CN107146832A - 一种发光二极管的外延片及其制作方法 - Google Patents
一种发光二极管的外延片及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107146832A CN107146832A CN201710251615.5A CN201710251615A CN107146832A CN 107146832 A CN107146832 A CN 107146832A CN 201710251615 A CN201710251615 A CN 201710251615A CN 107146832 A CN107146832 A CN 107146832A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- gan
- thickness
- temperature
- superlattice
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 31
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 claims abstract description 54
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 44
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims abstract description 20
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 254
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 24
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 9
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 8
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 113
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 113
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AUCDRFABNLOFRE-UHFFFAOYSA-N alumane;indium Chemical compound [AlH3].[In] AUCDRFABNLOFRE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
- H10H20/01—Manufacture or treatment
- H10H20/011—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers
- H10H20/013—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials
- H10H20/0133—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials
- H10H20/01335—Manufacture or treatment of bodies, e.g. forming semiconductor layers having light-emitting regions comprising only Group III-V materials with a substrate not being Group III-V materials the light-emitting regions comprising nitride materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
- H10H20/80—Constructional details
- H10H20/81—Bodies
- H10H20/811—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
- H10H20/80—Constructional details
- H10H20/81—Bodies
- H10H20/815—Bodies having stress relaxation structures, e.g. buffer layers
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制作方法，其中外延片包括：衬底、形成于所述衬底上的低温GaN缓冲层、形成于所述低温GaN缓冲层上的GaN非掺杂层、形成于所述GaN非掺杂层上的N型GaN层、形成于所述N型GaN层上的量子阱应力释放层、形成于所述量子阱应力释放层上的InxGa(1‑x)N/GaN有源层、形成于所述InxGa(1‑x)N/GaN有源层上的P型AlGaN层、形成于所述P型AlGaN层上的掺镁的P型GaN层；通过加入量子阱应力释放层，能有效改善量子阱的结晶质量，使量子阱的阱层和垒层界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子和空穴束缚作用，从而提高了LED芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管的外延片及其制作方法。
背景技术
近年来，InGaN/GaN多量子阱(MQW)作为蓝绿光及近紫外范围发光二极管有源区的研究越来越广泛而深入。人们通过优化量子阱的生长温度、垒层的掺杂、阱和垒的厚度等改善了InGaN/GaN量子阱发光特性，由于优异的电化学性质，GaN基材料在微电子领域和光电子领域得到了广泛的应用。但随着社会发展的需求，人们对GaN基发光二极管的亮度要求越来越高。
参考图1，现有的发光二极管的结构外延生长方法如下：
步骤1、在1000-1300℃，反应腔压力维持在50-500torr的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底a，维持5-10分钟；
步骤2、降温至550-650℃下，反应腔压力维持在100-500torr，在蓝宝石衬底1上生长厚度为10-40nm的低温GaN缓冲层b；
