一种欧姆接触层、发光二极管外延片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种欧姆接触层、发光二极管外延片及其制备方法。


背景技术：

2.随着目前，gan基发光二极管已经大量应用于固态照明领域以及显示领域，吸引着越来越多的人关注。gan 基发光二极管已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用。
3.led的欧姆接触特性对发光二极管的发光效率和工作电压有很大的影响。而在p型掺杂中mg的激活能高，导致空穴浓度低，而很难形成p型欧姆接触。
4.现如今，led常用的欧姆接触层是高掺mg的ingan结构，其会影响晶格质量，增加光的吸收，从而影响发光效率；并且有源层出射的光在经过欧姆接触层时，会被欧姆接触层吸收并反射部分，也会影响发光二极管的发光效率。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种欧姆接触层、发光二极管外延片及其制备方法，用于解决现有技术中欧姆接触层由于是高掺mg的ingan结构而导致发光二极管的发光效率低的技术问题。
6.本发明一方面提供一种欧姆接触层，用于发光二极管外延片，所述欧姆接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层以及第四子层；所述第一子层为inan
1-a
层，所述第二子层为h2处理层，所述第三子层包括周期性层叠的n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层，所述第四子层包括周期性层叠的掺杂mg的gan层与n极性面inyga
1-y
n层。
7.另外，根据本发明上述的欧姆接触层，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，所述inan
1-a
层的厚度为3-8nm，0.2≤a≤0.3。
8.进一步地，所述n极性面in
x
ga
1-x
n层的厚度为0.5-2nm，0.1≤x≤0.2，所述mgzn
1-z
层的厚度为3-6nm，0.2≤z≤0.3，所述第三子层的周期数为1-6。
9.进一步地，所述掺杂mg的gan层的厚度为1-2nm，所述n极性面inyga
1-y
n层的厚度为1-2nm，0.01≤y≤0.1，所述第四子层的周期数为1-6。
10.本技术另一方面提供一种发光二极管外延片，包括上述的欧姆接触层，还包括依次层叠的衬底、缓冲层、不掺杂的u-gan层、n型gan层、多量子阱有源层、电子阻挡层以及p型gan层，所述欧姆接触层层叠于所述p型gan层上。
11.本技术另一方面还提供一种发光二极管外延片制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，所述方法包括：获取一衬底；在所述衬底上依次生长缓冲层、不掺杂的u-gan层、n型gan层、多量子阱有源层、电
子阻挡层以及p型gan层；在所述p型gan层上依次生长第一子层、第二子层、第三子层以及第四子层以生成所述欧姆接触层；其中，所述第一子层为inan
1-a
层，所述第二子层为h2处理层，所述第三子层包括周期性层叠的n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层，所述第四子层包括周期性层叠的掺杂mg的gan层与n极性面inyga
1-y
n层。
12.另外，根据本发明上述的发光二极管外延片制备方法，还可以具有如下附加的技术特征：进一步地，在生长所述第一子层时，控制生长温度为700-800℃，控制生长压力为300-600torr，打开in源及n源，在纯n2的载气下生长inan
1-a
层；其中，所述inan
1-a
层的厚度为3-8nm，0.2≤a≤0.3。
13.进一步地，在生长所述第二子层时，控制生长温度为800-900℃，控制生长压力为300-600torr，关闭in源及n源，在纯h2或者n2/h2混合的载气下对所述第一子层进行刻蚀处理10~30s，以形成h2处理层。
14.进一步地，在生长所述第三子层时，所述方法包括：先控制生长温度为800-900℃，控制生长压力为300-600torr，控制v/iii比为500-1000，打开in源、ga源及n源，在纯n2的载气下生长一层n极性面in
