一種發光二極管外延片結構及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件領域，尤其涉及一種發光二極管的外延結構及制備方法。
【背景技術】
[0002]發光二極管(英文為Light Emitting D1de，縮寫為LED)是一種半導體固體發光器件，其利用半導體PN結作為發光結構，目前氮化鎵(GaN)被視為第三代半導體材料，具備InGaN/GaN有源區的氮化鎵基發光二極管被視為當今最有潛力的發光源。
[0003]在傳統的氮化鎵基二極管外延片結構中，N型區和P型區往往采用均摻結構或摻雜層與非摻層構成超晶格結構，均摻結構電流擴展能力較弱，抗靜電能力和反向漏電性能較差；超晶格結構優于均摻結構，但在實際外延制備過程中，由于高溫下的擴散影響，摻雜源會向非摻雜層擴散，造成二維電子氣集中度無法達到設計要求。

【發明內容】

[0004]本發明提供一種發光二極管外延片結構及制備方法，包括以下技術方案:
1)提供一襯底；
2)在襯底上依次生長緩沖層、非摻氮化鎵層、N型區、多量子阱有源區、電子阻擋層、P型區以及P型接觸層；
3)其特征在于:分別采用NGaN/N-UGaN和PGaN/P-UGaN的超晶格結構形成N型區和P型區，在N型區的NGaN與N-UGaN之間插入SiN層，在P型區的PGaN與P_UGaN之間插入MgN 層。
[0005]進一步地，外延結構中N型區NGaN與N-UGaN之間插入SiN層，SiN層厚度為0.0001~10nm ;外延結構中P型區的PGaN與P_UGaN之間插入MgN層，MgN層厚度為0.0001?10nm。
[0006]進一步地，外延結構中任一 NGaN層、N-UGaN層、PGaN層、P-UGaN層分別用NAlxInyGai x yN^N-UAlxInyGai x yN 層、PAlxInyGai x yN 層、P-UAlxIriyGa! x yN 層替換(0 彡 x 彡 1，0 ^ y ^ I)。
[0007]進一步地，外延結構中N型區和P型區中的超晶格loop (循環)數至少是1個。
[0008]進一步地，在所述外延結構中N型區內的N-UGaN層和P型區內的P_UGaN層分別插入SiN層與MgN層。
[0009]進一步地，外延結構中N型區內的SiN層、P型區內的MgN層厚度保持一致，或依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布。
[0010]進一步地，外延結構中N型區和P型區中的NGaN層、N-UGaN層、PGaN層、P-UGaN層單層厚度小于5 μ m。
[0011]進一步地，外延結構中N型區和P型區中不同loop內的NGaN層、N-UGaN層、PGaN層、P-UGaN層厚度保持一致或依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布。
[0012]進一步地，所述外延結構中N型區內的Si摻濃度、P型區內的Mg摻濃度保持一致，或依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布。
[0013]本發明提供發光二極管外延片結構及制備方法，其優點包括:藉由超晶格結構N型區的NGaN與N-UGaN之間插入SiN層、超晶格結構P型區的PGaN與P_UGaN之間插入MgN層，一定厚度的SiN和MgN插入層發揮修復位錯的作用。在同位錯級別條件下具備摻入更高濃度的Si和Mg的能力，且SiN和MgN構成的較薄掩膜層對電子和空穴具備一定的束縛能力，可提高二維電子氣的存在集中度，增強抗靜電能力。
[0014]該生長模式利用M0CVD等常規外延薄膜生長設備即可完成，且僅通過更改外延層結構即可達到發明目的，具有較強的可操作性和較高的商業價值。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明中一種氮化物發光二極管外延片結構示意圖。
[0016]圖中標示:1為襯底，2為緩沖層，3為非摻氮化鎵層，4為N型區，5為多量子阱有源區，6為電子阻擋層，7為P型區，8為P型接觸層。
[0017]圖2為圖1中氮化物發光二極管外延片N型區結構示意圖。
