一種發光二極管外延片及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種發光二極管外延片及其制備方法，屬于半導體技術領域。所述發光二極管外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在藍寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、有源層、P型層，P型層包括摻雜Mg的GaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度先逐漸減少再逐漸增多，摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層。本發明通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，調節空穴的注入，提高發光二極管的發光效率。
【專利說明】
一種發光二極管外延片及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種發光二極管外延片及其制備方法。【背景技術】
[0002]發光二極管(Light Emitting D1de，簡稱LED)是一種能夠將電能有效轉化為光能的半導體器件，目前氮化鎵基LED受到越來越多的關注和研究。
[0003]LED外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在藍寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜 GaN層、N型GaN層、有源層、P型AlGaN層、P型GaN層。當有電流通過時，N型GaN層的電子和P型 GaN層的空穴進入有源層復合發光。
[0004]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:
[0005]空穴的質量比電子大，迀移率和迀移速率都比電子低，而且P型GaN層中摻雜的Mg 只有很少一部分可以活化，因此注入有源層的空穴數量較少，極大限制發光二極管的發光效率。
【發明內容】
[0006]為了解決現有技術極大限制發光二極管的發光效率的問題，本發明實施例提供了一種發光二極管外延片及其制備方法。所述技術方案如下:
[0007]—方面，本發明實施例提供了一種發光二極管外延片，所述發光二極管外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在所述藍寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、 有源層、P型層，所述P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿所述發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分插入有P型AlGaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型InGaN層。
[0008]可選地，所述摻雜Mg的GaN層包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個所述摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度保持不變，多個所述摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿所述發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。
[0009]可選地，所述P型AlGaN層包括多個P型AlGaN子層，所述P型AlGaN子層中A1的摩爾質量沿所述發光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。
[0010]可選地，所述P型AlGaN層中A1的摩爾質量保持不變。
[0011]可選地，所述P 型 AlGaN 層為 AlxGai—XN層，0<x<0.2。
[0012]可選地，所述P型InGaN層包括多個P型InGaN子層，每個所述P型InGaN子層中In的摩爾含量沿所述發光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。
[0013]可選地，所述P型InGaN層中In的摩爾含量保持不變。
[0014]可選地，所述P 型 InGaN 層為InyGai—yN層，0<y<0.35。[0〇15] 可選地，所述P型AlGaN層的厚度為10nm?50nm，所述P型InGaN層的厚度為10nm? 50nm〇
[0016]另一方面，本發明實施例提供了一種發光二極管外延片的制備方法，所述制備方法包括:
[0017]在藍寶石襯底上生長GaN緩沖層；[〇〇18] 在所述GaN緩沖層上生長未摻雜GaN層；[〇〇19] 在所述未摻雜GaN層上生長N型GaN層；
[0020]在所述N型GaN層上生長有源層；
[0021]在所述有源層上生長P型層，所述P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿所述發光二極管外延片的層疊方向逐漸減少，所述摻雜Mg的GaN層中插入有P型InGaN層。
[0022]本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:[〇〇23]通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，利用摻雜不同濃度的Mg形成不同晶體質量的GaN，有利于空穴的有效擴展，同時利用Mg摻雜濃度的差異驅動空穴的縱向傳輸，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，P型AlGaN層和P型InGaN層通過能帶的變化調節空穴的注入，P型AlGaN層可以緩解電子的溢流，改變勢皇對空穴的阻隔，P型InGaN層可以提供空穴的低勢位置，方便后端空穴的驅動，進而提高空穴的有效注入，提高發光二極管的發光效率。另外，A1原子的半徑較小，A1N的晶格常數減小，AlGaN層可以減少和緩解GaN層生長引入的缺陷和應力釋放。【附圖說明】
[0024]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。
[0025]圖1是本發明實施例一提供的一種發光二極管外延片的結構示意圖；
[0026]圖2是本發明實施例二提供的一種發光二極管外延片的制備方法的流程圖。【具體實施方式】
[0027]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。[〇〇28] 實施例一
