氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法
阅读说明：本技术 氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 (Gallium nitride-based light emitting diode epitaxial wafer and preparation method thereof ) 是由 王群 郭炳磊 葛永晖 王江波 董彬忠 李鹏 于 2021-05-21 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法,属于半导体技术领域。发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的氮化镓层、N型层、有源层、复合P型层以及P型接触层；复合P型层包括依次层叠在有源层上的第一复合层和第二复合层,第一复合层为氮化镓层,第二复合层为P型氮化镓层,有源层的与第一复合层接触的一面上具有多个凸起,且多个凸起穿过第一复合层,位于第二复合层内,多个凸起为氧化镓材料。该发光二极管外延片可以减少Mg的掺杂,改善小电流下空穴的扩展和有效注入,提高外延片的发光效率。(The disclosure provides a gallium nitride-based light emitting diode epitaxial wafer and a preparation method thereof, belonging to the technical field of semiconductors. The light-emitting diode epitaxial wafer comprises a substrate, and a buffer layer, an undoped gallium nitride layer, an N-type layer, an active layer, a composite P-type layer and a P-type contact layer which are sequentially stacked on the substrate; the composite P-type layer comprises a first composite layer and a second composite layer which are sequentially stacked on the active layer, the first composite layer is a gallium nitride layer, the second composite layer is a P-type gallium nitride layer, a plurality of bulges are arranged on one surface of the active layer, which is in contact with the first composite layer, and the bulges penetrate through the first composite layer and are located in the second composite layer, and the bulges are made of gallium oxide materials. The light-emitting diode epitaxial wafer can reduce the doping of Mg, improve the expansion and effective injection of a cavity under low current and improve the luminous efficiency of the epitaxial wafer.)
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。LED具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。
目前氮化镓基LED受到越来越多的关注和研究，其外延结构主体为：衬底(蓝宝石衬底)、氮化镓或掺铝氮化镓缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、电流有源层、P型层和P型接触层。其中，P型层和P型接触层均为掺Mg的氮化镓层。当有电流通过时，N型区的电子和P型区的空穴进入有源层并且复合，发出需要波段的可见光。
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：
由于Mg有效离化率低，需要掺杂更多的Mg掺杂才能达到需要的Mg有效浓度。因此为了提高空穴有效浓度，常需要对P型层进行Mg重掺。但是重掺Mg会引入额外的缺陷和杂质，使得本就迁移率低的空穴更加难以注入，特别是在微型显示LED中，工作电流小，空穴注入效率低的问题会更加突出。
发明内容