步骤3、升高温度到1000-1200℃下，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长2-4μm的GaN不掺杂层c；
步骤4、温度控制在1000-1200℃，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长2-4μm的N型GaN层d，其中Si掺杂浓度为5E+18-2E+19；
步骤5、周期性生长10-15对InxGa(1-x)N/GaN有源层e。每个周期的生长步骤为：反应腔压力维持在200-400torr，温度控制在700-750℃，生长厚度为2.5-3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层，In掺杂浓度为1E+20-5E+20；然后升高温度至800-850℃，压力不变，生长厚度为8-12nm的GaN垒层；
步骤6、再升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长20-60nm的P型AlGaN层f，Al掺杂浓度1E+20-3E+20，Mg掺杂浓度5E+18-1E+19。
步骤7、再升高温度到930-950℃，反应腔压力维持在100-500torr，持续生长100-300nm的掺Mg的P型GaN层g，Mg掺杂浓度1E+19-1E+20。
步骤8、最后降温至700-800℃，保温20-30min，接着炉内冷却。
然而，利用上述方法制得的发光二极管外延片，量子阱的结晶质量低，即阱层对电子和空穴的束缚能力低。此外，会存在阱垒界面不清晰的现象，导致阱层对电子和空穴的束缚能力降低，阱层的In过多的扩散到垒层，影响量子阱的发光效率。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种发光二极管的外延片及其制作方法，解决了现有技术中量子阱的结晶质量低和阱垒界面不清晰的技术问题。
一方面，本发明提供一种发光二极管外延片及其制作方法，包括：
提供衬底；
保持温度1000℃至1300℃之间、压力50torr至500torr之间，在氢气气氛下处理所述衬底5min至10min；
降温到550℃至650℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述衬底上生长厚度为10nm至40nm的低温GaN缓冲层；
升温到1000℃至1200℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述低温GaN缓冲层上持续生长厚度为2μm至4μm的GaN非掺杂层；
保持温度1000℃至1200℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述GaN非掺杂层上持续生长厚度为2μm至4μm的N型GaN层；
温度降低至700℃至900℃，压力100torr至500torr之间，在所述N型GaN层上生长厚度为100nm至600nm的量子阱应力释放层，所述量子阱应力释放层的结构为：
nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合；其中nGaN的Si掺杂浓度为0-2E19，InGaN的In浓度为0-2E20，AlGaN的Al浓度为0-2E20，超晶格周期为0-200；
在所述量子阱应力释放层上周期性生长10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层；
升温到900℃至1000℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述InxGa(1-x)N/GaN有源层上持续生长厚度为20nm至60nm的P型AlGaN层；
维持温度930℃至950℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述P型AlGaN层上生长厚度为100nm至300nm掺镁的P型GaN层；
降温至700℃至800℃，保温20min至30min后进行冷却。
进一步地，所述N型GaN层的Si的掺杂浓度为5E+18-2E+19。
进一步地，在所述量子阱应力释放层上周期性生长的10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层，包括：
每个周期内，保持温度700℃至750℃、压力200torr至400torr，生长厚度为2.5nm至3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层；
升温至800℃至850℃、维持压力200torr至400torr，生长厚度为8nm至12nm的GaN垒层。
进一步地，所述InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层的In掺杂浓度为1E+20-5E+20。
进一步地，所述的P型AlGaN层的镁掺杂浓度为5E+18-1E+19，铝掺杂浓度为1E+20-3E+20。
进一步地，所述P型GaN层的镁掺杂浓度为1E+19-1E+20。
另一方面，本发明还提供一种发光二极管，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的低温GaN缓冲层，所述低温GaN缓冲层的厚度为10nm至40nm；
形成于所述低温GaN缓冲层上的GaN非掺杂层，所述GaN非掺杂层的厚度为2μm至4μm；
形成于所述GaN非掺杂层上的N型GaN层，所述N型GaN层的厚度为2μm至4μm；
形成于所述N型GaN层上的量子阱应力释放层，所述量子阱应力释放层的厚度为100nm至600nm，所述量子阱应力释放层的结构为：
nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合；其中nGaN的Si掺杂浓度为0-2E19，InGaN的In浓度为0-2E20，AlGaN的Al浓度为0-2E20，超晶格周期为0-200；
形成于所述量子阱应力释放层上的10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层；
形成于所述InxGa(1-x)N/GaN有源层上的P型AlGaN层，所述P型AlGaN层的厚度为20nm至60nm；
形成于所述P型AlGaN层上的掺镁的P型GaN层，所述P型GaN层的厚度为100nm至300nm。
进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底。
