一種發光二極管的外延片及其生長方法
【專利摘要】本發明公開了一種發光二極管的外延片及其生長方法，屬于半導體技術領域。所述外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在藍寶石襯底上的緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、電流擴展層、淺阱層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，電流擴展層包括AlN層、InGaN層和GaN層。本發明通過AlN作為寬禁帶半導體能夠提高勢壘，使電子減速，增加電子的橫向擴展能力，并且InGaN層降低了勢壘高度，起到蓄水池的作用，同時GaN層可以防止InGaN層中的In擴散而造成電子溢流，最終提高電流的擴展能力，改善局部電流過大的問題，有效減少電子溢流，提高LED的抗靜電能力。
【專利說明】
一種發光二極管的外延片及其生長方法
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的外延片及其生長方法。
【背景技術】
[0002]發光二極管(Light Emitting D1de，簡稱LED)的核心部分是由p型半導體和η型半導體組成的晶片，在P型半導體和η型半導體之間有一個過渡層，稱為ρη結。在ρη結中，卩型半導體注入的空穴與η型半導體注入的電子復合，多余的能量以光的形式釋放出來，把電能直接轉換為光能。
[0003]目前LED生產80%使用藍寶石(Al2O3)襯底。Al2O3與GaN之間晶格失配并且存在較大的熱膨脹系數差異，在外延生長過程中會引入大量的晶格缺陷，晶格缺陷形成的位錯沿著晶格通過多量子阱區域延伸到外延片的表面，形成穿透位錯，使得器件的晶體質量變差，局部電流過大，進而造成器件的失效。
【發明內容】
[0004]為了解決現有技術局部電流過大進而造成器件的失效的問題，本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片及其生長方法。所述技術方案如下:
[0005]—方面，本發明實例提供了一種發光二極管的外延片，所述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緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、淺阱層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，所述外延片還包括層疊在所述N型GaN層和所述淺阱層之間的電流擴展層，所述電流擴展層包括依次層疊在所述N型GaN層上的AlN層、InGaN層和GaN層。
[0006]可選地，所述AlN層的厚度為I?5nm。
[0007 ] 可選地，所述電流擴展層中的InGaN層為In0.0sGa0.95N層。
[0008]可選地，所述電流擴展層中的InGaN層的厚度為20?50nm。
[0009 ] 可選地，所述電流擴展層中的GaN層的厚度為8?20nm。
[0010]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生長方法，所述生長方法包括:
[0011]在所述藍寶石襯底上生長緩沖層；
[0012]在所述緩沖層上生長未慘雜GaN層；
[0013]在所述未摻雜GaN層上生長N型GaN層；
[0014]在所述N型GaN層上生長電流擴展層，所述電流擴展層包括依次層疊在所述N型GaN層上的AlN層、InGaN層和GaN層；
[0015]在所述電流擴展層上生長淺阱層；
[0016]在所述淺阱層上生長多量子阱層；
[0017]在所述多量子阱層上生長低溫P型GaN層；
[0018]在所述低溫P型GaN層上生長P型電子阻擋層；
[0019]在所述P型電子阻擋層上生長高溫P型GaN層；
[0020]在所述高溫P型GaN層上生長P型接觸層。
[0021 ] 可選地，所述AlN層的厚度為I?5nm。
[0022] 可選地，所述電流擴展層中的InGaN層為In0.0sGa0.95N層。
[0023 ] 可選地，所述電流擴展層中的InGaN層的厚度為20?50nm。
[OO24 ] 可選地，所述電流擴展層中的GaN層的厚度為8?20nm。