x
ga
1-x
n层；再控制生长温度为800-900℃，控制生长压力为300-600torr，控制v/iii比为500-1000，关闭in源及ga源，并打开mg源及n源，在纯n2的载气下生长一层mgzn
1-z
层；其中，所述n极性面in
x
ga
1-x
n层的厚度为0.5-2nm，0.1≤x≤0.2，所述mgzn
1-z
层的厚度为3-6nm，0.2≤z≤0.3，所述第三子层的周期数为1-6。
15.进一步地，在生长所述第四子层时，所述方法包括：先控制生长温度为950-1000℃，控制生长压力为100-200torr，控制v/iii比为100-300，打开mg源、ga源及n源，在n2/h2混合的载气下生长一层掺杂mg的gan层；再控制生长温度为950-1000℃，控制生长压力为100-200torr，控制v/iii比为500-1000，关闭mg源，并打开in源、ga源及n源，在n2/h2混合的载气下生长一层n极性面inyga
1-y
n层；其中，所述n极性面inyga
1-y
n层的厚度为1-2nm，0.01≤y≤0.1，所述掺杂mg的gan层的厚度为1-2nm，所述第四子层的周期数为1-6。
16.上述欧姆接触层、发光二极管外延片及其制备方法，具有如下有益效果：1、先在p型gan层上低温生长一层inan
1-a
层的作为第一子层，从而形成高in组分的外延层，再对第一子层进行刻蚀处理形成h2处理层作为第二子层；由于in原子比较大，h2会对in原子进行破坏进而具有刻蚀作用，因此会在表面形成较多凹凸不平的孔洞，从而降低光的吸收，提高发光效率。
17.2、继续在所述第二子层上周期性层叠n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层作为第三子层；首先，在生长n极性面in
x
ga
1-x
n层时，保持较高的v/iii比，形成具有n极性面的凹凸不平的表面，此时，mg原子更容易占据ga空位，进而有利于增加mg的有效掺杂，并且由于in和mg的相互扩散，in原子有利于降低mg的激活能，从而能够增加空穴浓度；其次，mgzn
1-z
层有利于欧姆接触，可以降低工作电压；另一方面，mgzn
1-z
层生长在凹凸不平的n极性面in
x
ga
1-x
n层
上，界面处粗糙度大幅增加，有利于增加n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层界面处的漫反射，并且周期性循环结构更有利于破坏光线在led内部的全反射，从而增加出光效率，另外由于h2不利于三维粗化生长，故在生长第三子层时不通入h2。
18.3、最后在第三子层上生长周期性层叠的掺杂mg的gan层和n极性面inyga
1-y
n层作为第四子层；首先，控制较高温度并通入h2，使得第四子层进行二维生长作为盖层填平外延层表面，从而有利于生长出晶格质量好的外延层；其次，还能进一步增加欧姆接触，从而有利于降低工作电压；另一方面，通过保持较高的v/iii比，从而获得n极性面inyga
1-y
n层，n极性面inyga
1-y
n层中in原子和掺杂mg的gan层中的mg原子互相扩散，由于mg更好地取代ga位，能够减少mg-h，从而提高了mg的活化性能和掺杂浓度，同时利用in扩散至掺杂mg的gan层，可以降低mg的激活能，增加空穴浓度，从而提升发光效率。
附图说明
19.图1为本发明中发光二极管外延片的结构示意图；主要元件符号说明：如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
20.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
22.为了解决现有技术中欧姆接触层由于是高掺mg的ingan结构而导致发光二极管的发光效率低的技术问题，本技术提出一种欧姆接触层、发光二极管外延片及其制备方法，具体的：本发明一方面提供一种欧姆接触层，用于发光二极管外延片，所述欧姆接触层包括依次层叠的第一子层、第二子层、第三子层以及第四子层；所述第一子层为inan
1-a
层，所述第二子层为h2处理层，所述第三子层包括周期性层叠的n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层，所述第四子层包括周期性层叠的掺杂mg的gan层与n极性面inyga