进一步地，所述InxGa(1-x)N/GaN有源层包括厚度为2.5nm至3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层和厚度为8nm至12nm的GaN垒层。
与现有技术相比，本发明提供的一种发光二极管的外延片及其制作方法，至少包括如下的有益效果：
(1)通过在N型GaN层和InxGa(1-x)N/GaN有源层之间插入应力释放层改善量子阱的结晶质量使量子阱的阱垒界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子空穴的束缚作用从而改善LED芯片的光电参数；
(2)选用nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合作为应力释放层的材料，电子迁移率高，热稳定性和热导率良好，并且掺杂技术简单，易于操作；
(3)本发明的发光二极管外延片的制作方法提供了外延片各层的优选厚度范围，在此厚度范围内，生长过程适中又不造成材料的浪费，有效提高生产效率，节约生产材料；
(4)本发明提供的发光二极管结构简单、有效节约工艺流程，生产方便，适用于工业化生产。
当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为现有技术中LED外延层结构示意图。
图2为本发明提供的发光二极管外延片的制作方法一种实施例的流程图。
图3为本发明提供的发光二极管外延片一种实施例的结构示意图。
图4为现有技术中发光二极管和本发明实施例提供的发光二极管的XRD(X射线衍射仪)对比图；
图5为现有技术中外延片和本发明各实施例获得的外延片的PL(光致发光仪)波长曲线对比图。
图6为现有技术中外延片和本发明各实施例获得的外延片的PL(光致发光仪)波长峰值曲线对比图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例1
参考图2和图3，本实施例提供一种发光二极管外延片的制作方法，包括：
步骤S101，提供衬底1；
步骤S102，保持温度1000℃至1300℃之间、压力50torr至500torr之间，在氢气气氛下处理衬底5min至10min；
步骤S103，降温到550℃至650℃之间、压力100torr至500torr之间，在衬底1上生长厚度为10nm至40nm的低温GaN(氮化镓)缓冲层2；
步骤S104，升温到1000℃至1200℃之间、压力100torr至500torr之间，在低温GaN缓冲层2上持续生长厚度为2μm至4μm的GaN非掺杂层3；
步骤S105，保持温度1000℃至1200℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述GaN非掺杂层3上持续生长厚度为2μm至4μm的N型GaN层4；
步骤S106，温度降低至700℃至900℃，压力100torr至500torr之间，在N型GaN层4上生长厚度为100nm至600nm的量子阱应力释放层8，量子阱应力释放层8的结构为：
nGaN(n型氮化镓)单层，或者InGaN/nGaN(铟氮化镓/n型氮化镓)超晶格，或者InGaN/AlGaN(铟氮化镓/氮化镓铝)超晶格，或者InAlGaN/nGaN(铟铝镓氮/n型氮化镓)超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合；其中nGaN的Si掺杂浓度为0-2E19，InGaN的In浓度为0-2E20，AlGaN的Al浓度为0-2E20，超晶格周期为0-200；
步骤S107，在量子阱应力释放层8上周期性生长10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层5；
步骤S108，升温到900℃至1000℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述InxGa(1-x)N/GaN有源层5上持续生长厚度为20nm至60nm的P型AlGaN(氮化镓铝)层6；
步骤S109，维持温度930℃至950℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述P型AlGaN层6上生长厚度为100nm至300nm掺镁的P型GaN层7；
步骤S110，降温至700℃至800℃，保温20min至30min后进行冷却。
作为一种优选的实施方式，N型GaN层4的Si的掺杂浓度为5E+18-2E+19。
作为一种优选的实施方式，在量子阱应力释放层8上周期性生长的10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层5，包括：
每个周期内，保持温度700℃至750℃、压力200torr至400torr，生长厚度为2.5nm至3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层；
升温至800℃至850℃、维持压力200torr至400torr，生长厚度为8nm至12nm的GaN垒层。
作为一种优选的实施方式，所述InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层的In掺杂浓度为1E+20-5E+20。
作为一种优选的实施方式，P型AlGaN层6的镁掺杂浓度为5E+18-1E+19，Al掺杂浓度为1E+20-3E+20。
作为一种优选的实施方式，P型GaN层7的Mg掺杂浓度为1E+19-1E+20。
本实施例提供的发光二极管外延片的制作方法，通过加入量子阱应力释放层，能有效改善量子阱的结晶质量，使量子阱的阱层和垒层界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子和空穴束缚作用，从而提高了LED芯片的发光效率。
实施例2
参考图3，本实施例提供一种发光二极管的外延片制作方法，包括：
步骤S201，提供衬底1；
优选地，衬底1为蓝宝石衬底；
步骤S202，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在500torr，在氢气气氛下处理衬底6分钟；
步骤S203，降温至550℃，反应腔的压力维持在500torr，在衬底1上生长厚度为20nm的低温GaN缓冲层2；
步骤S204，升温到1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在低温缓冲层2上持续生长厚度为3μm的GaN非掺杂层3；