[0029]本發明實施例提供了一種發光二極管外延片，參見圖1，該發光二極管外延片包括藍寶石襯底1、以及依次層疊在藍寶石襯底1上的GaN緩沖層2、未摻雜GaN層3、N型GaN層4、有源層5、P型層6。
[0030]在本實施例中，藍寶石襯底1采用(0001)晶向藍寶石。有源層5包括交替層疊的 InGaN層和GaN層。P型層6包括摻雜Mg的GaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，摻雜Mg的GaN層中插入有Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分插入有P型AlGaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型 InGaN層。
[0031]在實際應用中，可以通過生長氣氛和生長速率的控制實現Mg摻雜濃度的和逐漸變化。[〇〇32]可選地，摻雜Mg的GaN層可以包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度保持不變，多個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。
[0033]可選地，P型AlGaN層可以包括多個P型AlGaN子層，每個P型AlGaN子層中In的摩爾含量沿發光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少，改變整個P型層6的能帶位置， 提高空穴的有效注入。[〇〇34]可選地，P型AlGaN層中A1的摩爾含量可以保持不變。
[0035]可選地，P型AlGaN層可以為AlxGai—XN層，0<x<0.2。實驗證明，0<x<0.2的P型 AlGaN層可以提尚空穴的有效注入。
[0036]可選地，P型InGaN層可以包括多個P型InGaN子層，每個P型InGaN子層中In的摩爾含量沿發光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少，改變整個P型層6的能帶位置， 提高空穴的有效注入。[〇〇37]可選地，P型InGaN層中In的摩爾含量可以保持不變。
[0038]可選地，P型InGaN層可以為InxGai—XN層，0<x<0.35。實驗證明，0<x<0.35的P型 InGaN層可以提尚空穴的有效注入。
[0039]可選地，P型AlGaN層的厚度可以為10nm?50nm。當P型AlGaN層的厚度小于10nm時， 無法提高空穴的有效注入;當P型AlGaN層的厚度大于50nm時，會造成材料的浪費。[〇〇4〇]可選地，P型InGaN層的厚度可以為10nm?50nm。當P型InGaN層的厚度小于10nm時，無法提高空穴的有效注入;當P型InGaN層的厚度大于50nm時，會造成材料的浪費。[〇〇41 ]可選地，P型層6的厚度可以為lOOnm?200nm。當P型層6的厚度小于lOOnm時，無法提供足夠的空穴；當P型層6的厚度大于200nm時，會造成材料的浪費。[〇〇42]可選地，GaN緩沖層2的厚度可以為15?35nm。
[0043]可選地，未摻雜GaN層3的厚度可以為1?5ym。
[0044]可選地，N型GaN層4的厚度可以為1?5ym。
[0045]可選地，N型GaN層4的摻雜濃度可以為1018?1019cm—3。
[0046]可選地，有源層5中的InGaN層的厚度可以為1?5nm，有源層5中的GaN層的厚度可以為9?20nm。
[0047]可選地，有源層5中的InGaN層和GaN層的層數之和可以為10?22。[〇〇48]通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，利用摻雜不同濃度的Mg形成不同晶體質量的GaN，有利于空穴的有效擴展，同時利用Mg摻雜濃度的差異驅動空穴的縱向傳輸，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，P型AlGaN層和P型InGaN層通過能帶的變化調節空穴的注入，P型AlGaN層可以緩解電子的溢流，改變勢皇對空穴的阻隔，P型InGaN層可以提供空穴的低勢位置，方便后端空穴的驅動，進而提高空穴的有效注入，提高發光二極管的發光效率。另外，A1原子的半徑較小，A1N的晶格常數減小，AlGaN層可以減少和緩解GaN層生長引入的缺陷和應力釋放。
[0049] 實施例二
[0050]本發明實施例提供了一種發光二極管外延片的制備方法，適用于制備實施例一提供的發光二極管外延片，參見圖2,該制備方法包括:[0051 ]步驟200:控制溫度為1000?1200°C，將藍寶石襯底在氫氣氣氛中退火8分鐘，并進行氮化處理。[〇〇52] 可以理解地，步驟200可以清潔藍寶石襯底表面。
[0053]在本實施例中，藍寶石襯底1采用(0001)晶向藍寶石。[〇〇54] 步驟201:控制溫度為400?600°C，壓力為400?600Torr，在藍寶石襯底上生長GaN緩沖層。[〇〇55] 可選地，GaN緩沖層的厚度可以為15?35nm。
[0056]可選地，在步驟201之后，該制備方法還可以包括:
[0057]控制溫度為1000?1200°C，壓力為400?600Torr，時間為5?10分鐘，對緩沖層進行原位退火處理。[〇〇58] 步驟202:控制溫度為1000?1100°C，壓力為100?500Torr，在GaN緩沖層上生長未慘雜GaN層。[0〇59 ] 可選地，未摻雜GaN層的厚度可以為1?5ym。
[0060] 步驟203:控制溫度為1000?1200°C，壓力為100?500Torr，在未摻雜GaN層上生長N型GaN層。[〇〇61 ] 可選地，N型GaN層的厚度可以為1?5ym。[〇〇62] 可選地，N型GaN層的摻雜濃度可以為1018?1019cnf3。[〇〇63] 步驟204:在N型GaN層上生長有源層。
[0064]在本實施例中，有源層包括交替層疊的InGaN層和GaN層。[〇〇65] 具體地，當生長InGaN層時，溫度為720?829°C，壓力為100?500Torr;當生長GaN 層時，溫度為850?959°C，壓力為100?500Torr。
[0066]可選地，有源層中的InGaN層的厚度可以為3nm，有源層中的GaN層的厚度可以為9 ?20nm〇[〇〇67] 可選地，有源層中的InGaN層和GaN層的層數之和可以為10?22。[〇〇68] 步驟205:控制溫度為750?1080°C，壓力為200?500Torr，在有源層上生長P型層。 [〇〇69] 在本實施例中，P型層包括摻雜Mg的GaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，摻雜Mg的GaN層中插入有Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分插入有P型AlGaN層，摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型InGaN層。
