一种LED外延片及其形成方法转让专利
申请号 : CN201210592504.8
文献号 : CN103915534B
文献日 : 2017-08-22
发明人 : 陈飞
申请人 : 比亚迪股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种LED外延片的形成方法,其特征在于,包括以下步骤:提供衬底,并在所述衬底之上形成缓冲层;
在所述缓冲层之上形成第一掺杂类型的半导体材料层;
在所述第一掺杂类型的半导体材料层之上形成量子阱结构;
在所述量子阱结构之上形成电子阻挡层,其中,包括:在所述量子阱结构上形成第一AlxGa1-xN层,在形成第一AlxGa1-xN层过程中,Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值,且所述第二组分值大于所述第一组分值,在所述第一AlxGa1-xN层上形成第二AlxGa1-xN层,在形成第二AlxGa1-xN层过程中,Al的组分x为定值,并且所述Al的组分x等于所述第二组分值,其中,第二AlxGa1-xN层Al的组分x为
0.1-0.25;以及
在所述电子阻挡层之上形成第二掺杂类型的半导体材料层。
2.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法,其特征在于,所述Al的组分x的第一组分值为0.05,第二组分值为0.12。
3.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法,其特征在于,形成所述量子阱结构的过程是以N2气为载气。
4.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法,其特征在于,在形成所述缓冲层之后,还包括:在所述缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
5.如权利要求1所述的LED外延片的形成方法,其特征在于,其中,所述电子阻挡层的形成温度为800-900℃,压力为100-200mbar。
6.一种LED外延片,其特征在于,包括:
衬底;
形成在所述衬底之上的缓冲层;
形成在所述缓冲层之上的第一掺杂类型的半导体材料层;
形成在所述第一掺杂类型的半导体材料层之上的量子阱结构;
形成在所述量子阱结构之上的电子阻挡层;以及
形成在所述电子阻挡层之上的第二掺杂类型的半导体材料层,其中,所述电子阻挡层包括第一AlxGa1-xN层和第二AlxGa1-xN层,所述第一AlxGa1-xN层中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值,所述第一AlxGa1-xN层中与所述量子阱结构接触的部分x为第一组分值,所述第一AlxGa1-xN层中与第二AlxGa1-xN层接触的部分x为第二组分值,且所述第二组分值大于所述第一组分值,所述第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为定值,并且所述Al的组分x等于所述第二组分值,其中,第二AlxGa1-xN层Al的组分x为0.1-0.25。
7.如权利要求6所述的LED外延片,其特征在于,所述Al的组分x的第一组分值为0.05,第二组分值为0.12。
8.如权利要求6所述的LED外延片,其特征在于,形成所述量子阱结构是以N2气为载气形成的。
9.如权利要求6所述的LED外延片,其特征在于,在形成所述缓冲层之后,还包括:在所述缓冲层之上形成非掺杂的半导体材料层。
10.如权利要求6所述的LED外延片,其特征在于,其中,所述电子阻挡层的形成温度为
800-900℃,压力为100-200mbar。
说明书 :
一种LED外延片及其形成方法
技术领域
背景技术
绿光LED被广泛应用于全彩色显示和照明方面,紫外LED也被应用于光学探测方面。而制备
大功率的LED外延片已成为发展的必然趋势,但随着发光功率的提升,伴随而来有效率衰减
的问题出现,该效率衰减问题主要是由于载流子溢出,低效率的电子注入和空穴的传输导
致的。现有的减少载流子溢出是方法是采用电流阻挡层(Electron Blocking Layer,EBL)
结构。
的载气一般为氢气。但是现有的生长EBL的方法具有以下缺点:
移,EBL则被认为延迟了空穴的注入。为了减小EBL的极化场,匹配EBL极化的量子阱结构
AlInN/AlInGaN证实可以起到限制电子的作用。但是这种结构在外延很难实现,同时导致P