步骤S205，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在GaN非掺杂层3上持续生长厚度为4μm的N型GaN层4，其中Si掺杂浓度为1E+19；
步骤S206，温度降低到800℃，反应腔的压力维持在200torr，在N型GaN层4上生长厚度为450nm的量子阱应力释放层8，该层结构为nGaN单层，其中nGaN的Si掺杂浓度为5E17；
步骤S207，在量子阱应力释放层8上周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层5；
每个周期的生长步骤为：反应腔的压力维持在300torr，温度控制在750℃，生长厚度为3.0nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015)阱层，In掺杂浓度为3E+20；然后升高温度至820℃，压力不变，生长厚度为12nm的GaN垒层；
步骤S208，再升高温度到900℃，反应腔压力维持在100torr，在InxGa(1-x)N/GaN有源层5上持续生长厚度为40nm的P型AlGaN层6，其中Al掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18；
步骤S209，维持温度950℃，反应腔压力维持在200torr，在P型AlGaN层6生长厚度为200nm的掺镁的P型GaN层7，其中Mg掺杂浓度5E+19；
步骤S210，降温至750℃，保温30分钟，接着炉内冷却。
本实施例提供的发光二极管外延片的制作方法，加入量子阱应力释放层，该量子阱应力释放层为nGaN单层结构，制作工艺简单，生产成本低，能有效改善量子阱的结晶质量，使量子阱的阱层和垒层界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子和空穴束缚作用，从而提高了LED芯片的发光效率。
实施例3
参考图3，本实施例提供一种发光二极管的外延片制作方法，包括：
步骤S301，提供衬底1；
优选地，衬底1为蓝宝石衬底；
步骤S302，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在500torr，在氢气气氛下处理衬底6分钟；
步骤S303，降温至550℃，反应腔的压力维持在500torr，在衬底1上生长厚度为20nm的低温GaN缓冲层2；
步骤S304，升温到1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在低温缓冲层2上持续生长厚度为3μm的GaN非掺杂层3；
步骤S305，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在GaN非掺杂层3上持续生长厚度为4μm的N型GaN层4，其中Si掺杂浓度为1E+19；
步骤S306，温度降低到800℃，反应腔的压力维持在200torr，在N型GaN层4上生长厚度为450nm的量子阱应力释放层8，该层结构为InGaN/nGaN超晶格结构，其中nGaN的Si掺杂浓度为5E17，In的浓度为5E19，InGaN/nGaN的厚度比为5nm/40nm，周期数为10；
步骤S307，在量子阱应力释放层8上周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层5；
每个周期的生长步骤为：反应腔的压力维持在300torr，温度控制在750℃，生长厚度为3.0nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015)阱层，In掺杂浓度为3E+20；然后升高温度至820℃，压力不变，生长厚度为12nm的GaN垒层；
步骤S308，再升高温度到900℃，反应腔压力维持在100torr，在InxGa(1-x)N/GaN有源层5上持续生长厚度为40nm的P型AlGaN层6，其中Al掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18；
步骤S309，维持温度950℃，反应腔压力维持在200torr，在P型AlGaN层6生长厚度为200nm的掺镁的P型GaN层7，其中Mg掺杂浓度5E+19；
步骤S310，降温至750℃，保温30分钟，接着炉内冷却。
本实施例提供的发光二极管外延片的制作方法，加入量子阱应力释放层，该量子阱应力释放层为InGaN/nGaN超晶格结构，进一步改善量子阱的结晶质量，使量子阱的阱层和垒层界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子和空穴束缚作用，从而提高了LED芯片的发光效率。
实施例4
参考图3，本实施例提供一种发光二极管的外延片制作方法，包括：
步骤S401，提供衬底1；
优选地，衬底1为蓝宝石衬底；
步骤S402，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在500torr，在氢气气氛下处理衬底6分钟；
步骤S403，降温至550℃，反应腔的压力维持在500torr，在衬底1上生长厚度为20nm的低温GaN缓冲层2；
步骤S404，升温到1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在低温缓冲层2上持续生长厚度为3μm的GaN非掺杂层3；
步骤S405，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在GaN非掺杂层3上持续生长厚度为4μm的N型GaN层4，其中Si掺杂浓度为1E+19；
步骤S406，温度降低到800℃，反应腔的压力维持在200torr，在N型GaN层4上生长厚度为450nm的量子阱应力释放层8，该层结构由300nm的nGaN单层和150nm的InGaN/AlGaN超晶格结构组成，其中nGaN的Si掺杂浓度为5E17，In的浓度为5E19，Al的浓度为5E19，InGaN/AlGaN的厚度比为1.5nm/1.5nm，周期数为50；
步骤S407，在量子阱应力释放层8上周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层5；
每个周期的生长步骤为：反应腔的压力维持在300torr，温度控制在750℃，生长厚度为3.0nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015)阱层，In掺杂浓度为3E+20；然后升高温度至820℃，压力不变，生长厚度为12nm的GaN垒层；