1-y
n层。
23.在一些可选实施例中，所述inan
1-a
层的厚度为3-8nm，0.2≤a≤0.3。
24.在一些可选实施例中，所述n极性面in
x
ga
1-x
n层的厚度为0.5-2nm，0.1≤x≤0.2，
所述mgzn
1-z
层的厚度为3-6nm，0.2≤z≤0.3，所述第三子层的周期数为1-6。
25.在一些可选实施例中，所述掺杂mg的gan层的厚度为1-2nm，所述n极性面inyga
1-y
n层的厚度为1-2nm，0.01≤y≤0.1，所述第四子层的周期数为1-6。
26.本技术另一方面提供一种发光二极管外延片，包括上述的欧姆接触层，还包括依次层叠的衬底、缓冲层、不掺杂的u-gan层、n型gan层、多量子阱有源层、电子阻挡层以及p型gan层，所述欧姆接触层层叠于所述p型gan层上。
27.本技术另一方面还提供一种发光二极管外延片制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，所述方法包括：获取一衬底；在所述衬底上依次生长缓冲层、不掺杂的u-gan层、n型gan层、多量子阱有源层、电子阻挡层以及p型gan层；在所述p型gan层上依次生长第一子层、第二子层、第三子层以及第四子层以生成所述欧姆接触层；其中，所述第一子层为inan
1-a
层，所述第二子层为h2处理层，所述第三子层包括周期性层叠的n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层，所述第四子层包括周期性层叠的掺杂mg的gan层与n极性面inyga
1-y
n层。
28.在一些可选实施例中，在生长所述第一子层时，控制生长温度为700-800℃，控制生长压力为300-600torr，打开in源及n源，在纯n2的载气下生长inan
1-a
层；其中，所述inan
1-a
层的厚度为3-8nm，0.2≤a≤0.3。
29.在一些可选实施例中，在生长所述第二子层时，控制生长温度为800-900℃，控制生长压力为300-600torr，关闭in源及n源，在纯h2或者n2/h2混合的载气下对所述第一子层进行刻蚀处理10~30s，以形成h2处理层。
30.在一些可选实施例中，在生长所述第三子层时，所述方法包括：先控制生长温度为800-900℃，控制生长压力为300-600torr，控制v/iii比为500-1000，打开in源、ga源及n源，在纯n2的载气下生长一层n极性面in
x
ga
1-x
n层；再控制生长温度为800-900℃，控制生长压力为300-600torr，控制v/iii比为500-1000，关闭in源及ga源，并打开mg源及n源，在纯n2的载气下生长一层mgzn
1-z
层；其中，所述n极性面in
x
ga
1-x
n层的厚度为0.5-2nm，0.1≤x≤0.2，所述mgzn
1-z
层的厚度为3-6nm，0.2≤z≤0.3，所述第三子层的周期数为1-6。
31.在一些可选实施例中，在生长所述第四子层时，所述方法包括：先控制生长温度为950-1000℃，控制生长压力为100-200torr，控制v/iii比为100-300，打开mg源、ga源及n源，在n2/h2混合的载气下生长一层掺杂mg的gan层；再控制生长温度为950-1000℃，控制生长压力为100-200torr，控制v/iii比为500-1000，关闭mg源，并打开in源、ga源及n源，在n2/h2混合的载气下生长一层n极性面inyga
1-y
n层；其中，所述n极性面inyga
1-y
n层的厚度为1-2nm，0.01≤y≤0.1，所述掺杂mg的gan层的厚度为1-2nm，所述第四子层的周期数为1-6。
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将以具体实施例及结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地详细描述。
