高发光效率的发光二极管外延片及其制造方法
阅读说明：本技术 高发光效率的发光二极管外延片及其制造方法 (High-luminous-efficiency light-emitting diode epitaxial wafer and manufacturing method thereof ) 是由 王群 郭炳磊 王江波 葛永晖 董彬忠 李鹏 于 2021-06-01 设计创作，主要内容包括：本公开提供了一种高发光效率的发光二极管外延片及其制造方法,属于半导体技术领域。所述制造方法包括提供一衬底；在所述衬底上生长缓冲层；在所述缓冲层上生长N型波导层,所述N型波导层包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层,所述第一子层为N型InGaN层,所述第二子层为N型GaN层；在每次生长完所述第一子层后,向反应室内通入氨气和氢气,对所述第一子层进行表面处理；在所述N型波导层上依次生长多量子阱层、P型波导层和电极接触层。采用该制造方法可以减少底层应力和缺陷延伸至多量子阱层,保证多量子阱层的晶体质量,进而提高发光二极管的发光效率。(The disclosure provides a light-emitting diode epitaxial wafer with high luminous efficiency and a manufacturing method thereof, belonging to the technical field of semiconductors. The manufacturing method comprises providing a substrate; growing a buffer layer on the substrate; growing an N-type waveguide layer on the buffer layer, wherein the N-type waveguide layer comprises a plurality of first sublayers and second sublayers which are alternately grown periodically, the first sublayers are N-type InGaN layers, and the second sublayers are N-type GaN layers; after the first sublayer is grown each time, introducing ammonia gas and hydrogen gas into the reaction chamber, and carrying out surface treatment on the first sublayer; and sequentially growing a multi-quantum well layer, a P-type waveguide layer and an electrode contact layer on the N-type waveguide layer. By adopting the manufacturing method, the extension of bottom layer stress and defects to the multiple quantum well layer can be reduced, the crystal quality of the multiple quantum well layer is ensured, and the light emitting efficiency of the light emitting diode is further improved.)
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种高发光效率的发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED是前景广阔的新一代光源，正在被迅速广泛地应用在如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、户内外显示屏和小间距显示屏等领域。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN(氮化镓)基LED外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、N型波导层、多量子阱层、P型波导层和P型接触层。当电流注入GaN基LED外延片中时，N型波导层提供的电子和P型波导层提供的空穴在电流的驱动下，向多量子阱层迁移，并在多量子阱层中辐射复合发光。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于衬底(碳化硅、蓝宝石、硅片等)与氮化镓晶格常数的差异，在外延过程中会积累应力和缺陷，这些应力和缺陷会延伸至多量子阱层，影响多量子阱层中In的并入，进而会影响外延片的波长一致性，降低发光二极管的发光效率。
发明内容