[0018]圖中標示為摻Si的NGAN層，B 3?為非摻的N-UGAN層，C廣匕為SiN層，η為loop (循環)。
[0019]圖3為圖1中氮化物發光二極管外延片P型區結構示意圖。
[0020]圖中標示為摻Mg的PGAN層，E 3?為非摻的P-UGAN層，F 4?為MgN層，η為loop (循環)。
【具體實施方式】
[0021]為使本發明更易于理解其實質性特點及其所具的實用性，下面便結合附圖對本發明若干具體實施例作進一步的詳細說明，但需要說明的是以下關于實施例的描述及說明對本發明保護范圍不構成任何限制。
實施例
[0022]圖1為本發明中一種氮化物發光二極管外延片結構示意圖，本實施例中制備工藝由下至上依次包括:(1)藍寶石襯底1 ; (2 )低溫緩沖層2，可以為氮化鎵或氮化鋁或或鋁鎵氮或前述組合，膜厚在10~100nm之間；(3)非摻氮化鎵層3，膜厚在300~7000nm之間，優選3500nm ; (4) N型區4，采用超晶格結構，其中摻雜層為NGaN層，摻雜源為硅烷，摻雜濃度在1 X 1018~1 X 1020cm 3之間，優選2X 10 19cm 3;非摻雜層為N-UGaN層，即非摻雜氮化鎵層，其中NGaN層和N-UGaN層厚度均在5 μ m以內，優選0.2 μ m，在NGAN和N-UGaN生長層之間，保持生長溫度恒定，僅通入氨氣和硅烷生長SiN掩膜層，生長厚度0.0001~10nm之間，優選厚度0.05nm ;以上為一個循環(loop)，優選生長10個循環構成N型區，如圖2所示；(5)多量子阱有源區5，以InGaN作為阱層、以GaN或AlGaN或二者組合作為皇層構成，其中皇層厚度在50~150nm之間、講層厚度在l~20nm之間；(6)電子阻擋層6，為招鎵氮層，膜厚在l~100nm之間；(7) P型區7，采用超晶格結構，其中摻雜層為PGaN層，摻雜源為Mg源，摻雜濃度在1 X 1018~1 X 1021cm 3之間，優選3 X 10 19cm 3;非摻雜層為P-UGaN層，即非摻氮化鎵層，其中PGaN層和P-UGaN層厚度均在5 μ m以內，優選0.02 μ m，在PGaN和P-UGaN生長層之間，保持生長溫度恒定，僅通入氨氣和Mg源生長MgN掩膜層，生長厚度在0.0001~10nm之間，優選0.02nm ;以上為一個循環，優選生長10個循環構成P型區，如圖3所示；(8)高摻P型接觸層8，摻雜濃度大于1 X 1021cm 3，厚度小于0.05nm。
[0023]需要說明的是，上述外延結構中N型區和P型區中不同loop內的NGaN層、N-UGaN層、PGaN層、P-UGaN層厚度可以保持一致，也可以是依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布；N型區內的SiN層、P型區內的MgN層厚度可以保持一致，也可以是依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布；N型區內的Si摻濃度、P型區內的Mg摻濃度保持一致，也可以是依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布。
[0024]作為本發明的一個具體實施例，本發明通過分別在N型區和P型區中的超晶格生長層之間插入SiN和MgN掩膜層，在掩膜層后續GaN材料生長過程中會存在填充、橫向生長的過程，以降低超晶格中摻雜層的位錯密度，提高晶體質量或在同位錯條件下獲得更高的摻雜濃度；同時由于在僅通入氨氣條件下，GaN材料表面呈現氮極性，SiN和MgN以原位掩膜方式存在且厚度較薄；掩膜層會對電子和空穴起到一定的阻擋作用；提高二維電子氣的集中度，增強電流擴展能力。
[0025]作為本實施例中第一個實施例變形，在所述N型區、P型區超晶格結構生長過程中，N-UGaN層與P-UGaN層可采用非摻AlxInyGai x yN代替、NGaN層和PGaN層可采用摻雜的AlxInyGai x yN代替，A1組分和In組分可升高或降低勢皇高度，進一步提高二維電子氣濃度。
