一种发光二极管外延片结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种发光二极管外延片结构，由下至上包括：衬底、N型氮化镓层、多量子阱发光层以及P型氮化镓层，在所述N型氮化镓层中至少插入一个InyGa1-yN/AlN复合层（0＜y≤1），在所述P型氮化镓层中至少插入一个AlN/InzGa1-zN复合层（0＜z≤1），插入层中AlN层抬高了的势垒形成了阻挡层，InyGa1-yN层降低了势垒形成了载流子俘获层，使在N型氮化镓层与P型氮化镓层中形成的二维电子气浓度更高、分布更加集中，从而提高电流扩展能力。
【专利说明】一种发光二极管外延片结构
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及氮化镓半导体器件外延领域，尤其涉及具有高效率二维电子气的发光二极管外延片结构。
【背景技术】
[0002]发光二极管(英文缩写为LED)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光结构，近年来，以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料受到了人们的广泛关注和大力研究，在大功率电子器件领域取得了显著的优势，并在近几年来取得了突破性的进展。
[0003]在大功率LED制作过程中，外延结构是关键技术，而通常的LED采用P_N结构，在P型半导体和N型半导体之间设定多量子阱发光层，但随着芯片尺寸的增加，电流拥堵现象日渐突出，对芯片发光均匀性和抗静电能力均提出了更高的要求。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种具有高效率二维电子气的发光二极管外延片结构，技术方案包括:
I)在氢气或氢气、氮气、氨气三种气体混合气氛下，对衬底进行热处理。
[0005]2)在热处理后衬底上，依次生长低温AlxGahN (O^x^ I)缓冲层，非掺氮化镓层，N型氮化镓层，多量子阱发光层以及P型氮化镓层。
[0006]3)其中在N型氮化镓生长过程中插入至少插入一个InyGahyNAlN复合层(O
<y彡1)，在P型氮化镓层的生长过程中插入至少插入一个AlN/InzGai_zN复合层(O
<z ^ I)。
[0007]进一步地，N型氮化镓层中不同位置InyGai_yN/AlN复合层和P型氮化镓层中不同位置AlN/InzGai_zN复合层，In浓度保持不变(即y、z保持恒定)，或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
[0008]进一步地，N型氮化镓层中不同位置IriyGanN/AlN复合层和P型氮化镓层中不同位置AlN/InzGai_zN复合层，In浓度采用温度或/和TMIn通入量进行控制。
[0009]进一步地，N型氮化镓层中不同位置IriyGanN/AlN复合层和P型氮化镓层中不同位置AlN/InzGai_zN复合层，InGaN或AlN厚度保持恒定或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状等分布。
[0010]进一步地，N型氮化镓层中InyGai_yN/AlN复合层和P型氮化镓层中AlN/InzGai_zN复合层中AlN插入层可以用AlGaN或Al InGaN或Al InN替代。
[0011]进一步地，所述N型氮化镓层被InyGai_yN/AlN复合层间隔开的同一子层之内、不同子层之间的Si掺浓度保持恒定或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
[0012]进一步地，所述P型氮化镓层被AlN/InzGai_zN复合层间隔开的同一子层之内、不同子层之间的Mg掺浓度保持恒定或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
[0013]本发明提供一种具有高效率二维电子气的发光二极管外延片结构，其技术效果至少包括:利用在N型氮化镓生长过程中插入多层InyGai_yN/AlN复合层(O < y彡1)，在P型氮化镓层的生长过程中插入多层AlN/InzGai_zN复合层(O < z ^ 1)，复合层中AlN部分抬高了势垒，形成了载流子阻挡层；InyGai_yN层降低了势垒，形成了载流子俘获层，使在N型氮化镓层与P型氮化镓层中形成浓度相对更高、分布更加集中的二维电子气。
[0014]本发明利用不同材料的禁带宽度不同，在N型氮化镓层和P型氮化镓层中同时形成高势垒阻挡层和载流子俘获层，在相同的掺杂浓度条件下，形成的二维电子气浓度更高，分布更加集中，大大提升电流扩展能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明发光二极管外延结构图。
[0016]图2为图1中的N型氮化镓层4结构放大示意图。
[0017]图3为图1中的P型氮化镓层6结构放大示意图。
[0018]图4为本发明中N型氮化镓、P型氮化镓层中二维电子气示意图。
[0019]图中标示:其中I为衬底，2为低温氮化镓缓冲层，3为非掺氮化镓层，4为N型氮化镓层，5为多量子阱发光层，6为P型氮化镓层，其中A1-An为N型氮化镓层中InyGai_yN插入层、B1-Bn为N型氮化镓层中AlN插入层，其中C1-Cn为P型氮化镓层中InzGa^N插入层、D1-Dn为AlN插入层。
【具体实施方式】
[0020]为使本发明更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明，但需要说明的是以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
实施例
