所述第二子層的生長速率。

優選地，所述第三子層的厚度小于所述第一子層的厚度，且所述第三子層的厚度小于所述第二子層的厚度。

可選地，所述第三子層的生長溫度高于所述有源層中每個銦鎵氮層的生長溫度。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

通過第三子層為摻雜銦和硅的氮化鎵層，與有源層中的銦鎵氮層形成直接且較優的晶格匹配，避免由于晶格失配而產生的應力，減少了由此帶來的缺陷、以及缺陷引起的非輻射復合中心，大大提高了晶體質量，最終提高了LED的亮度和反向擊穿電壓。而且第三子層中銦的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低，第三子層中銦的摻雜濃度是逐漸過渡的，可以盡可能減少In作為雜質摻雜在第三子層中對第三子層結構所造成的不良影響，如帶來晶格畸變，進而影響到LED的亮度和反向擊穿電壓的提高。

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，對于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管的外延片的結構示意圖；

圖2是本發明實施例一提供的應力釋放層的結構示意圖；

圖3是本發明實施例二提供的一種發光二極管的外延片的制造方法的流程圖。

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管的外延片，參見圖1，該外延片包括襯底1、以及依次層疊在襯底1上的低溫氮化鎵層2、高溫氮化鎵層3、N型氮化鎵層4、應力釋放層5、有源層6、電子阻擋層7和P型氮化鎵層8。

在本實施例中，參見圖2，應力釋放層5包括依次層疊的第一子層51、第二子層52和第三子層53，第一子層51為摻有硅的氮化鎵層，第二子層52包括多層未摻雜的銦鎵氮層52a和多層未摻雜的氮化鎵層52b，多層未摻雜的銦鎵氮層52a和多層未摻雜的氮化鎵層52b交替層疊設置，第三子層53為摻雜銦和硅的氮化鎵層，第三子層53中銦的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低。有源層包括多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層，多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層交替層疊設置。

通過第三子層為摻雜銦和硅的氮化鎵層，與有源層中的銦鎵氮層形成直接且較優的晶格匹配，避免由于晶格失配而產生的應力，減少了由此帶來的缺陷、以及缺陷引起的非輻射復合中心，大大提高了晶體質量，最終提高了LED的亮度和反向擊穿電壓。而且第三子層中銦的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低，第三子層中銦的摻雜濃度是逐漸過渡的，可以盡可能減少In作為雜質摻雜在第三子層中對第三子層結構所造成的不良影響，如帶來晶格畸變，進而影響到LED的亮度和反向擊穿電壓的提高。

在具體實現中，可以通過溫度的變化或者In的流量變化實現In摻雜濃度的變化。

可選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/15～1/5。當第三子層中銦的摻雜濃度小于第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/15時，會因為摻雜濃度較低而起不到晶格匹配的效果；當第三子層中銦的摻雜濃度大于第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/5時，會因為摻雜濃度較高而造成摻雜雜質較多，引起缺陷產生。

優選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/10～1/5，既能保證達到晶格匹配的效果，也不會因為摻雜雜質較多而影響整體的晶體質量。

可選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/25～1/10。當第三子層中銦的摻雜濃度小于有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/25時，會因為摻雜濃度較低而起不到晶格匹配的效果；當第三子層中銦的摻雜濃度大于有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/10時，會因為摻雜濃度較高而造成摻雜雜質較多，引起缺陷產生。

優選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/20～1/10，既能保證達到晶格匹配的效果，也不會因為摻雜雜質較多而影響整體的晶體質量。

可選地，有源層中的每個氮化鎵層中和N型氮化鎵層中均摻有硅，第三子層中硅的摻雜濃度可以小于N型氮化鎵層中硅的摻雜濃度，且第三子層中硅的摻雜濃度可以小于有源層中每個氮化鎵層中硅的摻雜濃度。

需要說明的是，由于第三子層為電子儲存層，因此第三子層中摻有硅；同時第三子層距離有源層最近，為了減少摻雜雜質帶來的缺陷，因此第三子層中會采用較低的硅摻雜量，通常第三子層中硅的摻雜濃度小于N型氮化鎵層和有源層中的氮化鎵層。