[0026]作為本實施例中第二個實施例變形，將SiN和MgN分別插入N型區內的N_UGaN層和P型區內的P-UGaN層中，以進一步降低靠近SiN和MgN掩膜層的摻雜濃度，降低Si與Mg的擴散，進一步提升二維電子氣集中度。
[0027]以上所述僅為本發明的優選實施方式，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改、潤飾和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進均視為在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種發光二極管，外延片結構包括: 襯底，依次形成于襯底上的緩沖層、非摻氮化鎵層、N型區、多量子阱有源區、電子阻擋層、P型區以及P型接觸層；其特征在于:分別采用NGaN/N-UGaN和PGaN/P-UGaN的超晶格結構形成N型區和P型區，在N型區的NGaN與N_UGaN之間插入SiN層，在P型區的PGaN與P-UGaN之間插入MgN層。2.根據權利要求1所述的一種發光二極管，其特征在于:所述SiN層厚度為0.0001~10nm， 所述MgN層厚度為0.0001~10nm。3.根據權利要求1所述的一種發光二極管，其特征在于:所述外延結構中NGaN層、N-UGaN 層、PGaN 層、P-UGaN 層分別用 NAlxInyGai x yN、N_U AlxInyGai x yN 層、P-AlxInyGai x yN層、P-UAlxIriyGa! x yN 層替換(0 ^ x ^ 1,0 ^ y ^ 1)。4.根據權利要求1所述的一種發光二極管，其特征在于:所述外延結構中N型區和P型區中的超晶格循環數至少是1個。5.根據權利要求1所述的一種發光二極管，其特征在于:在所述外延結構中N型區內的N-UGaN層和P型區內的P-UGaN層分別插入SiN層與MgN層。6.根據權利要求1所述的一種發光二極管，其特征在于:所述外延結構中N型區內的SiN層、P型區內的MgN層厚度保持一致、或依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布。7.根據權利要求1所述的一種發光二極管，其特征在于:所述外延結構中NGaN層、N-UGaN層、PGaN層、P-UGaN層厚度保持一致，或依次線性遞增或遞減、或呈鋸齒、矩形、高斯分布、階梯狀分布。8.一種發光二極管外延片結構的制備方法，包括: 1)提供一襯底； 2)在襯底上依次生長緩沖層、非摻氮化鎵層、N型區、多量子阱有源區、電子阻擋層、P型區以及P型接觸層；其特征在于:分別采用NGaN/N-UGaN、PGaN/P-UGaN的超晶格結構生長N型區和P型區，在N型區的NGaN與N-UGaN之間插入SiN層，在P型區的PGaN與P-UGaN之間插入MgN層。9.根據權利要求8所述的一種發光二極管外延片結構的制備方法，其特征在于:所述SiN層通過通入氨氣和硅烷生長獲得，所述MgN層通過通入氨氣和Mg源生長獲得。10.根據權利要求8所述的一種發光二極管外延片結構的制備方法，其特征在于:在所述外延結構中N型區內的N-UGaN層和P型區內的P-UGaN層分別插入SiN層與MgN層。
【專利摘要】本發明提供一種發光二極管外延片結構及制備方法，由下至上包括：襯底、緩沖層、非摻氮化鎵層、N型區、多量子阱有源區、電子阻擋層、P型區以及P型接觸層；其特征在于：分別采用NGaN/N-UGaN和PGaN/P-UGaN的超晶格結構形成N型區和P型區，在N型區的NGaN與N-UGaN之間插入SiN層，在P型區的PGaN與P-UGaN之間插入MgN層。本發明藉由一定厚度的SiN和MgN插入層發揮修復位錯的作用，在同位錯級別條件下具備摻入更高濃度的Si和Mg的能力，且SiN和MgN構成的較薄掩膜層對電子和空穴具備一定的束縛能力，可提高二維電子氣的存在集中度，增強抗靜電能力。
【IPC分類】H01L33/06
【公開號】CN105355738
【申請號】CN201510891232
【發明人】舒立明, 王良均, 劉曉峰, 張東炎, 葉大千, 王篤祥
【申請人】天津三安光電有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月30日