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CN104821356B - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体光电技术领域。所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、电流扩展层、多量子阱层和P型GaN层，电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，第一子层采用变阻材料形成，第二子层采用N型掺杂的GaN形成，且第二子层的掺杂浓度小于N型GaN层的掺杂浓度。本发明通过电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，第一子层和第二子层间晶格常数的差异产生极化作用，电流扩展层中的电荷分布不均匀，形成了电场，在电场的作用下，电流得以扩展，增加了注入多量子阱层复合发光的电子，提高了复合发光的效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种能发光的半导体电子元件，外延片是制造发光二极管的重要部件。
现有的外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层，发光效率还有待提高。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、电流扩展层、多量子阱层和P型GaN层，所述电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层采用变阻材料形成，所述第二子层采用N型掺杂的GaN形成，且所述第二子层的掺杂浓度小于所述N型GaN层的掺杂浓度。
可选地，所述变阻材料为二氧化钛、氧化锌或者铁酸铋。
可选地，所述电流扩展层的厚度为5-80nm。
可选地，所述第一子层的厚度为1-5nm。
可选地，所述第一子层的层数为5-50。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
依次在蓝宝石衬底上生长缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、电流扩展层、多量子阱层和P型GaN层，
所述电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层采用变阻材料形成，所述第二子层采用N型掺杂的GaN形成，且所述第二子层的掺杂浓度小于所述N型GaN层的掺杂浓度。
可选地，所述变阻材料为二氧化钛、氧化锌或者铁酸铋。
可选地，所述电流扩展层的厚度为5-80nm。
可选地，所述第一子层的厚度为1-5nm。
可选地，所述第一子层的层数为5-50。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将电流扩展层设置为包括交替生长的第一子层和第二子层的结构，且第一子层采用变阻材料形成，第二子层采用N型掺杂的GaN形成，变阻材料和N型掺杂的GaN间晶格常数的差异产生极化作用，正电荷的中心和负电荷的中心不重合，电流扩展层中的电荷分布不均匀，形成了电场，在电场的作用下，电流扩展层中自由运动的电荷增多，扩展了电流，增加了注入多量子阱层复合发光的电子，提高了复合发光的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，参见图1，该发光二极管外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、电流扩展层5、多量子阱层6和P型GaN层7。
在本实施例中，电流扩展层5包括交替生长的第一子层51和第二子层52，第一子层51采用变阻材料形成，第二子层52采用N型掺杂的GaN形成，且第二子层52的掺杂浓度小于N型GaN层的掺杂浓度。可以理解地，若第二子层52的掺杂浓度小于N型GaN层的掺杂浓度，有利于电子从N型GaN层4通过电流扩展层5注入多量子阱层6。
其中，变阻材料为阻值会变化的材料。具体地，阻值随电压变化，当工作电压小于阈值时，变阻材料的阻值保持为一个高阻值；当工作电压大于阈值时，变阻材料的阻值变为一个低阻值。由于LED的阻值与变阻材料同步变化，因此通过控制工作电压，可以控制变阻材料的阻值，进而控制LED的阻值。若分别用高阻值和低阻值表示0和1，则可以实现存储器的功能。
可选地，变阻材料可以为二氧化钛、氧化锌或者铁酸铋。
可选地，电流扩展层5的厚度可以为5-80nm。
可选地，第一子层51的厚度可以为1-5nm。
可选地，第一子层51的层数可以为5-50层。具体地，第二子层52的层数与第一子层51的层数相同，也为5-50层。
可以理解地，若电流扩展层5的厚度大于80nm、第一子层51的厚度大于5nm或者第一子层51的层数大于50层，则会造成电阻较大，进而造成工作电压过高；若电流扩展层5的厚度小于5nm、第一子层51的厚度小于1nm或者第一子层51的层数小于5层，则由于电流扩展层5太薄而无法有效进行电流扩展，电流扩展效果不好。因此，电流扩展层5的厚度为5-80nm、第一子层51的厚度为1-5nm和第一子层51的层数可以为5-50层，可以同时兼顾工作电压和电流扩展效果，在不引起工作电压升高的同时进行电流扩展，提高LED的发光效率和抗静电能力。
具体地，各个第一子层51的掺杂浓度可以相同，也可以不同。当各个第一子层51的掺杂浓度不同时，各个第一子层51的掺杂浓度的变化方式可以沿发光二极管外延片的生长方向逐层渐变，也可以沿发光二极管外延片的生长方向周期变化。
具体地，蓝宝石衬底1可以为(0001)晶向蓝宝石Al2O3。缓冲层2可以为GaN层。多量子阱层6可以包括交替生长的InGaN层和GaN层。P型GaN层7可以包括依次层叠在多量子阱层6上的低温P型GaN层、P型AlyGa1-yN层、高温P型GaN层、P型接触层，0.1＜y＜0.5。
本发明实施例通过将电流扩展层设置为包括交替生长的第一子层和第二子层的结构，且第一子层采用变阻材料形成，第二子层采用N型掺杂的GaN形成，变阻材料和N型掺杂的GaN间晶格常数的差异产生极化作用，正电荷的中心和负电荷的中心不重合，电流扩展层中的电荷分布不均匀，形成了电场，在电场的作用下，电流扩展层中自由运动的电荷增多，扩展了电流，增加了注入多量子阱层复合发光的电子，提高了复合发光的效率。同时，第一子层和第二子层交替生长的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。另外，第一子层采用变阻材料形成，当工作电压小于阈值时，变阻材料的阻值保持为一个高阻值，LED的阻值随之也为高阻值；当工作电压大于阈值时，变阻材料的阻值保持为一个低阻值，LED的阻值随之也为低阻值。分别用高阻值和低阻值表示0和1，并通过改变工作电压可以进行高阻值和低阻值之间的切换，可以实现存储器的功能，扩展了LED的用途。而且第一子层采用变阻材料形成，带隙较大，吸收的波长偏短，可透过的可见光范围较广。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，参见图2，该制造方法包括：
步骤200：将蓝宝石衬底放入金属有机化合物化学气相沉淀(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，简称MOCVD)，进行预处理。
具体地，蓝宝石衬底可以为(0001)晶向蓝宝石Al2O3。
具体地，该步骤200可以包括：
将蓝宝石衬底放置在氢气气氛中进行10-15分钟的高温热处理，温度为1000-1200℃，以清洁衬底表面；
对蓝宝石衬底进行氮化处理。
步骤201：在蓝宝石衬底上生长缓冲层。
具体地，缓冲层可以为GaN层。
具体地，该步骤201可以包括：
将温度下降至400-600℃，生长厚度为15-35nm的GaN层，生长压力为400-600torr；
进行5-10分钟的退火处理，温度为1000-1200℃，生长压力为400-600torr。
步骤202：在缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
具体地，该步骤202可以包括：
将温度调节为1000-1100℃，生长厚度为1.0-5.0μm的未掺杂的GaN层，生长压力为100-500torr。
步骤203：在未掺杂的GaN层上生长N型GaN层。
具体地，该步骤203可以包括：
生长一层Si掺杂的N型GaN层，厚度为1-5μm，生长温度为1000-1200℃，生长压力为100-500torr，Si掺杂的浓度为1018-1019cm-3。
步骤204：在N型GaN层上生长电流扩展层。
在本实施例中，电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，第一子层采用变阻材料形成，第二子层采用N型掺杂的GaN形成，且第二子层的掺杂浓度小于N型GaN层的掺杂浓度。可以理解地，若第二子层的掺杂浓度小于N型GaN层的掺杂浓度，有利于电子从N型GaN层通过电流扩展层注入多量子阱层。
具体地，变阻材料为为阻值会变化的材料。具体地，阻值随电压变化，当工作电压小于阈值时，变阻材料的阻值保持为一个高阻值；当工作电压大于阈值时，变阻材料的阻值变为一个低阻值。由于LED的阻值与变阻材料同步变化，因此通过控制工作电压，可以控制变阻材料的阻值，进而控制LED的阻值。若分别用高阻值和低阻值表示0和1，则可以实现存储器的功能。
可选地，变阻材料可以为二氧化钛、氧化锌或者铁酸铋。
可选地，电流扩展层的厚度可以为5-80nm。
可选地，第一子层的厚度可以为1-5nm。
可选地，第一子层的层数可以为5-50层。具体地，第二子层的层数与第一子层的层数相同，也为5-50层。
可以理解地，若电流扩展层的厚度大于80nm、第一子层的厚度大于5nm或者第一子层的层数大于50层，则会造成电阻较大，进而造成工作电压过高；若电流扩展层的厚度小于5nm、第一子层的厚度小于1nm或者第一子层的层数小于5层，则由于电流扩展层太薄而无法有效进行电流扩展，电流扩展效果不好。因此，电流扩展层的厚度为5-80nm、第一子层的厚度为1-5nm和第一子层的层数可以为5-50层，可以同时兼顾工作电压和电流扩展效果，在不引起工作电压升高的同时进行电流扩展，提高LED的发光效率和抗静电能力。
具体地，该步骤204可以包括：
在N型GaN层上交替生长第一子层和第二子层，生长温度为1000-1200℃，生长压力为100-500torr。
需要说明的是，若生长电流扩展层时，若生长温度超过1000-1200℃或者生长压力超过100-500torr，则会造成外延片质量变差、极化作用增强、影响发光效率，甚至导致漏电。
步骤205：在电流扩展层上生长多量子阱层。
具体地，多量子阱层可以包括交替生长的InGaN层和GaN层。
具体地，该步骤205可以包括：
在电流扩展层上交替生长InGaN层和GaN层；其中，InGaN层的层数为5-11层，InGaN层的厚度为3nm，InGaN层的生长温度为720-829℃，InGaN层的生长压力为100-500torr；GaN层的层数为5-11层，GaN层的厚度为9-20nm，GaN层的生长温度为850-959℃，GaN层的生长压力为100-500torr。
步骤206：在多量子阱层上生长P型GaN层。
具体地，P型GaN层可以包括依次层叠在多量子阱层上的低温P型GaN层、P型AlyGa1-yN层、高温P型GaN层、P型接触层，0.1＜y＜0.5。
具体地，该步骤206可以包括：
将生长压力升高至300-700torr，温度为700-800℃，生长一层低温P型GaN，厚度为25-50nm；
将生长压力降低至100-500torr，温度升高至850-1000℃，生长一层低温P型GaN，厚度为25-50nm；
将温度升高至850-1080℃，生长压力为200-500torr，生长一层P型AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5，厚度为50-150nm；
将温度保持为850-1080℃，生长压力为100-300torr，生长一层高温P型GaN，厚度为100-800nm；
将温度调节至850-1050℃，生长压力为100-300torr，生长一层P型接触层，厚度为5-300nm。
需要说明的是，在执行步骤206之后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中进行5-15分钟的退火处理，温度为650-850℃。
制造的外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺即可制作成单颗尺寸大小为9*7mil的LED芯片。
本发明实施例通过将电流扩展层设置为包括交替生长的第一子层和第二子层的结构，且第一子层采用变阻材料形成，第二子层采用N型掺杂的GaN形成，变阻材料和N型掺杂的GaN间晶格常数的差异产生极化作用，正电荷的中心和负电荷的中心不重合，电流扩展层中的电荷分布不均匀，形成了电场，在电场的作用下，电流扩展层中自由运动的电荷增多，扩展了电流，增加了注入多量子阱层复合发光的电子，提高了复合发光的效率。同时，第一子层和第二子层交替生长的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。另外，第一子层采用变阻材料形成，当工作电压小于阈值时，变阻材料的阻值保持为一个高阻值，LED的阻值随之也为高阻值；当工作电压大于阈值时，变阻材料的阻值保持为一个低阻值，LED的阻值随之也为低阻值。分别用高阻值和低阻值表示0和1，并通过改变工作电压可以进行高阻值和低阻值之间的切换，可以实现存储器的功能，扩展了LED的用途。而且第一子层采用变阻材料形成，带隙较大，吸收的波长偏短，可透过的可见光范围较广。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、电流扩展层、多量子阱层和P型GaN层，其特征在于，所述电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层采用变阻材料形成，所述第二子层采用N型掺杂的GaN形成，且所述第二子层的掺杂浓度小于所述N型GaN层的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述变阻材料为二氧化钛、氧化锌或者铁酸铋。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电流扩展层的厚度为5-80nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为1-5nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的层数为5-50。
6.一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
依次在蓝宝石衬底上生长缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、电流扩展层、多量子阱层和P型GaN层，
其特征在于，所述电流扩展层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层采用变阻材料形成，所述第二子层采用N型掺杂的GaN形成，且所述第二子层的掺杂浓度小于所述N型GaN层的掺杂浓度。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述变阻材料为二氧化钛、氧化锌或者铁酸铋。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述电流扩展层的厚度为5-80nm。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的厚度为1-5nm。
10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的层数为5-50。
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