33.实施例1请参阅图1，所示本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，在本实施例中，采用veeco c4 mocvd(metal organic chemical vapor 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n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，三甲基铝（tmal）作为铝源，二茂镁（cp2mg）作为p型掺杂剂。
34.该外延片包括一种衬底1、以及在所述衬底上依次生长的缓冲层2、不掺杂的u-gan层3、掺杂si的n型gan层4、多量子阱有源层5、电子阻挡层6、p型gan层7和欧姆接触层8；具体的，该外延片的制备方法包括：步骤s101：提供一种衬底；本实施例中选择蓝宝石衬底。首先控制反应室温度为1000℃～1200℃，在h2气氛下对衬底进行5-8min的高温退火，清洁衬底表面的颗粒和氧化物；步骤s102：在衬底上生长缓冲层，本实施例中，选择缓冲层材料为algan。本层主要用于提供晶种，缓解衬底和外延层的晶格失配，提升外延片晶格质量。
35.具体地：首先将反应室温度控制在500℃～700℃，压力为200～400torr，石墨基座转速为500-1200r/min，通入nh3提供n源，n2和h2做载气，通入tmga作为ga源，通入tmal作为al源，本实施例中生长厚度为50nm的algan材料作为缓冲层。
36.步骤s103：在缓冲层上生长不掺杂的u-gan层。
37.具体地：将反应室的温度控制在1100℃～1150℃，压力为100～500torr；石墨基座转速控制在500-1200r/min，通入nh3作为n源，n2和h2做载气，通入tmga作为ga源，本实施例中，生长厚度为400nm的gan层。
38.步骤s104：生长掺杂si的n型gan层，本层主要提供电子。
39.具体生长过程：将反应室的温度控制在1100℃～1150℃，压力为100～500torr；石墨基座转速控制在500-1200r/min，通入nh3作为n源，n2和h2做载气，通入流量为200-1000sccm的tmga作为ga源，生长厚度可以为2μm的gan层，通入sih4作为n型掺杂；步骤s105：在n型gan层上生长多量子阱有源层，多量子阱有源层为发光二极管发光的核心结构。
40.所述多量子阱有源层是由量子阱层生长前插入层、ingan量子阱层、量子阱层生长后插入层和gan量子垒层交替层叠的周期性结构，所述多量子阱有源层的周期数可以为3-15，本实施例选为10；整个多量子阱有源层生长过程中，控制反应室压力为100～500torr，承载衬底的石墨基座转速为600-1000r/min；先生长所述量子阱层，控制反应室温度为700-800℃，载气为n2，h2关闭，nh3提供n源，通入ga源和in源，其中，ga源可为tega，in源可为tmin，本实施例中ingan量子阱层厚度为3nm；然后生长所述量子垒层，控制反应室温度为830～950℃，关闭in源，通入tega作为ga源，本实施例中控制gan量子垒层厚度可以为10nm；量子阱层和量子垒层重复层叠周期性生长。
41.步骤s106：生长电子阻挡层，主要作用是阻挡电子，防止电子溢流；
所述电子阻挡层为algan和ingan交替生长的周期性结构，周期数可以为3-15，本实施例选为8；首先，控制反应室生长温度为900～1000℃，压力为100～500torr，承载衬底的石墨基座转速为600-1200r/min，其中，n源可为nh3，ga源可为tmga，al源可为tmal，本实施例子，algan层可以为8nm；然后,关闭al源，继续通入ga源，打开in源，本实施例中，单个ingan层为6nm；algan层和ingan层重复层叠生长；步骤s107：在电子阻挡层上生长p型gan层，p型层主要提供空穴；所述p型gan层生长温度约为800～1000℃，生长压力为100～300torr，承载衬底的石墨盘转速控制在800-1200r/min，通入nh3做为n源，ga源可以为tmga，通入cp2mg作为p型掺杂剂，其中mg的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3-5
×
10
19
cm-3