另外，第三子層中銦的摻雜濃度是指第三子層中銦的平均摻雜濃度，如第三子層中銦的摻雜濃度沿外延片的層疊方向從A逐漸升高到A+B，則第三子層中銦的摻雜濃度為A+B/2，A＞0，B＞0。第二子層中每個銦鎵氮層中銦的摻雜濃度相同，有源層中每個銦鎵氮層中銦的摻雜濃度相同。

實施例二

本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片的制造方法，適用于實施例一提供的外延片的制造。在本實施例中，采用Veeco K465i or C4金屬有機化合物化學氣相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱：MOCVD)設備實現LED外延片的制造。采用高純氫氣(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作為氮源，三甲基鎵(TMGa)及三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，硅烷(SiH4)作為N型摻雜劑，二茂鎂(CP₂Mg)作為P型摻雜劑。反應室壓力控制在100～600torr。

具體地，參見圖3，該生長方法包括：

步驟200：提供一襯底。

在本實施例中，襯底為藍寶石。

步驟201：對襯底進行預處理。

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，反應室溫度可以為1000～1100℃，反應室壓力可以控制在200～500torr。

步驟202：在襯底上生長低溫緩沖層。

在本實施例中，低溫緩沖層為氮化鎵層，厚度可以為15～30nm。生長低溫緩沖層時，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，低溫緩沖層生長在藍寶石的[0001]面上。

步驟203：在低溫緩沖層上生長高溫緩沖層。

在本實施例中，高溫緩沖層為不摻雜的氮化鎵層，厚度可以為2～3.5μm。生長高溫緩沖層時，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：在高溫緩沖層上生長N型氮化鎵層。

在本實施例中，N型氮化鎵層中摻有硅，厚度可以為2～3μm。生長N型氮化鎵層時，反應室溫度可以為1000～1100℃，反應室壓力可以控制在200～300torr。

步驟205：在N型氮化鎵層上生長應力釋放層。

在本實施例中，應力釋放層包括依次層疊的第一子層、第二子層和第三子層，第一子層為摻有硅的氮化鎵層，第二子層包括多層未摻雜的銦鎵氮層和多層未摻雜的氮化鎵層，多層未摻雜的銦鎵氮層和多層未摻雜的氮化鎵層交替層疊設置，第三子層為摻雜銦和硅的氮化鎵層，第三子層中銦的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低。

可選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/15～1/5。當第三子層中銦的摻雜濃度小于第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/15時，會因為摻雜濃度較低而起不到晶格匹配的效果；當第三子層中銦的摻雜濃度大于第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/5時，會因為摻雜濃度較高而造成摻雜雜質較多，引起缺陷產生。

優選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為第二子層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/10～1/5，既能保證達到晶格匹配的效果，也不會因為摻雜雜質較多而影響整體的晶體質量。

可選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/25～1/10。當第三子層中銦的摻雜濃度小于有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/25時，會因為摻雜濃度較低而起不到晶格匹配的效果；當第三子層中銦的摻雜濃度大于有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/10時，會因為摻雜濃度較高而造成摻雜雜質較多，引起缺陷產生。

優選地，第三子層中銦的摻雜濃度可以為有源層中每個銦鎵氮層中的銦的摻雜濃度的1/20～1/10，既能保證達到晶格匹配的效果，也不會因為摻雜雜質較多而影響整體的晶體質量。

可選地，有源層中的每個氮化鎵層中和N型氮化鎵層中均摻有硅，第三子層中硅的摻雜濃度可以小于N型氮化鎵層中硅的摻雜濃度，且第三子層中硅的摻雜濃度可以小于有源層中每個氮化鎵層中硅的摻雜濃度。

需要說明的是，由于第三子層為電子儲存層，因此第三子層中摻有硅；同時第三子層距離有源層最近，為了減少摻雜雜質帶來的缺陷，因此第三子層中會采用較低的硅摻雜量，通常第三子層中硅的摻雜濃度小于N型氮化鎵層和有源層中的氮化鎵層。

可選地，第三子層的生長溫度可以為800～850℃。當第三子層的生長溫度低于800℃時，會因為溫度太低而影響整體的晶體質量；當第三子層的生長溫度高于850℃時，對有源層中銦鎵氮層的破壞比較大；當第三子層的生長溫度為800～850℃時，既可保證整體的晶體質量，又可減少對對有源層中銦鎵氮層的破壞。