本公开实施例提供了一种高发光效率的发光二极管外延片及其制造方法，可以减少底层应力和缺陷延伸至多量子阱层，保证多量子阱层的晶体质量，进而提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种高发光效率的发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型波导层，所述N型波导层包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层为N型InGaN层，所述第二子层为N型GaN层；在每次生长完所述第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，对所述第一子层进行表面处理；
在所述N型波导层上依次生长多量子阱层、P型波导层和电极接触层。
可选地，所述向反应室内通入氨气和氢气，对所述第一子层进行表面处理，包括：
向反应室内同时通入氨气和氢气，对所述第一子层进行表面处理，所述反应室内通入的所述氨气和所述氢气的流量比为2：1～10：1。
可选地，向所述反应室内通入的所述氨气的流量为40～100slm，向所述反应室内通入的所述氢气的流量为20～60slm。
可选地，对所述第一子层进行表面处理的时间为t，20≤t≤100s。
可选地，对所述第一子层进行表面处理时，所述反应室内的温度为第三温度，所述第三温度大于第一温度，且所述第三温度小于等于第二温度；
其中，所述第一温度为所述第一子层的生长温度，所述第二温度为所述第二子层的生长温度。
可选地，生长所述第一子层包括：
控制所述反应室内温度为所述第一温度，向所述反应室内同时通入氮气和氢气，生长厚度为20～100nm的所述第一子层，所述反应室内通入的氮气和氢气的流量比为1：1～1：0.5。
可选地，所述第一温度为750℃～850℃。
可选地，生长所述第二子层包括：
控制所述反应室内温度为所述第二温度，依次在第一气氛和第二气氛下，生长厚度为15～50nm的第二子层；
其中，所述第一气氛为纯氢气，所述第二气氛为流量比为1：1～0.5：1的氮气和氢气的混合气，所述第二子层的生长总时长为t，在所述第一气氛下生长所述第二子层的生长时长为t1，在所述第二气氛下生长所述第二子层的生长时长为t2，t＝t1+t2。
可选地，所述第二温度为770℃～880℃。
第二方面，提供了一种高发光效率的发光二极管外延片，所述发光二极管外延片采用如第一方面所述的制造方法制造而成。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将N型波导层设置成包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，其中第一子层为N型InGaN层，第二子层为N型GaN层，InGaN和GaN之间可以形成应力缓冲和调控，平衡压应力的快速积累，缓解底层应力，且在每次生长完第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，氨气和氢气可以适当刻蚀衬底表面，从而对第一子层进行表面处理，以进一步减少第一子层中的应力。则采用该制造方法制造外延片可以减少底层应力和缺陷延伸至多量子阱层，保证多量子阱层的晶体质量，进而可以提高发光二极管的发光效率。
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高发光效率的发光二极管外延片的制造方法流程图；
图2是本公开实施例提供的另一种高发光效率的发光二极管外延片的制造方法流程图；
图3是本公开实施例提供的一种高发光效率的发光二极管外延片的结构示意图。
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高发光效率的发光二极管外延片的制造方法流程图，如图1所示，该制造方法包括：
步骤101、提供一衬底。
其中，衬底可以为蓝宝石衬底。
步骤102、在衬底上生长缓冲层。
可选地，缓冲层可以包括多孔GaN层和未掺杂的GaN层。多孔GaN层为具有纳米或微米尺度的多个孔的氮化镓层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
其中，多孔GaN层的厚度为1.5～3um，未掺杂的GaN层的厚度为200-1000nm。
步骤103、在缓冲层上生长N型波导层。
其中，N型波导层包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，第一子层为N型InGaN层，第二子层为N型GaN层。在每次生长完第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，对第一子层进行表面处理。
步骤104、在N型波导层上依次生长多量子阱层、P型波导层和电极接触层。
可选地，多量子阱层包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
其中，阱层为InGaN层，厚度为1nm～3.5nm。阱层中In的摩尔含量0.2-0.4。垒层包括依次层叠的AlGaN和GaN层，AlGaN层的厚度1-2nm，Al的摩尔含量为0.15～0.3，GaN层的厚度5～10nm。
可选地，P型波导层为掺Mg的GaN层，厚度为200～400nm。P型波导层中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3～5E19cm-3，In的摩尔含量为1％～4％。
可选地，电极接触层为P型GaN层，厚度为2～10nm，电极接触层中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3-1E20cm-3。