[0021]图1为本发明中设计的一种具有高效率二维电子气发光二极管外延片结构示意图，由下至上依次包括:(1)蓝宝石衬底I ; (2) AlxGahN缓冲层2，可以为氮化镓、氮化铝或铝镓氮结合，膜厚在l(Tl00nm之间；(3)非掺氮化镓层3，厚度在50(T5000nm之间，优选1500nm ; (4) N型氮化镓层4，在N型氮化镓层中生长InyGai_yN/AlN复合层，(5)多量子阱发光层5，以InGaN作为阱层、以GaN或AlGaN或二者组合作为垒层构成，其中垒层厚度在5(Tl50nm之间、阱层厚度在f 20nm之间，生长多个循环结构过程有源区；(6)P型氮化镓层6，膜厚在20nnT2000nm之间，优选200nm ; (7 )在P型氮化镓层中生长AlN/InzGai_zN复合层。
[0022]图2为本发明制作一种发光二极管外延片N型氮化镓层4结构示意图，其中在N型氮化镓层中插入多层InyGai_yN/AlN复合结构，其中A1-AnS InyGahyN,作为电子俘获层可采用In流量或/和温度控制组分InGaN中In组分，优选流量控制，插入层厚度控制在l(T50nm之间，其中O < y < I中，优选η介于5?20之间；Α1Ν作为电子阻挡层，生长条件可与N型氮化镓生长条件一致，优选厚度5?25nm。
[0023]图3为本发明制作一种发光二极管外延片P型氮化镓层5结构示意图，其中在P型氮化镓层中插入多层AlN/InzGai_zN复合层，其中D1-Dn为P型氮化镓层中InzGa1=N层，作为空穴俘获层，作为空穴俘获层可采用In流量或温度控制组分InGaN中In组分，优选流量控制，插入层厚度控制在l(T50nm之间，η介于5?20之间；Α1Ν作为电子阻挡层，生长条件可采用与P型氮化镓生长条件一致，优选厚度5?25nm。
[0024]作为本发明的一个具体实施例，本发明利用InGaN材料禁带宽度小于GaN材料，AlN材料禁带宽度大于GaN材料的特征，在N型氮化镓层中和P型氮化镓层中分别形成InyGa1^yNAlN, AlN/InzGai_zN复合结构，利用复合结构形成载流子俘获层和阻挡层，从而形成分布集中，浓度较高的二维电子气，如图4所示，对电流扩展和提高反向抗静电能力有较明显效果。
[0025]作为本实施例中第一个实施例变形，N型氮化镓层中被复合插入层隔开的不同子层之间Si掺浓度呈现依次递增、P型氮化镓层中被复合插入层隔开的不同子层之间Mg掺浓度呈现依次递减；从而在靠近多量子发光层位置形成较高浓度的二维电子气，提升性能。
[0026]作为本实施例中第二个实施例变形，N型氮化镓层中被复合插入层隔开的同一子层之内，Si掺浓度从前一个插入层至下一个插入层之间呈现依次递增，P型氮化镓层中被复合插入层隔开的同一子层之内Mg掺浓度从前一个插入层至下一个插入层之间呈现依次递减，从而在靠近载流子俘获层位置获得较高的掺杂浓度，从而进一步提升二维电子气浓度。
[0027]作为本实施例中第三个实施例变形，N型氮化镓和P型氮化镓层中的电子阻挡层采用AlGaN层替代，通过优化AlGaN电子阻挡层中Al组分，可以减少插入层与氮化镓层之间的晶格失配，提闻材料质量。
【权利要求】
1.一种发光二极管外延片结构，由下至上包括:衬底、N型氮化镓层、多量子讲发光层以及P型氮化镓层，其特征在于:在所述N型氮化镓层中至少插入一个InyGai_yN/AlN复合层(O < y彡I),在所述P型氮化镓层中至少插入一个AlNAnzGahN复合层(O < z彡I)。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述复合层中的AlN靠近多量子阱发光层。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:插入所述N型氮化镓层中的InyGai_yN/AlN复合层(O < y ^ I)个数为5?20，插入所述P型氮化镓层中的AlN/InzGai_zN 复合层(O < z ( I)个数为 5?20。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:在所述衬底与N型氮化镓层之间还设置有AlxGahN (O彡I)缓冲层或/和非掺杂氮化镓层。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述N型氮化镓层中不同位置InyGai_yN/AlN复合层和P型氮化镓层中不同位置AlN/InzGai_zN复合层，In浓度保持不变(即1、z保持恒定)，或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
6.根据权利要求5所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述In浓度通过温度或/和TMIn通入量进行控制。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述复合层中的InGaN或AlN厚度保持恒定或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述N型氮化镓层中InyGai_yN/AlN复合层和P型氮化镓层中AlN/InzGai_zN复合层中AlN插入层用AlGaN或AlInGaN 或 AlInN 替代。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述N型氮化镓层被InyGai_yN/AlN复合层间隔开的同一子层之内、不同子层之间的Si掺浓度保持恒定或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延片结构，其特征在于:所述P型氮化镓层被AlN/InzGai_zN复合层间隔开的同一子层之内、不同子层之间的Mg掺浓度保持恒定或呈现依次线性递增或递减、或呈锯齿、矩形、高斯分布、阶梯状分布。
【文档编号】H01L33/14GK104377283SQ201410695201
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】舒立明, 张东炎, 刘晓峰, 刘志彬, 王良钧, 王笃祥 申请人:天津三安光电有限公司