步骤S408，再升高温度到900℃，反应腔压力维持在100torr，在InxGa(1-x)N/GaN有源层5上持续生长厚度为40nm的P型AlGaN层6，其中Al掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18；
步骤S409，维持温度950℃，反应腔压力维持在200torr，在P型AlGaN层6生长厚度为200nm的掺镁的P型GaN层7，其中Mg掺杂浓度5E+19；
步骤S410，降温至750℃，保温30分钟，接着炉内冷却。
本实施例提供的发光二极管外延片的制作方法，加入量子阱应力释放层，该量子阱应力释放层由300nm的nGaN单层和150nm的InGaN/AlGaN超晶格结构组成，进一步改善量子阱的结晶质量，使量子阱的阱层和垒层界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子和空穴束缚作用，从而提高了LED芯片的发光效率。
实施例5
参考图3，本实施例提供一种发光二极管的外延片制作方法，包括：
步骤S501，提供衬底1；
优选地，衬底1为蓝宝石衬底；
步骤S502，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在500torr，在氢气气氛下处理衬底6分钟；
步骤S503，降温至550℃，反应腔的压力维持在500torr，在衬底1上生长厚度为20nm的低温GaN缓冲层2；
步骤S504，升温到1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在低温缓冲层2上持续生长厚度为3μm的GaN非掺杂层3；
步骤S505，保持温度1100℃，反应腔的压力维持在200torr，在GaN非掺杂层3上持续生长厚度为4μm的N型GaN层4，其中Si掺杂浓度为1E+19；
步骤S506，温度降低到800℃，反应腔的压力维持在200torr，在N型GaN层4上生长厚度为450nm的量子阱应力释放层8，该层结构由200nm的nGaN单层、200nm的InAlGaN/nGaN超晶格结构及50nm的nGaN单层组成，nGaN的Si掺杂浓度为5E17，In的浓度为5E19，Al的浓度为5E19，InAlGaN/nGaN的厚度比为5nm/45nm，周期数为4；
步骤S507，在量子阱应力释放层8上周期性生长12对InxGa(1-x)N/GaN有源层5；
每个周期的生长步骤为：反应腔的压力维持在300torr，温度控制在750℃，生长厚度为3.0nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015)阱层，In掺杂浓度为3E+20；然后升高温度至820℃，压力不变，生长厚度为12nm的GaN垒层；
步骤S508，再升高温度到900℃，反应腔压力维持在100torr，在InxGa(1-x)N/GaN有源层5上持续生长厚度为40nm的P型AlGaN层6，其中Al掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度5E+18；
步骤S509，维持温度950℃，反应腔压力维持在200torr，在P型AlGaN层6生长厚度为200nm的掺镁的P型GaN层7，其中Mg掺杂浓度5E+19；
步骤S510，降温至750℃，保温30分钟，接着炉内冷却。
本实施例提供的发光二极管外延片的制作方法，加入量子阱应力释放层，该量子阱应力释放层由200nm的nGaN单层、200nm的InAlGaN/nGaN超晶格结构及50nm的nGaN单层组成，进一步改善量子阱的结晶质量，使量子阱的阱层和垒层界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子和空穴束缚作用，从而提高了LED芯片的发光效率。
实施例6
参考图3，本实施例提出了一种发光二极管，包括：
衬底1；
形成于衬底1上的低温GaN缓冲层2，低温GaN缓冲层2的厚度为10nm至40nm；
形成于低温GaN缓冲层2上的GaN非掺杂层3，GaN非掺杂层3的厚度为2μm至4μm；
形成于GaN非掺杂层3上的N型GaN层4，N型GaN层4的厚度为2μm至4μm；
形成于N型GaN层4上的量子阱应力释放层8，量子阱应力释放层8的厚度为100nm至600nm，量子阱应力释放层8的结构为：
nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合；其中nGaN的Si掺杂浓度为0-2E19，InGaN的In浓度为0至2E20，AlGaN的Al浓度为0-2E20，超晶格周期为0-200；
形成于量子阱应力释放层8上的10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层5；
形成于InxGa(1-x)N/GaN有源层5上的P型AlGaN层6，P型AlGaN层6的厚度为20nm至60nm；
形成于P型AlGaN层6上的掺镁的P型GaN层7，P型GaN层7的厚度为100nm至300nm。
作为一种优选的实施方式，衬底1为蓝宝石衬底。
作为一种优选的实施方式，InxGa(1-x)N/GaN有源层5包括厚度为2.5nm至3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层和厚度为8nm至12nm的GaN垒层。
本实施案例提供的发光二极管，具有如下有益效果：
通过引入量子阱应力释放层，有效提升了量子阱的结晶质量以及阱层对电子和空穴的束缚能力，因此发光二极管的光电效率得到显著提高；
InxGa(1-x)N/GaN有源层5的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层厚度为2.5nm至3.5nm，GaN垒层的厚度为8nm至12nm。在此厚度范围内，生长过程适中又不造成材料的浪费，有效提高生产效率，节约生产材料；
结构简单、有效节约工艺流程，生产方便，适用于工业化生产。
参考图4，图中曲线A为现有的外延片结构的XRD衍射曲线，曲线B为加入量子阱应力释放层的外延片结构的XRD衍射曲线，曲线B的主峰明显要高于曲线A的主峰；曲线B的一级卫星峰①、二级卫星峰②的高度也明显高于曲线A的卫星峰高度。
通过对比证明了插入量子阱应力释放层后，LED外延的InGaN/GaN量子阱结晶质量得到明显的改善。
本发明优选实施例的外延片XRD衍射曲线具有更清晰和陡峭主峰和一、二级卫星峰曲线。证明了插入量子阱应力释放层后量子阱的阱垒界面更清晰，有利于阱层的In不会过多的扩散到垒层从而提高量子阱的发光效率。