本公开实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法，可以减少Mg的掺杂，改善小电流下空穴的扩展和有效注入，提高外延片的发光效率。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的氮化镓层、N型层、有源层、复合P型层以及P型接触层；
所述复合P型层包括依次层叠在所述有源层上的第一复合层和第二复合层，所述第一复合层为氮化镓层，所述第二复合层为P型氮化镓层，所述有源层的与所述第一复合层接触的一面上具有多个凸起，且所述多个凸起穿过所述第一复合层，位于所述第二复合层内，所述多个凸起为氧化镓材料。
可选地，所述凸起为长方体、梯形体或锥体。
可选地，每个所述凸起的高度均为5～10nm。
可选地，所述第一复合层的厚度为3～8nm。
可选地，所述第二复合层包括依次层叠在所述第一复合层上的第一子层和第二子层，所述第一子层中Mg的掺杂浓度大于所述第二子层中Mg的掺杂浓度，所述第一子层的厚度为2～5nm，所述第二子层的厚度为5～50nm。
可选地，所述第一子层中Mg的掺杂浓度为1*1020cm-3～4*1020cm-3，所述第二子层中Mg的掺杂浓度为1*1019cm-3～6*1019cm-3。
另一方面，提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的氮化镓层、N型层和有源层；
在所述有源层上形成多个凸起，所述多个凸起为氧化镓材料；
在所述有源层上生长复合P型层，所述复合P型层包括依次层叠在所述有源层上的第一复合层和第二复合层，所述第一复合层为氮化镓层，所述第二复合层为P型氮化镓层，所述多个凸起穿过所述第一复合层，位于所述第二复合层内；
在所述复合P型层上生长P型接触层。
可选地，所述在所述有源层上形成多个凸起，包括：
在所述有源层上制备掩模版，所述掩模版上具有图案；
在所述掩模版的图案内生长一层氮化镓层，以将所述掩模版上的图案复制到所述有源层上，在所述有源层上形成多个凸起；
去除所述掩模版，并对所述多个凸起进行氧等离子体处理，使得所述多个凸起由氮化镓变为氧化镓材料。
可选地，所述对所述多个凸起进行氧等离子体处理，包括：
将形成有所述多个凸起的外延片放入等离子体处理设备中，向所述等离子体处理设备中通入臭氧，控制所述等离子体处理设备中的温度为300～600℃、射频功率为15～50W，对所述P型氮化镓层表面进行氧等离子处理，处理时间为30～500s，使所述多个凸起的氮化镓材料与氧键合变为氧化镓材料。
可选地，所述第二复合层包括依次层叠在所述第一复合层上的第一子层和第二子层，所述在所述有源层上生长P型层，包括：
在所述有源层上生长所述第一复合层；
在所述第一复合层上生长所述第一子层，所述第一子层的厚度为2～5nm；
在所述第一子层上生长所述第二子层，所述第二子层的厚度为5～50nm，所述第一子层中Mg的掺杂浓度大于所述第二子层中Mg的掺杂浓度。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过设置复合P型层实现载流子的有效注入，其中，复合P型层包括第一复合层和第二复合层。第一复合层为氮化镓层，氮化镓材料有利于空穴的扩展和注入。第二复合层为P型氮化镓层，P型氮化镓层为主要的空穴提供层，用于提供空穴。有源层的与第一复合层接触的一面上具有多个凸起，且多个凸起均为氧化镓材料，氧化镓的带隙较宽，有利于实现空穴的平面扩展，释放晶格应力，提升复合P型层的晶体质量。且多个凸起穿过第一复合层，位于第二复合层内，则多个凸起可以作为多个传输通道，使得第二复合层提供的部分空穴可以通过多个通道传输至有源层，调控不同维度的空穴传输，从而提升空穴的注入效率。且复合P型层中只有第二复合层中掺有Mg，可以减少P型层中Mg的掺杂，改善小电流下空穴的扩展和有效注入，提高外延片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法流程图；
图3是本公开实施例提供的另一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的氮化镓层3、N型层4、有源层5、复合P型层6以及P型接触层7。
复合P型层6包括依次层叠在有源层上的第一复合层61和第二复合层62。第一复合层61为氮化镓层，第二复合层62为P型氮化镓层，有源层5的与第一复合层61接触的一面上具有多个凸起6a，且多个凸起6a穿过第一复合层61，位于第二复合层62内，多个凸起6a均为氧化镓材料。
本公开实施例通过设置复合P型层实现载流子的有效注入，其中，复合P型层包括第一复合层和第二复合层。第一复合层为氮化镓层，氮化镓材料有利于空穴的扩展和注入。第二复合层为P型氮化镓层，P型氮化镓层为主要的空穴提供层，用于提供空穴。有源层的与第一复合层接触的一面上具有多个凸起，且多个凸起均为氧化镓材料，氧化镓的带隙较宽，有利于实现空穴的平面扩展，释放晶格应力，提升复合P型层的晶体质量。且多个凸起穿过第一复合层，位于第二复合层内，则多个凸起可以作为多个传输通道，使得第二复合层提供的部分空穴可以通过多个通道传输至有源层，调控不同维度的空穴传输，从而提升空穴的注入效率。且复合P型层中只有第二复合层中掺有Mg，可以减少P型层中Mg的掺杂，改善小电流下空穴的扩展和有效注入，提高外延片的发光效率。
可选地，凸起6a为长方体、梯形体或锥体。
其中，当凸起6a为长方体时，芯片的出光效果更好。梯形体和锥体更加便于制作，且梯形体可以提供不同的晶体面进行外延生长，有利于降低缺陷，缓解应力。本公开实施例图1中示出的凸起6a为长方体。
