一种发光二极管外延片及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种发光二极管外延片及其制作方法，属于半导体【技术领域】。所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，有源层为交替生长的InGaN层和GaN层，外延片还包括超晶格GaN层，超晶格GaN层层叠在未掺杂GaN层和N型GaN层之间，超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层，第一GaN层采用三维3D模式生长，第二GaN层采用二维2D模式生长。本发明通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，另一方面，有效改变被全反射反射回来的光的方向，从而再次出射，提高了LED的发光效率。
【专利说明】一种发光二极管外延片及其制作方法
【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及其制作方法。
【背景技术】
[0002]LED (Light Emitting D1de,发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件,具有体积小、亮度高、能耗小的特点，被广泛的应用于显示屏，背光源和照明领域。
[0003]现有的LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次生长在衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层。其中，有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
[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]衬底材料蓝宝石与其它各层材料GaN属于异质材料，晶格失配率高达14%，位错密度高达108cm_2，电子和空穴辐射复合的几率较低，LED的发光效率较低。而且GaN的折射率为2.5，空气的折射率为1，只有在入射角在23.6°范围内的光才能透过GaN出射到空气之中，大部分光将被反射回来，进一步降低了 LED的发光效率。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术LED的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制作方法。所述技术方案如下:
[0007]—方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层，所述外延片还包括超晶格GaN层，所述超晶格GaN层层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间,所述超晶格GaN层包括交替生长的第一 GaN层和第二 GaN层,所述第一 GaN层米用三维3D模式生长,所述第二 GaN层米用二维2D模式生长。
[0008]可选地,所述第一 GaN层和所述第二 GaN层的总层数为16-60层。
[0009]可选地，所述第一 GaN层和所述第二 GaN层的厚度比为1:3-1:6。
[0010]可选地,所述第一 GaN层的厚度为30_100nm。
[0011]另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制作方法，所述方法包括:
[0012]在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层；
[0013]在所述未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层，所述超晶格GaN层包括交替生长的第一 GaN层和第二 GaN层，所述第一 GaN层米用三维3D模式生长,所述第二 GaN层米用二维2D模式生长；
[0014]在所述超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
[0015]可选地,所述第一 GaN层和所述第二 GaN层的总层数为16-60层。
[0016]可选地，所述第一GaN层和所述第二 GaN层的厚度比为1:3-1:6。
[0017]可选地，所述第一 GaN层的厚度为30_100nm。
[0018]可选地，沉积所述第一 GaN层时的压力为500_800mbar。
[0019]可选地，沉积所述第一 GaN层时的Ga流量为沉积所述第二 GaN层时的Ga流量的1/3-1/2，沉积所述第一 GaN层时的温度比沉积所述第二 GaN层时的温度低50_100°C。
[0020]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0021]通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，降低位错密度，提高电子和空穴辐射复合的几率，进而提高LED的发光效率；另一方面，由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的，存在斜面反射，可以有效改变被全反射反射回来的光的方向，使得这些光有可能被再次出射，提高了 LED的二次出光效率，从而进一步提高了 LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层，可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的，因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层，可以最大限度地降低位错密度，显著提高LED的发光效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]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。
[0023]图1是本发明实施例一提供的一种LED外延片的结构示意图；
[0024]图2是本发明实施例二提供的一种LED外延片的制作方法的流程图。
【具体实施方式】
[0025]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。
[0026]实施例一
[0027]本发明实施例提供了一种LED外延片，参见图1，该外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底I上的未掺杂GaN层2、超晶格GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型GaN层6。
[0028]在本实施例中，超晶格GaN层3的生长温度为750_1050°C，超晶格GaN层3包括交替生长的第一 GaN层31 (用阴影表示)和第二 GaN层32，第一 GaN层31采用3D (三维)模式生长，第二 GaN层32采用2D ( 二维)模式生长。有源层5为交替生长的InGaN层51和GaN 层 52。
[0029]具体地，第一 GaN层31的Ga含量可以为第二 GaN层32的Ga含量的1/3-1/2。
[0030]可选地,第一 GaN层31和第二 GaN层32的总层数可以为16-60层,保证较好的光反射效果，提高出光效率。
[0031]可选地,第一 GaN层31和第二 GaN层32的厚度比可以为1:3-1:6, —方面可以保证采用2D模式生长的GaN层可以对采用3D模式生长的GaN层进行填平，使得超晶格GaN层的表面最终是平整的，另一方面也可以保证好的反射效果，提高LED的发光效率。
[0032]可选地，第一 GaN层31的厚度可以为30_100nm，既保证采用3D模式生长的GaN层的反射效果，又能使采用2D模式生长的GaN层较容易地对采用3D模式生长的GaN层进行填平。
[0033]在本实施例中，未掺杂GaN层2的厚度可以为2 μ m，N型GaN层4的厚度可以为2 μ m。在其它实施例中，未掺杂GaN层2和N型GaN层4的厚度也可以为其它值，本发明对比不作限制。