本公开实施例通过将N型波导层设置成包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，其中第一子层为N型InGaN层，第二子层为N型GaN层，InGaN和GaN之间可以形成应力缓冲和调控，平衡压应力的快速积累，缓解底层应力，且在每次生长完第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，氨气和氢气可以适当刻蚀衬底表面，从而对第一子层进行表面处理，以进一步减少第一子层中的应力。则采用该制造方法制造外延片可以减少底层应力和缺陷延伸至多量子阱层，保证多量子阱层的晶体质量，进而可以提高发光二极管的发光效率。
本公开实施例说明了发光二极管外延片在生长各层时的具体生长步骤，图2是本公开实施例提供的另一种高发光效率的发光二极管外延片的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、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201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)设备实现外延片的制造方法。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202、在衬底上生长缓冲层。
可选地，缓冲层可以包括多孔GaN层和未掺杂的GaN层。多孔GaN层为具有纳米或微米尺度的多个孔的氮化镓层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
其中，多孔GaN层的厚度为1.5～3um，未掺杂的GaN层的厚度为200-1000nm。
示例性地，步骤202可以包括：
控制反应室温度为950-1100℃，压力为100torr-300Torr，在衬底上生长0.5-1um的氮化镓层，然后在氮化镓层上生长1-2um的Si掺杂的氮化镓层，Si掺杂量3E18-8E18，生长结束后通过光刻在Si掺杂的氮化镓层上形成10um*10um大小的网格，然后对未掺杂氮化镓层和Si掺杂的氮化镓层进行多孔化处理得到多孔GaN层；
控制反应室温度为950-1100℃，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在多孔GaN层上生长未掺杂GaN层，气氛为氮气氛围。
步骤203、在缓冲层上生长N型波导层。
其中，N型波导层包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，第一子层为N型InGaN层，第二子层为N型GaN层。在每次生长完第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，对第一子层进行表面处理。
可选地，步骤203中，向反应室内通入氨气和氢气，对第一子层进行表面处理，包括：
向反应室内同时通入氨气和氢气，对第一子层进行表面处理，反应室内通入的氨气和氢气的流量比为2：1～10：1。
由于氢气的刻蚀作用明显，因此，通过控制氨气和氢气的流量比为2：1～10：1，使得氨气和氢气的流量在合适范围内，此时既能保证氢气的刻蚀效果，又能对第一子层的表面起到一定的保护作用，防止第一子层的表面被过度刻蚀，导致表面形貌粗糙，对后续外延生长造成困难。
可选地，向反应室内通入的氨气的流量为40～100slm，向反应室内通入的氢气的流量为20～60slm。
可选地，对第一子层进行表面处理的时间为t，20≤t≤100s。
若对第一子层进行表面处理的时间过长，会导致第一子层的表面损伤过大，形貌粗糙，难以填平，从而对后续外延生长造成困难。若对第一子层进行表面处理的时间过短，则起不到较好的释放应力的效果。
可选地，对第一子层进行表面处理时，反应室内的温度为第三温度，第三温度大于第一温度，且第三温度小于等于第二温度。
其中，第一温度为第一子层的生长温度，第二温度为第二子层的生长温度。
也就是说，在生长完第一子层后，需要控制反应室内升温，对第一子层进行表面处理，这样有利于快速升温至第二子层，实现温度的平缓过渡。
可选地，步骤203中，生长第一子层包括：
控制反应室内温度为第一温度，向反应室内同时通入氮气和氢气，生长厚度为20～100nm的第一子层，反应室内通入的氮气和氢气的流量比为1：1～1：0.5。
可选地，第一温度为750℃～850℃。
若第一温度过高，会导致第一子层中的InGaN存在热退化的问题，且InGaN会存在In的偏析和分解；若第一温度过低，又会导致生长出的第一子层的晶体质量差，缺陷过多。
可选地，第一子层中In的摩尔含量为0.03～0.10。
若In的含量过高，会导致晶体质量较差，表面In偏析等缺陷增多；若In的含量过低，又难以达到环节底层应力的效果。
可选地，步骤203中，生长第二子层包括：
控制反应室内温度为第二温度，依次在第一气氛和第二气氛下，生长厚度为15～50nm的第二子层；
其中，第一气氛为纯氢气，第二气氛为流量比为1：1～0.5：1的氮气和氢气的混合气，第二子层的生长总时长为t，在第一气氛下生长第二子层的生长时长为t1，在第二气氛下生长第二子层的生长时长为t2，t＝t1+t2。
首先在纯氢气气氛下生长一部分N型GaN层，纯氢气生长会积累面内压应力，接着换成在流量比为1：1～0.5：1的氮气和氢气的混合气氛下生长剩下的N型GaN层，可以调整第二子层的面内应力，抵消第二子层在生长过程中积累的部分应力。
可选地，第二温度为770℃～880℃。
若第二温度过高，会导致第二子层中的N型GaN存在热退化的问题；若第二温度过低，又会导致生长出的第二子层的晶体质量差，缺陷过多。
步骤204、在N型波导层上生长多量子阱层。
可选地，多量子阱层包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