参考图5，曲线A为现有技术外延片波长，曲线B为实施例2获得的外延片波长，曲线C为实施例3获得的外延片波长，曲线D为实施例4获得的波长，曲线E为实施例5获得的波长，A、B、C、D、E的波长曲线形态基本相同，证明了应力释放层的引入不会对LED的发光机理造成本质改变。
参考图6，本发明的实施例2、3、4、5提供的外延片对应波长曲线B、C、D、E的PL波长峰值强度分布在23.4至23.7，比传统结构外延片波长曲线A的峰值强度(21.2)高2.2至2.5，提升了10％左右。
通过对比证明了引入量子阱应力释放层后，量子阱的结晶质量得到很好的提升，即阱层对电子和空穴的束缚能力得到了提高。
与现有技术相比，本发明的发光二极管的外延片及其制作方法，实现了如下的有益效果：
(1)通过在N型GaN层和InxGa(1-x)N/GaN有源层之间插入应力释放层改善量子阱的结晶质量使量子阱的阱垒界面更清晰、陡峭，提高量子阱对电子空穴的束缚作用从而改善LED芯片的光电参数；
(2)选用nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合作为应力释放层的材料，电子迁移率高，热稳定性和热导率良好，并且掺杂技术简单，易于操作；
(3)本发明的发光二极管外延片的制作方法提供了外延片各层的优选厚度范围，在此厚度范围内，生长过程适中又不造成材料的浪费，有效提高生产效率，节约生产材料；
(4)本发明提供的发光二极管结构简单、有效节约工艺流程，生产方便，适用于工业化生产。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
保持温度1000℃至1300℃之间、压力50torr至500torr之间，在氢气气氛下处理所述衬底5min至10min；
降温到550℃至650℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述衬底上生长厚度为10nm至40nm的低温GaN缓冲层；
升温到1000℃至1200℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述低温GaN缓冲层上持续生长厚度为2μm至4μm的GaN非掺杂层；
保持温度1000℃至1200℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述GaN非掺杂层上持续生长厚度为2μm至4μm的N型GaN层；
温度降低至700℃至900℃，压力100torr至500torr之间，在所述N型GaN层上生长厚度为100nm至600nm的量子阱应力释放层，所述量子阱应力释放层的结构为：
nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合；其中nGaN的Si掺杂浓度为0-2E19，InGaN的In浓度为0-2E20，AlGaN的Al浓度为0-2E20，超晶格周期为0-200；
在所述量子阱应力释放层上周期性生长10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层；
升温到900℃至1000℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述InxGa(1-x)N/GaN有源层上持续生长厚度为20nm至60nm的P型AlGaN层；
维持温度930℃至950℃之间、压力100torr至500torr之间，在所述P型AlGaN层上生长厚度为100nm至300nm掺镁的P型GaN层；
降温至700℃至800℃，保温20min至30min后进行冷却。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述N型GaN层的Si的掺杂浓度为5E+18-2E+19。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，在所述量子阱应力释放层上周期性生长10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层，包括：
每个周期内，保持温度700℃至750℃、压力200torr至400torr，生长厚度为2.5nm至3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层；
升温至800℃至850℃、维持压力200torr至400torr，生长厚度为8nm至12nm的GaN垒层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层的In掺杂浓度为1E+20-5E+20。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述的P型AlGaN层的镁掺杂浓度为5E+18-1E+19，铝掺杂浓度为1E+20-3E+20。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述P型GaN层的镁掺杂浓度为1E+19-1E+20。
7.一种发光二极管，其特征在于，包括：
衬底；
形成于所述衬底上的低温GaN缓冲层，所述低温GaN缓冲层的厚度为10nm至40nm；
形成于所述低温GaN缓冲层上的GaN非掺杂层，所述GaN非掺杂层的厚度为2μm至4μm；
形成于所述GaN非掺杂层上的N型GaN层，所述N型GaN层的厚度为2μm至4μm；
形成于所述N型GaN层上的量子阱应力释放层，所述量子阱应力释放层的厚度为100nm至600nm，所述量子阱应力释放层的结构为：
nGaN单层，或者InGaN/nGaN超晶格，或者InGaN/AlGaN超晶格，或者InAlGaN/nGaN超晶格，或者nGaN单层、InGaN/nGaN超晶格、InGaN/AlGaN超晶格以及InAlGaN/nGaN超晶格的任意组合；其中nGaN的Si掺杂浓度为0-2E19，InGaN的In浓度为0至2E20，AlGaN的Al浓度为0-2E20，超晶格周期为0-200；
形成于所述量子阱应力释放层上的10至15对InxGa(1-x)N/GaN有源层；
形成于所述InxGa(1-x)N/GaN有源层上的P型AlGaN层，所述P型AlGaN层的厚度为20nm至60nm；
形成于所述P型AlGaN层上的掺镁的P型GaN层，所述P型GaN层的厚度为100nm至300nm。
8.根据权利要求7所述的发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。