可选地，每个凸起6a的高度均为5～10nm。
由于Mo源难以在凸起之间沉积，因此，若每个凸起6a的高度过高，会导致第一复合层和第二复合层难以愈合生长，从而无法覆盖多个凸起6a，导致最终生长出的外延片的形貌不平整；若每个凸起6a的高度过低，则无法起到较好的提高空穴的注入的效果。
可选地，第一复合层61的厚度为3～8nm。若第一复合层61的厚度过薄，则第二复合层62的厚度需要设置的较厚，以保证对多个凸起的填平效果。而第二复合层62为P型GaN层，若厚度过厚，会引入额外的缺陷和杂质，从而降低Mg的注入。因此，将第一复合层61的厚度设置在上述取值范围内，可以提高生长出的复合P型层的晶体质量。
可选地，第二复合层62包括依次层叠在第一复合层61上的第一子层621和第二子层622。第一子层621中Mg的掺杂浓度大于第二子层622中Mg的掺杂浓度，第一子层621的厚度为2～5nm，第二子层622的厚度为5～50nm。
通过将第二复合层设置成包括两个子层的结构，其中第一子层为重掺Mg层，为主要的空穴提供层。而第二子层与P型接触层接触，P型接触层中Mg的掺杂浓度较低，因此，将第二子层中Mg的掺杂浓度设置的较低，可以起到过渡作用。同时，第二子层也可以作为空穴的蓄积层，提供源源不断的空穴供给。
可选地，第一子层621中Mg的掺杂浓度为1*1020cm-3～4*1020cm-3，第二子层622中Mg的掺杂浓度为1*1019cm-3～6*1019cm-3。
由于Mg掺杂为杂质，若第一子层中Mg的掺杂浓度过高，可能会导致生长出的复合P型层6的晶体质量较差，甚至产生裂片。同时，第一子层和第二子层中Mg的掺杂浓度过低，又无法提供足够的空穴。因此，第一子层和第二子层中Mg的掺杂浓度为上述取值范围时，可以保证最终形成的复合P型层的晶体质量，同时，保证对空穴的提供效果。
可选地，衬底1为蓝宝石衬底、Si或SiC衬底。
可选地，缓冲层2为GaN层，厚度为15～35nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为1～5um。
可选地，N型层4为掺Si的GaN层，厚度为1um～2um。N型层4中Si的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，有源层5包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
可选地，P型接触层7为掺Mg的氮化镓层，厚度10～25nm，Mg的掺杂浓度为5*1019cm-3～1*1020cm-3。
图2是本公开实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法流程图，如图2所示，该制备方法包括：
步骤201、提供一衬底。
示例性地，衬底可以是蓝宝石、Si或SiC衬底。
步骤202、在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的氮化镓层、N型层和有源层。
其中，缓冲层为GaN层，厚度为15～35nm。未掺杂的GaN层的厚度为1～5um。N型层为掺Si的GaN层，厚度为1um～2um。N型层中Si的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
有源层包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。
示例性地，每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
步骤203、在有源层上形成多个凸起。
其中，多个凸起为氧化镓材料。
步骤204、在有源层上生长复合P型层。
其中，复合P型层包括依次层叠在有源层上的第一复合层和第二复合层，第一复合层为氮化镓层，第二复合层为P型氮化镓层，有源层的与第一复合层接触的一面上具有多个凸起，且多个凸起穿过第一复合层，位于第二复合层内。
步骤205、在复合P型层上生长P型接触层。
本公开实施例通过设置复合P型层实现载流子的有效注入，其中，复合P型层包括第一复合层和第二复合层。第一复合层为氮化镓层，氮化镓材料有利于空穴的扩展和注入。第二复合层为P型氮化镓层，P型氮化镓层为主要的空穴提供层，用于提供空穴。有源层的与第一复合层接触的一面上具有多个凸起，且多个凸起均为氧化镓材料，氧化镓的带隙较宽，有利于实现空穴的平面扩展，释放晶格应力，提升复合P型层的晶体质量。且多个凸起穿过第一复合层，位于第二复合层内，则多个凸起可以作为多个传输通道，使得第二复合层提供的部分空穴可以通过多个通道传输至有源层，调控不同维度的空穴传输，从而提升空穴的注入效率。且复合P型层中只有第二复合层中掺有Mg，可以减少P型层中Mg的掺杂，改善小电流下空穴的扩展和有效注入，提高外延片的发光效率。
图3是本公开实施例提供的另一种氮化镓基发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：
步骤301、提供一衬底。
其中，衬底可采用蓝宝石平片衬底。
进一步地，步骤301还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，在氢气气氛中对衬底进行6分钟～10分钟退火处理；
对衬底进行氮化处理。