其中，阱层为InGaN层，厚度为1nm-3.5nm。阱层中In的摩尔含量0.2-0.4。垒层包括依次层叠的AlGaN和GaN层，AlGaN层的厚度1-2nm，Al的摩尔含量为0.15-0.3，GaN层的厚度5-10nm。
示例性地，控制反应室温度为650℃～800℃，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在N型波导层上生长多量子阱层。
步骤205、在多量子阱层上生长P型波导层。
可选地，P型波导层为掺Mg的GaN层，厚度为200～400nm。P型波导层中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3-5E19cm-3，In的摩尔含量为1％-4％。
示例性地，控制反应室温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr-300Torr(优选为200torr)，在多量子阱层上生长P型波导层。
步骤206、在P型波导层上生长电极接触层。
其中，电极接触层为P型GaN层，厚度为2～10nm，电极接触层中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3-1E20cm-3。
可选地，步骤206包括：
控制反应室内温度为850℃～1050℃，压力为100torr～300torr，在P型波导层上生长电极接触层。
需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。
本公开实施例通过将N型波导层设置成包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，其中第一子层为N型InGaN层，第二子层为N型GaN层，InGaN和GaN之间可以形成应力缓冲和调控，平衡压应力的快速积累，缓解底层应力，且在每次生长完第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，氨气和氢气可以适当刻蚀衬底表面，从而对第一子层进行表面处理，以进一步减少第一子层中的应力。则采用该制造方法制造外延片可以减少底层应力和缺陷延伸至多量子阱层，保证多量子阱层的晶体质量，进而可以提高发光二极管的发光效率。
本公开实施例还提供了一种高发光效率的发光二极管外延片，采用如图2所示的制造方法制造而成。
图3是本公开实施例提供的一种改善欧姆接触的发光二极管外延片的结构示意图，如图3所示，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、N型波导层3、多量子阱层4、P型波导层5和电极接触层6。
N型波导层3包括多个周期交替生长的第一子层31和第二子层32，第一子层31为N型InGaN层，第二子层32为N型GaN层。
可选地，N型波导层3包括n个周期交替生长的第一子层31和第二子层32，1≤n≤12。
可选地，第一子层31的厚度为20～100nm。
由于第一子层31为主要的空穴提供层，若第一子层31的厚度过薄，则无法提供足够的空穴。若第一子层32的厚度过厚，又会导致缺陷堆积，从而影响外延片的晶体质量。
可选地，第二子层32的厚度为15～50nm。
一方面，第二子层32可以起到调控应力，缓解异质外延的应力积累的作用，另一方面，第二子层32还可以与第一子层31结合，调整发光二极管的有效折射率，达到调控光场的目的。
可选地，N型波导层3的总厚度为200～400nm。
可选地，第一子层31中In的摩尔含量为0.03～0.10。
若In的含量过高，会导致晶体质量较差，表面In偏析等缺陷增多；若In的含量过低，又难以达到环节底层应力的效果。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以包括多孔GaN层和未掺杂的GaN层。多孔GaN层为具有纳米或微米尺度的多个孔的氮化镓层，可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
其中，多孔GaN层的厚度为1.5～3um，未掺杂的GaN层的厚度为200-1000nm。
可选地，多量子阱层4包括多个周期交替生长的阱层和垒层。
其中，阱层为InGaN层，厚度为1nm-3.5nm。阱层中In的摩尔含量0.2-0.4。垒层包括依次层叠的AlGaN和GaN层，AlGaN层的厚度1-2nm，Al的摩尔含量为0.15-0.3，GaN层的厚度5-10nm。
可选地，P型波导层5为掺Mg的InGaN层，厚度为200～400nm。P型半导波导5中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3-5E19cm-3，In的摩尔含量为1％-4％。
可选地，电极接触层6为P型GaN层，厚度为2～10nm，电极接触层6中Mg的掺杂浓度为1E19cm-3-1E20cm-3。
本公开实施例通过将N型波导层设置成包括多个周期交替生长的第一子层和第二子层，其中第一子层为N型InGaN层，第二子层为N型GaN层，InGaN和GaN之间可以形成应力缓冲和调控，平衡压应力的快速积累，缓解底层应力，且在每次生长完第一子层后，向反应室内通入氨气和氢气，氨气和氢气可以适当刻蚀衬底表面，从而对第一子层进行表面处理，以进一步减少第一子层中的应力。则采用该制造方法制造外延片可以减少底层应力和缺陷延伸至多量子阱层，保证多量子阱层的晶体质量，进而可以提高发光二极管的发光效率。
以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。