可選地，第一子層的生長溫度可以為830～900℃，第二子層的生長溫度可以為830～900℃。當第一子層和第二子層中至少一個的生長溫度低于830℃，會影響晶體質量；當第一子層和第二子層中至少一個的生長溫度高于900℃時，會對有源層中銦鎵氮層造成破壞；當第一子層的生長溫度為830～900℃，且第二子層的生長溫度為830～900℃時，既可保證整體的晶體質量，又可減少對對有源層中銦鎵氮層的破壞。

可選地，第三子層的生長溫度可以低于第一子層的生長溫度，且第三子層的生長溫度可以低于第二子層的生長溫度，以減少對有源層中銦鎵氮層的破壞。

優選地，第三子層的生長速率可以大于第一子層的生長速率，且第三子層的生長速率可以大于第二子層的生長速率，采用較快的生長速率減少生長時間，在一定程度上彌補第三子層的生長溫度較低帶來的晶體質量差的影響。若第三子層的生長速率小于第一子層和第二子層，加上第三子層的生長溫度較低，生長速率較慢勢必會造成晶體質量的降低。

優選地，第三子層的厚度可以小于第一子層的厚度，且第三子層的厚度可以小于第二子層的厚度。若第三子層的厚度大于第一子層和第二子層，加上第三子層的生長溫度較低，厚度大勢必會造成晶體質量的降低。

可選地，第三子層的生長溫度可以高于有源層中每個銦鎵氮層的生長溫度。

步驟206：在應力釋放層上生長有源層。

在本實施例中，有源層包括多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層，多層銦鎵氮層和多層氮化鎵層交替層疊設置。其中，銦鎵氮層的厚度為2～3nm，氮化鎵層的厚度為8～11nm。銦鎵氮層和氮化鎵層的層數相同，氮化鎵層的層數為11～13層，有源層的厚度為130～160nm。

具體地，生長有源層時，反應室壓力控制在200torr。生長銦鎵氮層時，反應室溫度為760～780℃。生長氮化鎵層時，反應室溫度為860～890℃。

步驟207：在有源層上生長電子阻擋層。

在本實施例中，電子阻擋層為摻雜鎂的鋁鎵氮(AlGaN)層。其中，鋁鎵氮層為Al_yGa_1-yN層，0.15≤y≤0.25，厚度可以為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。

步驟208：在電子阻擋層上生長P型氮化鎵層。

在本實施例中，P型氮化鎵層為摻雜高于設定濃度鎂的氮化鎵層，厚度可以為50～80nm。生長P型氮化鎵層時，反應室溫度可以為940～980℃，反應室壓力可以控制在200～600torr。

步驟209：活化P型氮化鎵層。

具體地，該步驟209可以包括：

在氮氣氣氛下，持續處理P型氮化鎵層20～30min。其中，反應室溫度可以為650～750℃。

需要說明的是，活化P型氮化鎵層主要是P型氮化鎵層中摻雜的鎂，使鎂活化后產生更多的空穴，避免由于不活化而導致歐姆接觸差，引起芯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，并分別將處理后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，第一樣品是采用傳統的發光二極管外延片的制造方法得到的，第二樣品是采用本實施例提供的發光二極管外延片的制造方法得到的。

接著在處理后的第一樣品和第二樣品的相同位置各自挑選300顆晶粒，在相同的工藝條件下，封裝成白光LED。采用積分球分別在驅動電流150mA和120mA條件下測試來自于第一樣品的晶粒和來自于第二樣品的晶粒的光電性能。

結果顯示，來自于第二樣品的晶粒與比來自于第一樣品的晶粒相比，光強分別在150mA和120mA驅動電流下有明顯提高，反向擊穿電壓也大大提高，說明本實施例提供的制造方法制造的外延片的晶體質量較好。

本發明實施例通過第三子層為摻雜銦和硅的氮化鎵層，與有源層中的銦鎵氮層形成直接且較優的晶格匹配，避免由于晶格失配而產生的應力，減少了由此帶來的缺陷、以及缺陷引起的非輻射復合中心，大大提高了晶體質量，最終提高了LED的亮度和反向擊穿電壓。而且第三子層中銦的摻雜濃度沿外延片的層疊方向逐漸升高或者逐漸降低，第三子層中銦的摻雜濃度是逐漸過渡的，可以盡可能減少In作為雜質摻雜在第三子層中對第三子層結構所造成的不良影響，如帶來晶格畸變，進而影響到LED的亮度和反向擊穿電壓的提高。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，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范圍之內。