[0034]本发明实施例通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，降低位错密度，提闻电子和空穴福射复合的几率，进而提闻LED的发光效率；另一方面，由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的，存在斜面反射，可以有效改变被全反射反射回来的光的方向，使得这些光有可能被再次出射，提高了 LED的二次出光效率，从而进一步提高了 LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层，可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的，因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层，可以最大限度地降低位错密度，显著提高LED的发光效率。
[0035]实施例二
[0036]本发明实施例提供了一种LED外延片的制作方法，适用于制作实施例一提供的LED外延片，参见图2，该方法包括:
[0037]步骤200:对蓝宝石衬底进行预处理。
[0038]具体地，该步骤200可以包括:
[0039]将蓝宝石衬底放入MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposit1n,金属有机化合物化学气相沉淀)系统中，高温热处理10-15分钟。
[0040]例如，在MOCVD系统中，将蓝宝石衬底在温度为1100°C，纯氢气气氛里高温处理15分钟。
[0041]步骤201:在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层。
[0042]具体地，该步骤201可以包括:
[0043]在1000°C下生长 3 μ m 的 GaN。
[0044]可选地，在步骤201之前，该方法还可以包括:
[0045]在600°C下生长 20nm 的 GaN。
[0046]步骤202:在未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层。
[0047]在本实施例中，超晶格GaN层3的生长温度为750_1050°C，超晶格GaN层包括交替生长的第一 GaN层和第二 GaN层。第一 GaN层采用3D模式生长，第二 GaN层采用2D模式生长。
[0048]弟一 GaN层和弟_■ GaN层的总层数为20，弟一 GaN层的厚度为80nm，弟_.GaN层的厚度为250nm。
[0049]具体地，第一 GaN层31的Ga含量可以为第二 GaN层32的Ga含量的1/3-1/2。
[0050]可选地，第一 GaN层和第二 GaN层的总层数可以为16-60层，保证较好的光反射效果，提高出光效率。
[0051]可选地，第一 GaN层和第二 GaN层的厚度比可以为1:3_1:6，一方面可以保证采用2D模式生长的GaN层可以对采用3D模式生长的GaN层进行填平，使得超晶格GaN层的表面最终是平整的，另一方面也可以保证好的反射效果。
[0052]可选地，第一 GaN层的厚度可以为30_100nm，既保证采用3D模式生长的GaN层的反射效果，又能使采用2D模式生长的GaN层较容易地对采用3D模式生长的GaN层进行填平。
[0053]可选地，沉积第一 GaN层时的压力可以为500_800mbar，实现GaN层的3D生长时所需的高压条件。
[0054]可选地，沉积第一 GaN层时的Ga流量可以为沉积第二 GaN层时的Ga流量的1/3-1/2，实现GaN层的3D生长时所需的低Ga流量。
[0055]可选地，沉积第一GaN层时的温度可以比沉积第二GaN层时的温度低50-100°C，实现GaN层的3D生长时所需的低温条件。
[0056]步骤203:在超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层。
[0057]在本实施例中，有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
[0058]具体地，N型GaN层的厚度可以为2 μ m，InGaN层的厚度可以为2.5nm，GaN层的厚度可以为12nm, P型GaN层的厚度可以为0.4 μ m。
[0059]可选地，在步骤203之后，该方法还可以包括:
[0060]将反应腔的温度降至800°C，纯氮气氛围进行退火处理lOmin，然后降至室温。
[0061]本发明实施例通过插入采用3D模式生长的GaN层，一方面可以使位错偏折、合并，降低位错密度，提闻电子和空穴福射复合的几率，进而提闻LED的发光效率；另一方面，由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的，存在斜面反射，可以有效改变被全反射反射回来的光的方向，使得这些光有可能被再次出射，提高了 LED的二次出光效率，从而进一步提高了 LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层，可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的，因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层，可以最大限度地降低位错密度，显著提高LED的发光效率。另外，本发明实施例提供的方法使用便捷、加工效率高、成本低廉，可以实现大规模生产的要求。
[0062]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。
【权利要求】
1.一种发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层，其特征在于，所述外延片还包括超晶格GaN层，所述超晶格GaN层层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间,所述超晶格GaN层包括交替生长的第一 GaN层和第二 GaN层，所述第一 GaN层采用三维3D模式生长，所述第二 GaN层采用二维2D模式生长。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16_60层。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二 GaN层的厚度比为1:3-1:6。
4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN层的厚度为30_100nm。
5.一种发光二极管外延片的制作方法，其特征在于，所述方法包括: 在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层； 在所述未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层，所述超晶格GaN层包括交替生长的第一 GaN层和第二 GaN层，所述第一 GaN层采用三维3D模式生长，所述第二 GaN层采用二维2D模式生长; 在所述超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层，所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二 GaN层的总层数为16-60层。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第一GaN层和所述第二 GaN层的厚度比为1:3-1:6。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述第一GaN层的厚度为30_100nm。
9.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，沉积所述第一GaN层时的压力为500_800mbar。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，沉积所述第一GaN层时的Ga流量为沉积所述第二 GaN层时的Ga流量的1/3-1/2，沉积所述第一 GaN层时的温度比沉积所述第二 GaN层时的温度低50-100°C。
【文档编号】H01L33/04GK104167475SQ201410338393
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】吴克敏, 谢文明, 陈柏松, 魏世祯 申请人:华灿光电股份有限公司