发光二极管外延片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。


背景技术：

2.目前，gan基发光二极管已经大量应用于固态照明领域以及显示领域，吸引着越来越多的人关注。gan基发光二极管已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用。
3.在发光二极管中，p型层提供空穴，n型层提供电子，由于空穴的质量比电子大，所以p型层的空穴移动速度慢，n型层电子移动速度快，再加上p型掺杂mg的活化困难，导致注入多量子阱层中的空穴较少，所以多量子阱层中主要发光区集中在后面几个阱中，而前面几个阱发光效率较低，从而影响发光二极管的发光效率。最后一个量子垒层作为提供空穴的p型层和多量子阱层衔接结构，其对空穴的迁移能力和扩展能力，对多量子阱的电子空穴复合效率有很大影响。
4.现如今，多量子阱层包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层，量子垒层使用纯gan或者algan做最后量子垒层材料。这样的结构对增加空穴的迁移率和空穴的扩展能力无正向作用，量子阱中空穴仍然不足，影响发光二极管的发光效率。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种发光二极管外延片及其制备方法，以增加空穴的扩展和空穴迁移率，增加进入量子阱中的空穴浓度和扩展能力，并起到了部分电子阻挡的作用，增加了多量子阱中电子空穴对的复合几率。
6.本发明提供了一种发光二极管外延片，包括依次层叠的衬底、第一半导体层、多量子阱层以及第二半导体层，所述多量子阱层包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层，所述多量子阱层中邻近所述第二半导体层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为gan层，所述第二子层为石墨烯薄膜层，所述第三子层为掺杂mg的algan层。
7.进一步的，上述发光二极管外延片，其中，所述第一子层的生长温度为800-900℃，所述第三子层的生长温度为900-1000℃。
8.进一步的，上述发光二极管外延片，其中，所述第三子层中mg的掺杂浓度为1
×
10
17-1
×
10
18
cm-3
。
9.进一步的，上述发光二极管外延片，其中，所述第三子层为alaga
1-a
n层，a的取值范围为0.1-0.2。
10.进一步的，上述发光二极管外延片，其中，所述第一子层的厚度为3-10nm，所述第二子层的厚度为3-10nm，所述第三子的厚度为3-10nm。
11.进一步的，上述发光二极管外延片，其中，所述第一半导体层包括依次沉积于所述衬底上的缓冲层、不掺杂的u-gan层及n型gan层。
12.进一步的，上述发光二极管外延片，其中，所述第二半导体层包括依次沉积于所述多量子阱层上的电子阻挡层和p型gan层，所述电子阻挡层为alcga
1-c
n和inbga
1-b
n交替生长的周期性结构，其中c的取值范围为0.05-0.2，b的取值范围为0.1-0.5。
13.本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，包括：
14.提供一衬底；
15.在所述衬底上沉积缓冲层；
16.在所述缓冲层上沉积不掺杂的u-gan层；
17.在所述u-gan层上沉积n型gan层；
18.在所述n型gan层上沉积多量子阱层；
19.在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层；
20.在所述电子阻挡层上沉积p型gan层；
21.其中，所述多量子阱层中邻近所述电子阻挡层的量子垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为gan层，所述第二子层为石墨烯薄膜层，所述第三子层为掺杂mg的algan层。
22.进一步的，上述发光二极管外延片的制备方法，其中，所述第一子层的生长温度为800-900℃，所述第三子层的生长温度为900-1000℃。
23.进一步的，上述发光二极管外延片的制备方法，其中，所述第三子层中mg的掺杂浓度为1
×
10
17-1
×
10
18
cm-3
。
24.本发明对最后一个量子垒层进行了特殊设计，增加空穴的扩展和空穴迁移率，增加进入量子阱中的空穴浓度和扩展能力，并起到了部分电子阻挡的作用，增加了多量子阱中电子空穴对的复合几率。
附图说明
25.图1为本发明实施例1中发光二极管外延片的结构示意图；
26.图2为本发明实施例1中多量子阱层最后一个生长周期中的量子垒层的结构示意图；
27.图3为本发明实施例中发光二极管外延片的制备方法的流程图。
28.主要元件符号说明：
29.10：衬底、20：缓冲层、30：不掺杂的u-gan层、40：n型gan层、50：多量子阱层、60：电子阻挡层、70：p型gan层，501：第一子层、502：第二子层、503：第三子层。
30.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明发明。
具体实施方式
31.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
32.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
33.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