9.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述InxGa(1-x)N/GaN有源层包括厚度为2.5nm至3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.015-0.25)阱层和厚度为8nm至12nm的GaN垒层。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710251615.5A CN107146832A (zh) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | 一种发光二极管的外延片及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710251615.5A CN107146832A (zh) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | 一种发光二极管的外延片及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107146832A true CN107146832A (zh) | 2017-09-08 |
Family
ID=59774267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710251615.5A Pending CN107146832A (zh) | 2017-04-18 | 2017-04-18 | 一种发光二极管的外延片及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107146832A (zh) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108269903A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-07-10 | 厦门三安光电有限公司 | 紫外发光二极管及其制作方法 |
| CN108447952A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-24 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN109256444A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-22 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管的外延片及其制备方法 |
| CN110571316A (zh) * | 2019-09-11 | 2019-12-13 | 合肥彩虹蓝光科技有限公司 | 一种发光二极管结构及其制备方法 |
| CN111430517A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-07-17 | 江苏南大光电材料股份有限公司 | 高亮度发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN116544327A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-08-04 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管及制备方法 |
| CN116914046A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-10-20 | 江西兆驰半导体有限公司 | 发光二极管外延片及其制备方法 |
| US12389621B2 (en) * | 2019-06-10 | 2025-08-12 | Enkris Semiconductor, Inc. | Semiconductor structure with diffusion blocking layer and preparing method for semiconductor structure |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8710611B2 (en) * | 2011-01-20 | 2014-04-29 | West Virginia University | High sensitivity stress sensor based on hybrid materials |
| CN104485404A (zh) * | 2014-12-29 | 2015-04-01 | 北京大学 | 一种高亮度近紫外led及其外延生长方法 |
| CN106033787A (zh) * | 2015-03-17 | 2016-10-19 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种采用mocvd技术制备具有阶梯式量子阱结构近紫外led的方法 |
-
2017
- 2017-04-18 CN CN201710251615.5A patent/CN107146832A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8710611B2 (en) * | 2011-01-20 | 2014-04-29 | West Virginia University | High sensitivity stress sensor based on hybrid materials |
| CN104485404A (zh) * | 2014-12-29 | 2015-04-01 | 北京大学 | 一种高亮度近紫外led及其外延生长方法 |
| CN106033787A (zh) * | 2015-03-17 | 2016-10-19 | 东莞市中镓半导体科技有限公司 | 一种采用mocvd技术制备具有阶梯式量子阱结构近紫外led的方法 |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108269903B (zh) * | 2018-02-12 | 2024-04-02 | 厦门三安光电有限公司 | 紫外发光二极管及其制作方法 |