型的晶体质量也很差。
发明内容
掺杂类型的半导体材料层之上形成量子阱结构;在所述量子阱结构之上形成电子阻挡层,
其中,包括:在所述量子阱结构上形成第一AlxGa1-xN层,在形成第一AlxGa1-xN层过程中,Al的
组分x从第一组分值渐变至第二组分值,且所述第二组分值大于所述第一组分值,在所述第
一AlxGa1-xN层上形成第二AlxGa1-xN层,在形成第二AlxGa1-xN层过程中,Al的组分x为定值;以
及在所述电子阻挡层之上形成第二掺杂类型的半导体材料层。
料层之上的量子阱结构;形成在所述量子阱结构之上的电子阻挡层;以及形成在所述电子
阻挡层之上的第二掺杂类型的半导体材料层,其中,所述电子阻挡层包括第一AlxGa1-xN层
和第二AlxGa1-xN层,所述第一AlxGa1-xN层中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值,所
述第一AlxGa1-xN层中与所述量子阱结构接触的部分x为第一组分值,所述第一AlxGa1-xN层中
与第二AlxGa1-xN层接触的部分x为第二组分值,且所述第二组分值大于所述第一组分值,所
述第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为定值。
AlxGa1-xN的界面会形成能带的尖峰阻碍了空穴的隧穿,同时导带上势垒高度不足以限制电
子。而本发明利用渐变组分加定值组分的双层AlxGa1-xN结构的EBL可以利用极化效应导致
的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽效果综合考虑,提高电子限制能力和增强空穴注入,
使得导带能带尖峰更高,价带能带更加平缓,同时具有较宽的能带,能够到达提高内量子效
率目的,促使外延片发光效率的提升,更适合大功率外延片的需求。
附图说明
具体实施方式
图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,
除非另有明确具体的限定。
件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发
明中的具体含义。
们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特
征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在
第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅仅表示
第一特征水平高度小于第二特征。
非必须的。
与量子阱结构400接触的部分x为第一组分值,第一AlxGa1-xN层501中与第二AlxGa1-xN层205
接触的部分x为第二组分值,且第二组分值大于所述第一组分值。在本发明的一个实施例
中,Al的组分x的第一组分值为0.05,第二组分值为0.12。第二AlxGa1-xN层502中Al的组分x
为固定值,其取值范围可以是0.1-0.25。工艺中可以通过调节铟源、镓源和氨源的混合反应
气体的比例,来控制形成的AlxGa1-xN材料层的原子比。在不同的生长阶段,通入不同比例的
混合反应气体,可以形成渐变组分值的第一AlxGa1-xN层501和固定组分值的第二AlxGa1-xN
层。在本发明的一个实施例中,第二AlxGa1-xN层502中Al的组分x等于第二组分值,如此不仅
具有良好的电子限制能力,而且在生长过程中可不必改变通过气体的混合比例,实现不间
断连续生长。一般地,第一AlxGa1-xN层501的厚度为整个电子阻挡层500厚度的三分之一,第
二AlxGa1-xN层502的厚度为整个电子阻挡层500厚度的三分之二。
层向p层向上倾斜,而Al渐变使得能带由n层向p层同时展宽,这样就使得导带能带尖峰更
高,价带能带尖峰消失,促使价带更加平缓,有利于空穴的隧穿,到达提高内量子效率目的。
极化效应造成的能带倾斜恒定Al浓度的AlxGa1xN对于空穴下限制作用很小,因此恒定Al浓
度的AlxGa1-xN结构能够提高电子阻挡层500的内量子效率。
区(InGaN)具有严重的腐蚀作用,同时获得好的晶体质量的AlxGa1-xN导致AlxGa1-xN与GaN之
间的应力增加,因而对于电子和空穴的复合产生阻碍。而本发明通过采用氮气作为载气生
长AlxGa1-xN,一方面氮气对于量子阱而言能够起到很好的保护作用,防止量子阱阱区被腐
蚀。同时AlxGa1-xN在氮气氛围下生长晶体质量相对于氢气较差,正是利用这一点能够将
AlxGa1-xN与GaN由于晶格不匹配而产生的应力释放。
于量子阱同样有破坏作用,造成量子阱阱区的In扩散,量子阱阱区和垒区界限不清晰,导致
内量子效率的降低。而本发明采用低温低压生长AlxGa1-xN,同样生长的AlxGa1-xN材料晶体质
量相对于高温较差,但是对于量子阱的保护作用很明显。同时由于晶体质量较差而对于应
力释放又有一定的益处。通过测试发现本发明的方式生长的晶体质量差并没有造成静电释
放ESD性能的变坏,因此表明这种生长方式造成的晶体质量恶化对于器件的性能没有负面
的影响。
最后一个势垒GaN与AlxGa1-xN的界面会形成能带的尖峰阻碍了空穴的隧穿,同时导带上势
垒高度不足以限制电子。而本发明利用渐变组分加定值组分的双层AlxGa1-xN结构的EBL可
以利用极化效应导致的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽效果综合考虑,提高电子限制能
力和增强空穴注入,使得导带能带尖峰更高,价带能带更加平缓,同时具有较宽的能带,能
够到达提高内量子效率目的,促使外延片发光效率的提升,更适合大功率外延片的需求。
体材料层300之上的量子阱结构400;形成在量子阱结构400之上的电子阻挡层500,其中,电
子阻挡层500的形成过程中以N2气为载气;以及形成在电子阻挡层500之上的第二掺杂类型
的半导体材料层600。其中,电子阻挡层500包括第一AlxGa1-xN层501和第二AlxGa1-xN层502,
第一AlxGa1-xN层501中Al的组分x从第一组分值渐变至第二组分值,第一AlxGa1-xN层中501与
量子阱结构接触的部分x为第一组分值,第一AlxGa1-xN层501与第二AlxGa1-xN层502接触的部
分x为第二组分值,且第二组分值大于第一组分值,第二AlxGa1-xN层中Al的组分x为定值。其
中,第一掺杂类型为N型或P型中的一种,所述第二掺杂类型为N型或P型中的另一种,即:当
第一掺杂类型的半导体材料层300为P型掺杂时,第二掺杂类型的半导体材料层600为N型掺
杂;当第一掺杂类型的半导体材料层300为N型掺杂时,第二掺杂类型的半导体材料层600为
P型掺杂。
最后一个势垒GaN与AlxGa1-xN的界面会形成能带的尖峰阻碍了空穴的隧穿,同时导带上势
垒高度不足以限制电子。而本发明利用渐变组分加定值组分的双层AlxGa1-xN结构的EBL可
以利用极化效应导致的能带倾斜和Al渐变导致的能带展宽效果综合考虑,提高电子限制能
力和增强空穴注入,使得导带能带尖峰更高,价带能带更加平缓,同时具有较宽的能带,能
够到达提高内量子效率目的,促使外延片发光效率的提升,更适合大功率外延片的需求。
冲层200,再经过1070°C的高温处理270s。
可以是非恒定的,优选地,可以首先生长掺杂浓度为4E+18原子/cm3、厚度为200nm的n-GaN;
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然后生长掺杂浓度为8E+18原子/cm 、厚度为600nm的n-GaN;再生长掺杂浓度为4E+18原子/
cm3、厚度为200nm的n-GaN;最后生长掺杂浓度为3E+17原子/cm3、厚度200nm的n-GaN。
该电子阻挡层500分为第一AlxGa1-xN层501和第二AlxGa1-xN层两个部分:第一部分中的x为渐
变,x从0.05增加到0.12,厚度为5nm至20nm(例如15nm)。第二部分中x为恒定,保持为0.12,
厚度为20nm至40nm(例如35nm)。最终形成的电子阻挡层的AlxGa1-xN的总厚度为20至60nm
(例如50nm)。
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代码的模块、片段或部分,并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现,其中可以不
按所示出或讨论的顺序,包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序,来执
行功能,这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
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。
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。