通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor 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作为氮源，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，即Si源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，即Mg源。反应室压力为100-600torr。
步骤302、在衬底上生长缓冲层。
示例性地，控制反应腔温度为400℃～600℃，压力为200～500torr，生长厚度为15～35nm的缓冲层。
步骤303、对缓冲层进行原位退火处理。
示例性地，控制反应室温度在1000℃～1200℃，压力为100～300mbar，对成核层进行原位退火处理，时间在5分钟至10分钟之间。
步骤304、在缓冲层上生长未掺杂的氮化镓层。
示例性地，控制反应腔温度为1000℃～1100℃，压力为100～500torr，生长厚度为1～5um的未掺杂的GaN层。
步骤305、在未掺杂的氮化镓层上生长N型层。
其中，N型层的厚度可以为1～5um，N型层中Si的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000℃～1200℃，压力为100～500torr，在未掺杂的GaN层上生长厚度为1～5um的N型层。
步骤306、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。
可选地，每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
步骤307、在有源层上形成多个凸起。
其中，多个凸起为氧化镓材料。
可选地，凸起为长方体、梯形体或锥体。
示例性地，步骤307可以包括：
第一步、在有源层上制备掩模版，掩模版上具有图案。
其中，掩模版可以为SiO2的一个涂层。
第二步、在掩模版的图案内生长一层氮化镓层，以将掩模版上的图案复制到有源层上，在有源层上形成多个凸起。
第三步、去除掩模版，并对多个凸起进行氧等离子体处理，使得多个凸起由氮化镓变为氧化镓材料。
其中，对多个凸起进行氧等离子体处理，包括：
将形成有多个凸起的外延片放入等离子体处理设备中，向等离子体处理设备中通入臭氧，控制等离子体处理设备中的温度为300～600℃、射频功率为15～50W，对P型氮化镓层表面进行氧等离子处理，处理时间为30～500s，使多个凸起的氮化镓材料与氧键合变为氧化镓材料。
示例性地，向等离子体处理设备中通入的臭氧的流量为5～500ml。
可选地，每个凸起的高度均为5～10nm。
步骤308、在有源层上形成复合P型层。
其中，复合P型层包括依次层叠在有源层上的第一复合层和第二复合层，第一复合层为氮化镓层，第二复合层为P型氮化镓层。多个凸起穿过第一复合层，位于第二复合层内。
可选地，第一复合层的厚度为3～8nm。
可选地，第二复合层包括依次层叠在第一复合层上的第一子层和第二子层，第一子层中Mg的掺杂浓度大于第二子层中Mg的掺杂浓度，第一子层的厚度为2～5nm，第二子层的厚度为5～50nm。
可选地，第一子层中Mg的掺杂浓度为1*1020cm-3～4*1020cm-3，第二子层中Mg的掺杂浓度为1*1019cm-3～6*1019cm-3。
示例性地，步骤308可以包括：
第一步、在有源层上生长第一复合层；
其中，第一复合层的生长温度为800～1000℃，生长压力为200～500torr。
第二步、在第一复合层上生长第一子层。
其中，第一子层的厚度为2～5nm，第一子层的生长温度为800～900℃，生长压力为200～500torr。
第三步、在第一子层上生长第二子层。
其中，第二子层的厚度为5～50nm。第二子层的生长温度为800～1000℃，生长压力为200～500torr。
步骤309、在复合P型层上生长P型接触层。
其中，P型接触层为掺Mg的氮化镓层，厚度10～25nm，Mg的掺杂浓度为5*1019cm-3～1*1020cm-3。P型接触层的生长温度为700～900℃，生长压力为200～400torr。
外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5-15分钟，降至室温后外延生长结束。
本公开实施例通过设置复合P型层实现载流子的有效注入，其中，复合P型层包括第一复合层和第二复合层。第一复合层为氮化镓层，氮化镓材料有利于空穴的扩展和注入。第二复合层为P型氮化镓层，P型氮化镓层为主要的空穴提供层，用于提供空穴。有源层的与第一复合层接触的一面上具有多个凸起，且多个凸起均为氧化镓材料，氧化镓的带隙较宽，有利于实现空穴的平面扩展，释放晶格应力，提升复合P型层的晶体质量。且多个凸起穿过第一复合层，位于第二复合层内，则多个凸起可以作为多个传输通道，使得第二复合层提供的部分空穴可以通过多个通道传输至有源层，调控不同维度的空穴传输，从而提升空穴的注入效率。且复合P型层中只有第二复合层中掺有Mg，可以减少P型层中Mg的掺杂，改善小电流下空穴的扩展和有效注入，提高外延片的发光效率。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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