[0070] 可選地，摻雜Mg的GaN層可以包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個摻雜Mg的GaN子層中 Mg的摻雜濃度保持不變，多個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向逐漸減少。[〇〇71] 可選地，摻雜Mg的GaN層可以包括多個摻雜Mg的GaN子層，每個摻雜Mg的GaN子層中 Mg的摻雜濃度保持不變，多個摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。
[0072] 可選地，P型AlGaN層可以包括多個P型AlGaN子層，每個P型AlGaN子層中In的摩爾含量沿發光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。
[0073] 可選地，P型AlGaN層中A1的摩爾含量可以保持不變。
[0074]可選地，P型 AlGaN 層可以為AlxGai—XN層，0 < x < 0 ? 2。
[0075] 可選地，P型InGaN層可以包括多個P型I nGaN子層，每個P型I nGaN子層中I n的摩爾含量沿發光二極管外延片的層疊方向逐漸增加或逐漸減少。[〇〇76] 可選地，P型InGaN層中In的摩爾含量可以保持不變。
[0077]可選地，P型 InGaN 層可以為 InxGai—XN層，0 < x < 0 ? 35。
[0078] 可選地，P型AlGaN層的厚度可以為10nm?50nm。
[0079] 可選地，P型InGaN層的厚度可以為10nm?50nm。[〇〇8〇] 可選地，P型層的厚度可以為lOOnm?200nm。[〇〇81 ]步驟206:控制溫度為850?1050°C，壓力為100?300Torr，在P型GaN層上生長P型接觸層。[〇〇82] 可選地，P型接觸層的厚度可以為5?300nm。[〇〇83]步驟207:控制溫度為650?850°C，時間為5?15分鐘，在氮氣氣氛中進行退火處理。[0〇84]外延片經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導體工藝制作成單顆尺寸大小為9*7mil 的LED芯片。經過LED芯片測試后發現，工作電流為20mA時，光效有明顯提高。[〇〇85]通過摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少后逐漸增多，利用摻雜不同濃度的Mg形成不同晶體質量的GaN，有利于空穴的有效擴展，同時利用Mg摻雜濃度的差異驅動空穴的縱向傳輸，方便空穴注入有源層。而且摻雜Mg的GaN層中插入有P型AlGaN層和P型InGaN層，P型AlGaN層和P型InGaN層通過能帶的變化調節空穴的注入，P型AlGaN層可以緩解電子的溢流，改變勢皇對空穴的阻隔，P型InGaN層可以提供空穴的低勢位置，方便后端空穴的驅動，進而提高空穴的有效注入，提高發光二極管的發光效率。另外，A1原子的半徑較小，A1N的晶格常數減小，AlGaN層可以減少和緩解GaN層生長引入的缺陷和應力釋放。
[0086]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。
【主權項】
1.一種發光二極管外延片，所述發光二極管外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在 所述藍寶石襯底上的GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、有源層、P型層，其特征在于，所述 P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度沿所述發光二極管外延片 的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸減少的部分 插入有P型AlGaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg的摻雜濃度逐漸增多的部分插入有P型InGaN 層。2.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述摻雜Mg的GaN層包括多 個摻雜Mg的GaN子層，每個所述摻雜Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度保持不變，多個所述摻雜 Mg的GaN子層中Mg的摻雜濃度沿所述發光二極管外延片的層疊方向先逐漸減少再逐漸增多。3.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層包括多個P 型AlGaN子層，所述P型AlGaN子層中A1的摩爾質量沿所述發光二極管外延片的層疊方向逐 漸增加或逐漸減少。4.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層中A1的摩爾 質量保持不變。5.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層為AlxGa^N 層，0<x<0.2〇6.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型InGaN層包括多個P 型InGaN子層，每個所述P型InGaN子層中In的摩爾含量沿所述發光二極管外延片的層疊方 向逐漸增加或逐漸減少。7.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型InGaN層中In的摩爾 含量保持不變。8.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型InGaN層為InyGa1-yN 層，0<y<0.35。9.根據權利要求1所述的發光二極管外延片，其特征在于，所述P型AlGaN層的厚度為 10nm?50nm，所述P型InGaN層的厚度為10nm?50nm。10.—種如權利要求1-9任一項所述的發光二極管外延片的制備方法，其特征在于，所 述制備方法包括:在藍寶石襯底上生長GaN緩沖層；在所述GaN緩沖層上生長未慘雜GaN層；在所述未摻雜GaN層上生長N型GaN層；在所述N型GaN層上生長有源層；在所述有源層上生長P型層，所述P型層包括摻雜Mg的GaN層，所述摻雜Mg的GaN層中Mg 的摻雜濃度沿所述發光二極管外延片的層疊方向逐漸減少，所述摻雜Mg的GaN層中插入有P 型InGaN層。
【文檔編號】H01L33/12GK106025016SQ201610325623
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】王群, 郭炳磊, 董彬忠, 李鵬, 王江波
【申請人】華燦光電(蘇州）有限公司