| CN108269903A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-07-10 | 厦门三安光电有限公司 | 紫外发光二极管及其制作方法 |
| CN108447952A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-08-24 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN108447952B (zh) * | 2018-03-26 | 2020-04-14 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN109256444A (zh) * | 2018-07-25 | 2019-01-22 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管的外延片及其制备方法 |
| CN109256444B (zh) * | 2018-07-25 | 2020-07-07 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管的外延片及其制备方法 |
| US12389621B2 (en) * | 2019-06-10 | 2025-08-12 | Enkris Semiconductor, Inc. | Semiconductor structure with diffusion blocking layer and preparing method for semiconductor structure |
| CN110571316A (zh) * | 2019-09-11 | 2019-12-13 | 合肥彩虹蓝光科技有限公司 | 一种发光二极管结构及其制备方法 |
| CN111430517A (zh) * | 2020-03-26 | 2020-07-17 | 江苏南大光电材料股份有限公司 | 高亮度发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN116544327B (zh) * | 2023-06-27 | 2023-11-17 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管及制备方法 |
| CN116544327A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-08-04 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管及制备方法 |
| CN116914046B (zh) * | 2023-09-12 | 2023-11-21 | 江西兆驰半导体有限公司 | 发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN116914046A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-10-20 | 江西兆驰半导体有限公司 | 发光二极管外延片及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107146832A (zh) | 一种发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| CN100466307C (zh) | 氮化物半导体发光器件 | |
| CN104064643B (zh) | Led的p型外延层、其制作方法及包括其的led外延片 | |
| CN104409587B (zh) | 一种InGaN基蓝绿光发光二极管外延结构及生长方法 | |
| CN103824909B (zh) | 一种提高GaN基LED发光亮度的外延方法 | |
| CN106415860B (zh) | 氮化物半导体发光元件 | |
| CN111916538B (zh) | 一种InGaN/GaN多量子阱基红光LED结构的制备方法 | |
| CN115986020B (zh) | 深紫外发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN109346568B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN108767079A (zh) | 基于石墨烯衬底的led外延结构及生长方法和led | |
| CN110491975A (zh) | 一种led外延片及其制作方法和半导体器件 | |
| CN115881865A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN103441197B (zh) | 一种GaN基发光二极管外延片及其制作方法 | |
| CN106229389B (zh) | 一种在金属氮化镓复合衬底上制备发光二极管的方法 | |
| CN109166950B (zh) | 发光二极管的半导体芯片及其量子阱层和制造方法 | |
| CN115588723B (zh) | 发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| CN105789392A (zh) | GaN基LED外延结构及其制造方法 | |
| CN109326695A (zh) | 一种提高氮化镓基led发光二极管亮度的外延片及生长方法 | |
| CN116598396A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、led | |
| CN104465916B (zh) | 氮化镓发光二极管外延片 | |
| CN105140365B (zh) | 基于c面蓝宝石衬底上Ga极性黄光LED结构及其制作方法 | |
| CN115377262A (zh) | 一种外延结构和发光二极管 | |
| TW201415662A (zh) | 氮化物半導體裝置 | |
| CN108735867B (zh) | 发光二极管的芯片及其量子阱结构和制造方法 | |
| CN116705937B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170908 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |