一种发光二极管外延片的制备方法

摘要

本发明公开了一种发光二极管外延片的制备方法，属于半导体技术领域。包括：提供一衬底；在衬底上生长原子极化调整层，原子极化调整层是由金属元素和氮元素形成的化合物，金属元素包括铝和镓中的至少一个，原子极化调整层与设置在衬底上的表面相反的表面为氮极性表面；在原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。本发明通过原子极化调整层释放衬底和氮化镓之间晶格失配产生的应力，抑制衬底和氮化镓之间晶格失配产生的位错和缺陷延伸到多量子阱层，从而提高多量子阱层的生长质量，避免极化效应，提高发光二极管的发光效率。

权利要求

1.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：提供一衬底；

在所述衬底上生长原子极化调整层，所述原子极化调整层是由金属元素和氮元素形成的化合物，所述金属元素包括铝和镓中的至少一个，所述原子极化调整层与设置在所述衬底上的表面相反的表面为氮极性表面；

在所述原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层；

当所述金属元素只包括铝时，所述在所述衬底上生长原子极化调整层，包括：采用氨气对所述衬底的表面进行处理；

控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气和三甲基铝生长原子极化调整层；

当所述金属元素只包括镓时，所述在所述衬底上生长原子极化调整层，包括：采用氨气对所述衬底的表面进行处理；

控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气和三甲基镓生长原子极化调整层；

当所述金属元素包括铝和镓时，所述在所述衬底上生长原子极化调整层，包括：采用氨气对所述衬底的表面进行处理；

控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气、三甲基铝和三甲基镓生长原子极化调整层。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原子极化调整层的厚度为20nm～

200nm。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述氮化镓缓冲层的厚度为50nm～100nm。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述原子极化调整层的生长压力为100torr～300torr。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述提供一衬底，包括：采用物理气相沉积技术在蓝宝石衬底上形成氮化铝薄膜。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，所述电子阻挡层生长所述P型氮化镓层的表面为氮极性表面。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述在所述原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，包括：在所述多量子阱层生长之后，采用氨气对所述多量子阱层的表面进行处理；

控制生长温度为400℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～1200，采用氨气和三甲基铝、三甲基镓生长电子阻挡层。

说明书

一种发光二极管外延片的制备方法

技术领域

[0001] 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的制备方法。

背景技术

[0002] 发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是利用半导体的PN结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。外延片是发光二极管制备过程中的初级成品。

[0003] 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、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。其中，多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层，量子垒为氮化镓层。当注入电流时，N型氮化镓层提供的电子和P型氮化镓层提供的空穴注入多量子阱层复合发光。

[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

[0005] 缓冲层为氮化铝层或者氮化镓层，由于金属极性表面(铝极性表面或者镓极性表面)比非金属极性表面(氮极性表面)的形貌更为平整，稳定性更好，因此缓冲层设置未掺杂氮化镓层的表面通常为金属极性表面，使得衬底和氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷很容易延伸到多量子阱层，造成多量子阱层的生长质量较差，产生极化效应，多量子阱层的电子波函数交叠减弱，影响电子和空穴的复合效率，降低发光二极管的发光效率。

发明内容

[0006] 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的制备方法。所述技术方案如下：

[0007] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：

[0008] 提供一衬底；

[0009] 在所述衬底上生长原子极化调整层，所述原子极化调整层是由金属元素和氮元素形成的化合物，所述金属元素包括铝和镓中的至少一个，所述原子极化调整层与设置在所述衬底上的表面相反的表面为氮极性表面；

[0010] 在所述原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。

[0011] 可选地，当所述金属元素只包括铝时，所述在所述衬底上生长原子极化调整层，包括：

[0012] 采用氨气对所述衬底的表面进行处理；

[0013] 控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气和三甲基铝生长原子极化调整层。

[0014] 可选地，当所述金属元素只包括镓时，所述在所述衬底上生长原子极化调整层，包括：

[0015] 采用氨气对所述衬底的表面进行处理；

[0016] 控制生长温度为900-1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气和三甲基镓生长原子极化调整层。

[0017] 可选地，当所述金属元素包括铝和镓时，所述在所述衬底上生长原子极化调整层，包括：

[0018] 采用氨气对所述衬底的表面进行处理；

[0019] 控制生长温度为400-900℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气、三甲基铝和三甲基镓生长原子极化调整层。

[0020] 可选地，所述原子极化调整层的厚度为20nm～200nm。

[0021] 可选地，所述氮化镓缓冲层的厚度为50nm～100nm。

[0022] 可选地，所述原子极化调整层的生长压力为100torr～400torr。

[0023] 可选地，所述提供一衬底，包括：

[0024] 采用物理气相沉积技术在蓝宝石衬底上形成氮化铝薄膜。

[0025] 可选地，所述电子阻挡层为P型掺杂的铝镓氮层，所述电子阻挡层生长所述P型氮化镓层的表面为氮极性表面。

[0026] 可选地，所述在所述原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，包括：

[0027] 在所述多量子阱层生长之后，采用氨气对所述多量子阱层的表面进行处理；

[0028] 控制生长温度为400℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～1200，采用氨气和三甲基铝、三甲基镓生长电子阻挡层。

[0029] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

[0030] 通过先在衬底上生长原子极化调整层，原子极化调整层是由金属元素和氮元素形成的化合物，与设置在衬底上的表面相反的表面为氮极性表面，再在原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，因此氮化镓缓冲层等生长在原子极化调整层的氮极性表面上。由于氮极性表面比金属极性表面的形貌更为凹凸不平，所以氮化镓缓冲层等生长在原子极化调整层的氮极性表面上，可以有效释放衬底和氮化镓之间晶格失配产生的应力，抑制衬底和氮化镓之间晶格失配产生的位错和缺陷延伸到多量子阱层，从而提高多量子阱层的生长质量，避免极化效应，多量子阱层的电子波函数交叠增强，电子和空穴的复合效率提升，发光二极管的发光效率提高。

附图说明

[0031] 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。

[0032] 图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图。

具体实施方式

[0033] 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。

[0034] 实施例一

[0035] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，图1为本发明实施例提供的制备方法的流程图，参见图1，该制备方法包括：

[0036] 步骤101：提供一衬底。

[0037] 可选地，该步骤101可以包括：

[0038] 采用物理气相沉积(英文：Physical Vapor Deposition，简称：PVD)技术在蓝宝石衬底上形成氮化铝薄膜。

[0039] 利用PVD技术预先在蓝宝石衬底上形成氮化铝薄膜，后续原子极化调整层生长在氮化铝薄膜上，有利于原子极化调整层的生长，提高外延片的生长质量。

[0040] 步骤102：在衬底上生长原子极化调整层。

[0041] 在本实施例中，原子极化调整层是由金属元素和氮元素形成的化合物，金属元素包括铝和镓中的至少一个，原子极化调整层与设置在衬底上的表面相反的表面为氮极性表面，即原子极化调整层设置氮化镓缓冲层的表面为氮极性表面。

[0042] 在本实施例的第一种实现方式中，当金属元素只包括铝时，该步骤102可以包括：

[0043] 采用氨气对衬底的表面进行处理；

[0044] 控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气和三甲基铝生长原子极化调整层。

[0045] 在本实施例的第二种实现方式中，当金属元素只包括镓时，该步骤102可以包括：

[0046] 采用氨气对衬底的表面进行处理；

[0047] 控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气和三甲基镓生长原子极化调整层。

[0048] 在本实施例的第三种实现方式中，当金属元素包括铝和镓时，该步骤102可以包括：

[0049] 采用氨气对衬底的表面进行处理；

[0050] 控制生长温度为900℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～200，采用氨气、三甲基铝和三甲基镓生长原子极化调整层。

[0051] 通过控制生长温度和Ⅴ/Ⅲ比来实现原子极化调整层与设置在衬底上的表面相反的表面为氮极性表面。其中，Ⅴ/Ⅲ比为原子极化调整层中Ⅴ族元素和Ⅲ族元素的摩尔比，具体为提供原子极化调整层中Ⅴ族元素的气体(即氨气)和提供原子极化调整层中Ⅲ族元素的气体(三甲基镓和三甲基铝中的至少一个)的摩尔比。

[0052] 可选地，原子极化调整层的厚度可以为20nm～200nm。

[0053] 通过控制原子极化调整层的厚度，一方面避免由于原子极化调整层的厚度太小而无法起到作用，另一方面避免由于原子极化调整层的厚度太大而造成外延片翘曲和材料的浪费。

[0054] 具体地，原子极化调整层的生长压力可以为100torr～300Torr。

[0055] 步骤103：在原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层。

[0056] 具体地，氮化镓缓冲层的厚度可以为50nm～100nm。

[0057] 通过控制氮化镓缓冲层的厚度，以与原子极化调整层匹配，为未掺杂氮化镓层等的生长提供平整的表面。

[0058] 具体地，多量子阱层可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠，量子阱可以为铟镓氮层，量子垒可以为氮化镓层或者铝镓氮层；电子阻挡层可以为P型掺杂的铝镓氮层，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。

[0059] 可选地，电子阻挡层生长P型氮化镓层的表面可以为氮极性表面。

[0060] 通过将电子阻挡层设置P型氮化镓层的表面设置为氮极性表面，由于氮极性表面比金属极性表面的形貌更为凹凸不平，因此电子阻挡层和P型氮化镓层之间的接触更为紧密，欧姆接触电阻低，短沟道效应弱，有利于空穴的注入，增加空穴和电子的复合效率，提升发光二极管的发光效率。

[0061] 具体地，该步骤103可以包括：

[0062] 在多量子阱层生长之后，采用氨气对多量子阱层的表面进行处理；

[0063] 控制生长温度为400℃～1200℃，Ⅴ/Ⅲ比为40～1200，采用氨气和三甲基铝、三甲基镓生长电子阻挡层。

[0064] 具体地，电子阻挡层的生长压力可以为200torr～500torr。

[0065] 更具体地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm。N型氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm，N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3。量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，量子垒的厚度可以为9nm～20nm；量子垒的数量与量子阱的数量相同，量子阱的数量可以为5个～15个。电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm。P型氮化镓层的厚度可以为
100nm～200nm。

[0066] 进一步地，氮化镓缓冲层的生长温度可以为400℃～600℃，生长压力可以为400torr～600torr。未掺杂氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1100℃，生长压力可以为
100torr～500torr。N型氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为
100torr～500torr。量子阱的生长温度可以为720℃～829℃，生长压力可以为100torr～
500torr；量子垒的生长温度可以为850℃～959℃，生长压力可以为100torr～500torr。P型氮化镓层的生长温度可以为750℃～1080℃，生长压力可以为200torr～500torr。

[0067] 本发明实施例通过先在衬底上生长原子极化调整层，原子极化调整层是由金属元素和氮元素形成的化合物，与设置在衬底上的表面相反的表面为氮极性表面，再在原子极化调整层上依次生长氮化镓缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，因此氮化镓缓冲层等生长在原子极化调整层的氮极性表面上。由于氮极性表面比金属极性表面的形貌更为凹凸不平，所以氮化镓缓冲层等生长在原子极化调整层的氮极性表面上，可以有效释放衬底和氮化镓之间晶格失配产生的应力，抑制衬底和氮化镓之间晶格失配产生的位错和缺陷延伸到多量子阱层，从而提高多量子阱层的生长质量，避免极化效应，多量子阱层的电子波函数交叠增强，电子和空穴的复合效率提升，发光二极管的发光效率提高。

[0068] 实施例二

[0069] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的一种具体实现。具体地，该制备方法包括：

[0070] 步骤200：采用氨气对衬底的表面进行处理。

[0071] 步骤201：控制温度为1200℃，压力为200Torr，Ⅴ/Ⅲ比为1200，采用氨气和三甲基铝生长厚度为100nm的原子极化调整层。

[0072] 步骤202：控制温度为500℃，压力为500Torr，在原子极化调整层上生长厚度为100nm的氮化镓缓冲层。

[0073] 步骤203：控制温度为1050℃，压力为300Torr，在氮化镓缓冲层上生长厚度为1μm的未掺杂氮化镓层。

[0074] 步骤204：控制温度为1100℃，压力为300Torr，在未掺杂氮化镓层上生长厚度为3μ18 -3
m、掺杂浓度为5*10 cm 的N型氮化镓层。

[0075] 步骤205：控制压力为300Torr，在N型氮化镓层上生长多量子阱层。

[0076] 在本实施例中，多量子阱层包括10个量子阱和10个量子垒，10个量子阱和10个量子垒交替层叠设置；量子阱为铟镓氮层，厚度为3nm，生长温度为775℃，；量子垒层为氮化镓层，厚度为15nm，生长温度为905℃。

[0077] 步骤206：控制温度为965℃，压力为350Torr，在多量子阱层上生长厚度为100nm的P型铝镓氮层，形成电子阻挡层。

[0078] 步骤207：控制温度为915℃，压力为350Torr，在电子阻挡层上生长厚度为150nm的P型氮化镓层。

[0079] 步骤208：控制温度为950℃，压力为200Torr，继续生长厚度为150nm的P型接触层。

[0080] 步骤209：控制温度为750℃，持续时间为7.5分钟，在氮气气氛中进行退火处理。

[0081] 实验发现，在60毫安/300mil2下，电压降低0.02V～0.05V，能效提高0.5％～1％。

[0082] 实施例三

[0083] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，原子极化调整层的生长温度为1100℃，Ⅴ/Ⅲ比为400。

[0084] 实验发现，与实施例二相比，有益效果提升5％左右。

[0085] 实施例四

[0086] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，原子极化调整层的生长温度为1100℃，Ⅴ/Ⅲ比为100。

[0087] 实验发现，与实施例二相比，有益效果基本一致。

[0088] 实施例五

[0089] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，原子极化调整层的生长温度为1000℃，Ⅴ/Ⅲ比为100。

[0090] 实验发现，与实施例二相比，有益效果基本一致。

[0091] 实施例六

[0092] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，原子极化调整层的生长温度为900℃，Ⅴ/Ⅲ比为200。

[0093] 实验发现，与实施例二相比，有益效果略有提升。

[0094] 实施例七

[0095] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，原子极化调整层的生长温度为500℃，Ⅴ/Ⅲ比为400，采用氨气和三甲基镓形成。

[0096] 实验发现，与实施例二相比，有益效果基本一致。

[0097] 实施例八

[0098] 本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例一提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例二提供的制备方法基本相同，不同之处在于，在本实施例中，原子极化调整层的生长温度为500℃，采用Ⅴ/Ⅲ比为40，采用氨气和三甲基镓形成。

[0099] 实验发现，与实施例二相比，有益效果基本一致。

[0100] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0101] 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。