34.实施例1
35.请参阅图1，所示为本发明实施例一中的发光二极管外延片，包括衬底10，在衬底10上依次沉积的第一半导体层、多量子阱层50以及第二半导体层。该第一半导体层包括依次沉积于该衬底10上的缓冲层20、不掺杂的u-gan层30及n型gan层40，该第二半导体层包括依次沉积于多量子阱层50上的电子阻挡层60和p型gan层70。
36.该衬底10可选用蓝宝石衬底、sio2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。优选的，本实施例中衬底10选用蓝宝石衬底，因为蓝宝石具有和gan相同的六方对称的纤锌矿结构，同时还具有热稳定和化学稳定性好、机械强度高、技术成熟和价格相对便宜等优势。
37.该缓冲层20沉积在该衬底10上，其厚度可以为20-80nm。具体的，本实施例中可以选用在应用材料pvd中沉积缓冲层，其厚度为30nm，采用缓冲层控制晶体缺陷，改善后续生长晶体的质量，缓解衬底与外延层之间由于晶格失配和热失配引起的应力。
38.该不掺杂的u-gan层30的厚度可以为300-800nm范围内，具体的本实施例中，该u-gan层的厚度为400nm。
39.该n型gan层40的厚度为1-3μm，si掺杂浓度为5
×
10
18-1
×
10
19
cm-3
，具体的本实施例中n型gan层的厚度为2μm，si掺杂浓度为8
×
10
18
cm-3
。
40.该多量子阱层50包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层，该多量子阱层中邻近该第二半导体层的量子垒层包括依次层叠的第一子层501、第二子层502和第三子层503，即该多量子阱层中，最后一个生长周期的量子垒层包括依次生长的三个子层，该第一子层501为gan层，第二子层502为石墨烯薄膜层，第三子层503为掺杂mg的algan层。
41.该第一子层501的生长温度为800-900℃，生长温度太高容易对多量子阱层in组分产生破坏，生长温度太低则严重影响晶格质量。该第三子层503的生长温度为900-1000℃，第三子层503生长温度较高有利于获得更好的晶格质量。具体的，本实施例中，第一子层501的生长温度为850℃，第三子层503的生长温度为950℃。
42.该第三子层503掺杂mg的alaga
1-a
n层，a的取值范围为0.1-0.2，mg的掺杂浓度很低，只有1
×
10
17-1
×
10
18
cm-3
。具体的，本实施例中，第三子层503中mg的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
，a的取值范围为0.5。
43.该第一子层501、第二子层502和第三子层503的厚度均为3-10nm。具体的，本实施例中，第一子层501、第二子层502和第三子层503的厚度分别为4nm，4nm和5nm。
44.电子阻挡层60主要用来阻挡电子，防止电子溢流。该电子阻挡层60为algan和ingan材料交替层叠生长的周期性结构，周期数可以为3-15，本实施例选为8。
45.本实施例中，该p型gan层70厚度为4nm。该p型gan层70掺杂mg，其中mg的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3-1
×
10
19
cm-3
。
46.请参阅图2，为本发明实施例中的发光二极管外延片的制备方法，包括步骤s01～
s07。
47.步骤s01，供一衬底。
48.本实施例使用蓝宝石衬底。首先控制反应室温度为1000℃～1200℃，控制反应室压力为200-600torr，石墨基座转速设置为500-1200r/min，在h2气氛下对衬底进行5-8min的高温退火，清洁衬底表面的颗粒和氧化物。
49.步骤s02，所述衬底上沉积缓冲层。
50.本实施例中，选择缓冲层材料为algan。本层主要用于提供晶种，缓解衬底和外延层的晶格失配，提升外延片晶格质量。
51.具体地，首先控制反应室温度为500℃～700℃，反应室压力为200～400torr，石墨基座转速设置为500-1200r/min，通入nh3提供n源，n2和h2做载气，通入tmga作为ga源，通入tmal作为al源，本实施例中生长厚度为30nm的algan作为缓冲层。
52.步骤s03，在所述缓冲层上沉积u-gan层。
53.具体地，将反应室的温度控制在1100℃～1150℃，压力为100～500torr；石墨基座转速控制在500-1200转/min，通入nh3作为n源，n2和h2做载气，通入tmga作为ga源，本实施例中，生长厚度为400nm的u-gan层。
54.步骤s04，在所述u-gan层上沉积n型gan层。
55.本层主要提供电子，具体生长过程为：
56.将反应室的温度控制在1100℃～1150℃，压力为100～500torr；石墨基座转速控制在500-1200r/min，通入nh3作为n源，n2和h2做载气，本实施例中使用tmga作为ga源，生长厚度可以为2μm的gan层，通入sih4作为n型掺杂。
57.步骤s05，在所述n型gan层上沉积多量子阱层。
58.该多量子阱层是由ingan量子阱层和gan量子垒层交替层叠的周期性结构，该多量子阱层的周期数可以为3-15，具体的，本实施例中周期数选为10。多量子阱层生长过程中，控制反应室压力为100～500torr，承载衬底的石墨基座转速设置为600-1000转/min。
59.先生长量子阱层，控制反应室温度为700-800℃，载气为n2，h2关闭，nh3提供n源，通入tega作为ga源，通入tmin作为in源，本实施例中ingan量子阱层厚度为3nm。
60.然后生长量子垒层，控制反应室温度为800～900℃，关闭in源，用h2和n2做载气，通入tega作为ga源，本实施例中控制gan量子垒层厚度可以为10nm。
61.如此，量子阱层和量子垒层重复层叠周期性生长，直至最后一个周期的量子垒层时，其生长过程为：
62.控制反应室温度为800-900℃，生长压力为100-500torr，承载衬底的石墨基座转速设置为600-1200r/min，载气为n2/h2混合气，nh3提供n源，通入ga源，ga源可为tega，生长第一子层；
63.然后，将外延片模板转移至化学气相沉积(cvd)设备中进行生长。控制cvd反应腔温度800～1000℃，控制反应腔压力为10～500mbar，通入200～1000sccm的ch4，采用h2与ar作载气，能够得到质量较好的石墨烯薄膜层；
64.然后将外延片转移回mocvd设备中，生长掺杂mg的algan层；控制反应室温度为900～1000℃，生长压力为100-500torr，承载衬底的石墨基座转速设置为600-1200r/min；使用n2和h2做载气，通入nh3作为n源，通入ga源，本实施例选择tega作为ga源，通入tmal作为al
源，通入cp2mg作为mg源。
65.步骤s06，在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层。
66.该电子阻挡层为algan和ingan材料交替层叠生长的周期性结构，周期数可以为3-15，本实施例选为8。
67.生长电子阻挡层时，首先控制反应室的温度为900～1000℃，压力为100～500torr，承载衬底的石墨基座转速设置为600-1200r/min，其中，n源可为nh3，ga源可为tmga，al源可为tmal。本实施例子，algan层可以为6nm，algan层生长后，关闭al源，继续通入ga源，打开in源生长ingan层，本实施例中，单个ingan层为6nm，如此algan层和ingan层重复层叠生长。
68.步骤s07，在所述电子阻挡层上沉积p型gan层。
69.p型层主要提供空穴。该p型gan层生长温度约为800～1000℃，生长压力为100～300torr，承载衬底的石墨盘转速控制在800-1200r/min，通入nh3做为n源，ga源可以为tmga，通入cp2mg作为p型掺杂剂，其中mg的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3-1
×
10
19
cm-3
，使得生长出掺mg的gan层。
70.在本实施例中，采用veeco c4 mocvd(metal organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的生长方法。采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。
71.本实施例中，在多量子阱层中最后一个生长周期中，在最后一个量子阱层生长结束后，依次先生长第一子层、第二子层和第三子层。第一子层温度较第三子层相对偏低，由于第一子层与量子阱层直接接触，高温会对量子阱中in组分产生破坏，第三子层生长温度较高有利于获得更好的晶格质量。
72.第三子层为掺杂的p型algan层，一方面al的能阶比较高，可以阻挡电子溢流；另一方面p型掺杂可以提供少部分空穴，增加空穴的注入量和增加空穴扩展，同时也对溢流的电子有消耗作用。
73.第二子层石墨烯薄膜层，石墨烯材料本身具有较强的导电性能，所以空穴在石墨烯中具有较高的迁移速率，并且石墨烯可以增加空穴的扩展能力。所以，当p型gan层产生的空穴在第三子层(低掺杂的p型algan层)先进行一部分扩展，然后在石墨烯薄膜层提升迁移能力，并且进一步扩展空穴，还增加进入量子阱层的空穴浓度，增加了多量子阱中电子空穴的复合几率，尤其是增加靠近n型层的前面几个量子阱中的电子空穴复合几率，增加了发光二极管的发光效率。不仅如此，石墨烯材料稳定性强，可以对从量子阱延伸位错起到阻断作用，增加表面平整度。
74.本发明实施例对最后一个量子垒层进行了特殊设计，增加空穴的扩展和空穴迁移率，增加进入量子阱中的空穴浓度和扩展能力，并起到了部分电子阻挡的作用，增加了多量子阱中电子空穴对的复合几率。
75.实施例2
76.本实施例当中的发光二极管外延片与实施例1当中的发光二极管外延片的结构基本相同，不同之处在于：
77.本实施例中，第一子层501、第二子层502和第三子层503的厚度分别为8nm，8nm和10nm。
78.对比例1
79.本实施例当中的发光二极管外延片与实施例1当中的发光二极管外延片的结构基本相同，不同之处在于：
80.该多量子阱层的最后一个生长周期中量子垒层生长采用的材料为纯gan。
81.对比例2
82.本实施例当中的发光二极管外延片与实施例1当中的发光二极管外延片的结构基本相同，不同之处在于：
83.该多量子阱层的最后一个生长周期中量子垒层生长采用的材料为algan。
[0084][0085]
将实施例1和2，以及对比例1至2，使用相同芯片工艺条件制备成10mil*24mil芯片，各实施例所得的芯片分别抽取300颗led芯片，在120ma/60ma电流下测试，测得相对于常规芯片的发光亮度如表1中所示。根据表1的数据可以明显看出，在使用本发明实施例提出的最后一个量子垒层结构，具有更好的发光强度。
[0086]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0087]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。