[0025]本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0026]通過在N型GaN層上依次層疊AlN層、InGaN層和GaN層，AlN作為寬禁帶半導體能夠提高勢皇，使電子減速，增加電子的橫向擴展能力，并且InGaN層降低了勢皇高度，起到蓄水池的作用，同時GaN層可以防止InGaN層中的In擴散而造成電子溢流。綜上所述，AlN層、InGaN層和GaN層組成的電流擴展層可以提高電流的擴展能力，改善局部電流過大的問題，有效減少電子溢流，提高LED的抗靜電能力。
【附圖說明】
[0027]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。
[0028]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；
[0029]圖2是本發明實施例二提供的一種發光二極管的外延片的生長方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0030]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。
[0031 ] 實施例一
[0032]本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片，參見圖1，該外延片包括藍寶石襯底1、以及依次層疊在藍寶石襯底I上的緩沖層2、未摻雜GaN層3、N型GaN層4、電流擴展層5，淺阱層6、多量子阱層7、低溫P型GaN層8、P型電子阻擋層9、高溫P型GaN層10、P型接觸層11。
[0033]在本實施例中，電流擴展層5包括依次層疊在N型GaN層4上的AlN層51、InGaN層52和GaN層53。緩沖層2為GaN層。淺阱層6包括交替層疊的InxGapxN層和GaN層，0<x<0.1。多量子阱層7包括交替層疊的InyGa1-yN層和GaN層，0.2 <y <0.5 J型電子阻擋層9為AlGaN層。
[0034]可選地，AlN層51的厚度可以為I?5nm。
[0035]可選地，電流擴展層5中的InGaN層52可以為In0.0sGa0.gsN層。可以理解地，In0.Q5Ga0.9δΝ層中的In組分保持不變。
[0036]可選地，電流擴展層5中的InGaN層52的厚度可以為20?50nm。
[0037]可選地，電流擴展層5中的GaN層53的厚度可以為8?20nm。
[0038]可選地，緩沖層2的厚度可以為10?30nm。
[0039]可選地，未摻雜GaN層3的厚度可以為I?2μηι。
[0040 ] 可選地，N型GaN層4的厚度可以為1.5?3.5μπι。[0041 ] 可選地，淺講層6中的InxGa1-XN層和GaN層的層數之和可以為10?40。
[0042]可選地，淺講層6中的InxGa1-xN層的厚度可以為I?4nm。
[0043]可選地，淺講層6中的GaN層的厚度可以為10?30nm。
[0044]可選地，多量子阱層7中的InyGa1-yN層和GaN層的層數之和可以為12?30。
[0045 ] 可選地，多量子阱層7中的I nyGa1-yN層的厚度可以為2?5nm。
[0046]可選地，多量子阱層7中的GaN層的厚度可以為5?15nm。
[0047]可選地，低溫P型GaN層8的厚度可以為30?120nm。
[0048]可選地，P型電子阻擋層9的厚度可以為50?150nm。
[0049]可選地，高溫P型GaN層10的厚度可以為50?150nm。
[0050]可選地，P型接觸層11的厚度可以為3?10nm。
[0051]本發明實施例通過在N型GaN層上依次層疊AlN層、InGaN層和GaN層，AlN作為寬禁帶半導體能夠提高勢皇，使電子減速，增加電子的橫向擴展能力，并且InGaN層降低了勢皇高度，起到蓄水池的作用，同時GaN層可以防止InGaN層中的In擴散而造成電子溢流。綜上所述，AlN層、InGaN層和GaN層組成的電流擴展層可以提高電流的擴展能力，改善局部電流過大的問題，有效減少電子溢流，提高LED的抗靜電能力。
[0052]實施例二
[0053]本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片的生長方法，適用于生長實施例一提供的發光二極管的外延片，參見圖2，該生長方法包括:
[0054]步驟200:將藍寶石襯底在溫度為1000?1200°C的氫氣氣氛里進行高溫清潔處理5?20min，并進行氮化處理。
[0055]在本實施例中，以氮氣(N2)作為載氣，以三甲基稼(TMGa)、三乙基稼(TEGa)、三甲基鋁(TMA1)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為6&^1、111和咐原，用硅烷(3丨!14)、二茂鎂(CP2Mg)分別作為N、P型摻雜劑。
[0056]步驟201:控制生長溫度為450?600°C，生長壓力為75?200Torr，V/III比為100?400，轉速為800?1200r/min，在藍寶石襯底上生長厚度為10?30nm的緩沖層。
[0057]在本實施例中，緩沖層為GaN層。V/III比為V價原子與ΙΠ價原子的摩爾比。
[0058]步驟202:控制生長溫度為1000?1200°C，生長壓力為200?500Torr，V/III比為200?3000，轉速為900?1200r/min，在緩沖層上生長厚度為I?2μπι的未摻雜GaN層。
[0059]步驟203:控制生長溫度為950?1150°C，生長壓力為300?500Torr，V/III比為400?3000，在未摻雜GaN層上生長厚度為1.5?3.5μπι的N型GaN層。
[0060]在本實施例中，N型GaN層采用Si摻雜且摻雜濃度保持不變。
[0061 ] 步驟204:控制生長溫度為900?1100°C，生長壓力為100?400Torr，V/III比為500?3000，在N型GaN層上生長電流擴展層。
[0062]在本實施例中，電流擴展層包括依次層疊在N型GaN層上的AlN層、InGaN層和GaN層。AlN層的厚度為I?2nm，電流擴展層中的InGaN層的厚度為20?30nm，電流擴展層中的GaN層的厚度為8?12nm。電流擴展層中的InGaN層可以為In0.0sGa0.95N層。可以理解地，In0.Q5Ga0.9δΝ層中的In組分保持不變。
[0063]步驟205:控制生長壓力為100?500Torr，V/III比為500?10000，在電流擴展層上生長淺阱層。
[0064]在本實施例中，淺阱層包括交替層疊的InxGa1-XN層和GaN層，0<x<0.1。
[0065]可選地，淺講層中的InxGa1-XN層和GaN層的層數之和可以為10?40。
[0066]可選地，淺講層中的InxGa1-xN層的厚度可以為I?4nm。
[0067]可選地，淺阱層中的InxGa1-xN層的生長溫度可以為750?850 V。
[0068]可選地，淺講層中的GaN層的厚度可以為10?30nm。
[0069]可選地，淺阱層中的GaN層的生長溫度可以為850?950°C。
[0070]步驟206:控制生長壓力為100?500Torr，V/III比為2000?20000，在淺阱層上生長多量子阱層。
[0071]在本實施例中，多量子阱層包括交替層疊的InyGa1-yN層和GaN層，0.2<y<0.5。
[0072]可選地，多量子阱層中的111而1^層和63~層的層數之和可以為12?30。
[0073]可選地，多量子講層中的InyGa1-yN層的厚度可以為2?5nm。
[0074]可選地，多量子阱層中的InyGa1-yN層的生長溫度可以為700?850°C。
[0075]可選地，多量子講層中的GaN層的厚度可以為5?15nm。
[0076]可選地，多量子阱層中的GaN層的生長溫度可以為850?950 °C。
[0077]步驟207:控制生長溫度為700?800°C，生長壓力為100?600Torr，V/III比為1000?4000，生長時間為3?15min，在多量子阱層上生長厚度為30?120nm的低溫P型GaN層。
[0078]步驟208:控制生長溫度為900?1000°C，生長壓力為50?300Torr，V/III比為1000?10000，生長時間為4?15min，在低溫P型GaN層上生長厚度為50?150nm的P型電子阻擋層。
[0079]在本實施例中，P型電子阻擋層為P型AlGaN層。
[0080]步驟209:控制生長溫度為900?1050°C，生長壓力為100?500Torr，V/III比為500?4000，生長時間為10?20min，在P型電子阻擋層上生長50?150nm的高溫P型GaN層。
[0081 ] 步驟210:控制生長溫度為700?850°C，生長壓力為100?500Torr，V/III比為10000?20000，生長時間為0.5?5min，在高溫P型GaN層上生長厚度為3?1nm的P型接觸層。
[0082]需要說明的是，在外延生長工藝結束后，將反應腔的溫度降至600?900°C，在PN2氣氛下進行退火處理10?30min，然后降至室溫，結束外延生長。經過清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導體加工工藝制程后，將LED外延片制成17*35mil的LED芯片。
[0083]本發明實施例通過在N型GaN層上依次層疊AlN層、InGaN層和GaN層，AlN作為寬禁帶半導體能夠提高勢皇，使電子減速，增加電子的橫向擴展能力，并且InGaN層降低了勢皇高度，起到蓄水池的作用，同時GaN層可以防止InGaN層中的In擴散而造成電子溢流。綜上所述，AlN層、InGaN層和GaN層組成的電流擴展層可以提高電流的擴展能力，改善局部電流過大的問題，有效減少電子溢流，提高LED的抗靜電能力。
[0084]實施例三
[0085]本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片的生長方法，該生長方法與實施例二提供的生長方法的不同之處在于，電流擴展層中各層的厚度不同。具體地，AlN層的厚度為2?3nm，電流擴展層中的InGaN層的厚度為30?40nm，電流擴展層中的GaN層的厚度為12?16nm0
[0086]實施例四
[0087]本發明實施例提供了一種發光二極管的外延片的生長方法，該生長方法與實施例二、實施例三提供的生長方法的不同之處在于，電流擴展層中各層的厚度不同。具體地，AlN層的厚度為3?5nm，電流擴展層中的InGaN層的厚度為40?50nm，電流擴展層中的GaN層的厚度為16?20nmo
[0088]經過LED芯片測試后發現，靜電釋放(Electro-Static discharge，簡稱ESD)測試電壓為4000V時，實施例二的樣品的EDS良率升高0.3?0.8%，其它光電參數無明顯異常;實施例三的樣品的ESD良率升高2?3%，電壓升高0.08V左右;實施例四的樣品的ESD良率升高1.5?2.5%，其它光電參數無明顯變化。
[0089]上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0090]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】
1.一種發光二極管的外延片，所述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緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、淺阱層、多量子阱層、低溫P型GaN層、P型電子阻擋層、高溫P型GaN層、P型接觸層，其特征在于，所述外延片還包括層疊在所述N型GaN層和所述淺阱層之間的電流擴展層，所述電流擴展層包括依次層疊在所述N型GaN層上的AlN層、InGaN層和GaN層。2.根據權利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlN層的厚度為I?5nm。3.根據權利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述電流擴展層中的InGaN層為In0.05Ga0.95N 層。4.根據權利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述電流擴展層中的InGaN層的厚度為20?50nm。5.根據權利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述電流擴展層中的GaN層的厚度為8?20nm。6.—種發光二極管的外延片的生長方法，其特征在于，所述生長方法包括: 在所述藍寶石襯底上生長緩沖層； 在所述緩沖層上生長未摻雜GaN層； 在所述未摻雜GaN層上生長N型GaN層； 在所述N型GaN層上生長電流擴展層，所述電流擴展層包括依次層疊在所述N型GaN層上的AlN層、InGaN層和GaN層； 在所述電流擴展層上生長淺阱層； 在所述淺阱層上生長多量子阱層； 在所述多量子阱層上生長低溫P型GaN層； 在所述低溫P型GaN層上生長P型電子阻擋層； 在所述P型電子阻擋層上生長高溫P型GaN層； 在所述高溫P型GaN層上生長P型接觸層。7.根據權利要求6所述的生長方法，其特征在于，所述AlN層的厚度為I?5nm。8.根據權利要求6或7所述的生長方法，其特征在于，所述電流擴展層中的InGaN層為In0.05Ga0.95N 層。9.根據權利要求6或7所述的生長方法，其特征在于，所述電流擴展層中的InGaN層的厚度為20?50nm。10.根據權利要求6或7所述的生長方法，其特征在于，所述電流擴展層中的GaN層的厚度為8?20nm。
【文檔編號】H01L33/00GK106025032SQ201610452745
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月21日
【發明人】肖云飛, 張華
【申請人】華燦光電(蘇州）有限公司