，使得生长出掺mg的gan层，本实施例中，掺mg的gan层厚度为4nm；步骤s108：在p型gan层上生长欧姆接触层，欧姆接触层包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层及第四子层；生长第一子层inn层：控制反应室温度为700-800℃，压力为300-600torr，只通入n2做载气，不通入h2，通入nh3做为n源，打开tmin做in源，在本实施例中，生长厚度为5nm的inn层；第二子层为h2处理层：控制生长温度从700-800℃升高至800-900℃，保持压力不变，关闭tmin，打开h2，本实施例中，处理时间为15s；第三子层为ingan薄层/mgn层组成的周期性结构：保持温度和压力不变，关闭h2，打开tmin作为in源，打开tega作为ga源，控制v/iii比为500-1000之间，在本实施例中，ingan层的生长厚度为1nm。然后关闭in源和ga源，其他条件不变，打开cp2mg作为mg源，生长厚度为4nm的mgn层，然后层叠周期性生长第三子层，本实施例中，生长周期为4。
42.第四子层为掺杂mg的gan层和高v/iii比ingan层组成的周期性结构：控制反应腔温度升高至950-1000℃，生长压力设置为100-200torr，通入h2和n2同时作载气，同时通入mg源和ga源，控制v/iii比在100-300，本实施例中生长1.5nm的掺杂mg的gan层；然后关闭mg源，同时通入in源和ga源，控制v/iii比为500-1000，本实施例中生长1.5nm的ingan层，生长周期为4。
43.如表1所示，为通过本技术实施例1的发光二极管外延片制备方法得到2组发光二极管外延片中的欧姆接触层的结构数据以及传统方法制备得到的2组发光二极管外延片中的欧姆接触层的结构数据。
44.表1.欧姆接触层的结构数据
由上表可得，使用本发明提出的发光二极管外延片制备方法制备得到的发光二极管外延片中的欧姆接触层，相对传统制备方法得到的发光二极管外延片中的欧姆接触层，具有更好的发光强度和更低的工作电压。
45.综上，本技术的欧姆接触层、发光二极管外延片及其制备方法，具有如下有益效果：1、先在p型gan层上低温生长一层inan
1-a
层的作为第一子层，从而形成高in组分的外延层，再对第一子层进行刻蚀处理形成h2处理层作为第二子层；由于in原子比较大，h2会对in原子进行破坏进而具有刻蚀作用，因此会在表面形成较多凹凸不平的孔洞，从而降低光的吸收，提高发光效率。
46.2、继续在所述第二子层上周期性层叠n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层作为第三子层；首先，在生长n极性面in
x
ga
1-x
n层时，保持较高的v/iii比，形成具有n极性面的凹凸不平的表面，此时，mg原子更容易占据ga空位，进而有利于增加mg的有效掺杂，并且由于in和mg的相互扩散，in原子有利于降低mg的激活能，从而能够增加空穴浓度；其次，mgzn
1-z
层有利于欧姆接触，可以降低工作电压；另一方面，mgzn
1-z
层生长在凹凸不平的n极性面in
x
ga
1-x
n层上，界面处粗糙度大幅增加，有利于增加n极性面in
x
ga
1-x
n层与mgzn
1-z
层界面处的漫反射，并且周期性循环结构更有利于破坏光线在led内部的全反射，从而增加出光效率，另外由于h2不利于三维粗化生长，故在生长第三子层时不通入h2。
47.3、最后在第三子层上生长周期性层叠的掺杂mg的gan层和n极性面inyga
1-y
n层作为第四子层；首先，控制较高温度并通入h2，使得第四子层进行二维生长作为盖层填平外延层表面，从而有利于生长出晶格质量好的外延层；其次，还能进一步增加欧姆接触，从而有利于降低工作电压；另一方面，通过保持较高的v/iii比，从而获得n极性面inyga
1-y
n层，n极性面inyga
1-y
n层中in原子和掺杂mg的gan层中的mg原子互相扩散，由于mg更好地取代ga位，能够减少mg-h，从而提高了mg的活化性能和掺杂浓度，同时利用in扩散至掺杂mg的gan层，可以降低mg的激活能，增加空穴浓度，从而提升发光效率。
48.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
49.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。