CN103035805A

CN103035805A - 一种发光二极管外延片及其制备方法

Info

Publication number: CN103035805A
Application number: CN2012105409203A
Authority: CN
Inventors: 万林; 魏世祯
Original assignee: HC Semitek Corp
Current assignee: HC Semitek Zhejiang Co Ltd
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN103035805B

Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于二极管技术领域。所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；N型扩展层是由若干第一子层和若干第二子层交替形成的超晶格结构；第一子层采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1；第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。本发明通过增加一层N型扩展层，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以提升发光二极管的内量子效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

发光二极管芯片是一种可以直接把电转化为光的固态半导体器件，是发光二极管的核心组件。发光二极管芯片包括GaN基的外延片、以及在外延片上制作的电极。

现有的外延片通常包括衬底层、以及依次覆盖在衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、多量子阱层和P型层。其中，衬底层为蓝宝石衬底。多量子阱层是若干量子阱层和若干量子垒层交替形成的。

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：

由于电子质量小，易迁移，在电场的驱动下可能速度过快而越过多量子阱层，迁移到P型层，导致发光二极管漏电，降低了发光二极管的发光效率。另外，GaN和蓝宝石衬底之间的晶格常数较大，热膨胀系数失配，界面处会产生较强的应力作用和大量的位错和缺陷，这些位错和缺陷将延伸至外延片表面，影响了发光二极管的内量子效率。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种发光二极管外延片，所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；所述N型扩展层是由若干第一子层和若干第二子层交替形成的超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1；所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。

可选地，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一侧，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

可选地，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

具体地，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种：均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。

其中，所述第一子层中Al的浓度为1%～30%。

其中，所述第一子层和所述第二子层的厚度均为1～10nm。

另一方面，提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括依次在衬底层上生长缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；生长所述N型扩展层为在所述N型接触层上交替生长若干第一子层和若干第二子层，形成超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1；所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。

可选地，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一层，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过在N型接触层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0<x<1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。

附图说明

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。

图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的扩展层中Al的浓度层间均匀减小的分布图；

图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片制备方法的流程图；

图4是本发明实施例三提供的扩展层中Al的浓度层内均匀增大的分布图；

图5是本发明实施例三提供的扩展层中Al的浓度层内均匀减小的分布图；

附图中各部分标号如下：

1衬底层，2缓冲层，3非掺杂的GaN层，4N型接触层，5N型扩展层，6多量子阱层，7P型层，a第一子层，b第二子层。

具体实施方式

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。

实施例一

参见图1，本发明实施例一提供了一种发光二极管外延片，该外延片包括衬底层1、以及依次覆盖在衬底层1上的缓冲层2、非掺杂的GaN层3、N型接触层4、N型扩展层5、多量子阱层6和P型层7。

其中，结合图2，N型扩展层5是由若干第一子层a和若干第二子层b交替形成的超晶格结构。第一子层a采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1。第二子层b采用N型掺杂的GaN作为生长材料。

具体地，每层第一子层a中Al的浓度为定值且各层第一子层a中Al的浓度不同，从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。

更具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中一种：均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。如N型扩展层4是由十层第一子层a和十层第二子层b交替形成，每层第一子层a中Al的浓度为定值且各层第一子层a中Al的浓度不同，从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度均匀减小，依次为15%、13.5%、12%、10.5%，…，1.5%（见图2）。

具体地，第一子层a中Al的浓度为1%～30%。

具体地，第一子层a和第二子层b的厚度均为1～10nm。

本发明实施例一提供的技术方案带来的有益效果是：通过在N接触型层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0<x<1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。

实施例二

参见图3，本发明实施例二提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于实施例一提供的一种发光二极管外延片，该方法包括：

201：在衬底层1上生长缓冲层2。

具体地，在625℃温度下，在衬底层1上生长一层厚度为30nm的GaN。

容易知道，在该步骤之前，该方法还包括：清洁衬底层1表面。

具体地，将衬底层1在1300℃的H₂气氛下进行热处理10分钟，清洁表面。

202：生长非掺杂的GaN层3。

具体地，将温度升至1230℃，在缓冲层2上生长一层厚度为2μm的非掺杂的GaN。

203：生长N型接触层4。

具体地，在非掺杂的GaN层3上生长一层厚度为2μm的Si掺杂的GaN。

容易知道，N型接触层4也可以采用其它掺杂，并不限于Si掺杂。

204：生长N型扩展层5。

具体地，在N型接触层4上交替生长十层第一子层a和十层第二子层b，形成超晶格结构，生长温度为1220℃。第一子层a的厚度为2.5nm，采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1。第二子层b的厚度为2nm，采用N型掺杂的GaN作为生长材料。

其中，第一子层a和第二子层b的厚度为1～10nm，2.5nm和2nm在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。

其中，每层第一子层a中Al的浓度都为1%～30%之间的定值且各层第一子层a中Al的浓度不同，从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。

具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种：均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。如从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度均匀减小，依次为15%、13.5%、12%、10.5%，…，1.5%。

需要说明的是，第一子层a和第二子层b的层数、以及生长温度在此仅为举例，并不作为对本发明的限制，其可以根据实际需要设置。

205：生长多量子阱层6。

具体地，在N型扩展层5上交替生长八层量子阱层和八层量子垒层。量子阱层的厚度为3nm，采用InGaN作为生长材料，生长温度为850℃。量子垒层的厚度为12nm，采用GaN作为生长材料，生长温度为950℃。

206：生长P型层7。

具体地，在多量子阱层6上生长一层厚度为300nm的P型掺杂的GaN。

在具体实现中，本发明实施例二可以采用高纯H₂或者N₂作为载气，采用TMGa、TMAl、TMIn和NH₃分别作为Ga源、Al源、In源和N源，采用分别SiH₄和Cp₂Mg作为N型和P型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。

本发明实施例二提供的技术方案带来的有益效果是：通过在N型接触层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0<x<1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。

实施例三

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，该外延片的结构与实施例一中的外延片的结构基本相同，不同之处在于，结合图4和图5，若干第一子层a中Al的浓度是相同的，每层第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。

具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种：均匀增大（见图4）、均匀减小（见图5）、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。

本发明实施例三提供的技术方案带来的有益效果是：通过在N接触型层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0<x<1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。

实施例四

本发明实施例四提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于实施例三提供的一种发光二极管外延片，该方法包括：

401：在衬底层1上生长缓冲层2。

402：生长非掺杂的GaN层3。

403：生长N型接触层4。

404：生长N型扩展层5。

405：生长多量子阱层6。

406：生长P型层7。

其中，步骤404为在N型接触层4上交替生长十层第一子层a和十层第二子层b，形成超晶格结构，生长温度为1220℃。第一子层a的厚度为2.5nm，采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1。第二子层b的厚度为2nm，采用N型掺杂的GaN作为生长材料。若干第一子层a中Al的浓度是相同的，每层第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。

具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种：均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。如每层第一子层a中Al的浓度从1%均匀增大到15%或者从15%均匀减小到1%。

其中，第一子层a和第二子层b的厚度为1～10nm，第一子层a中Al的浓度为1%～30%，2.5nm、2nm、1%、以及15%在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。

其中，步骤401～403、步骤405～406分别与步骤201～203、步骤205～206相同，在此不再详述。

本发明实施例四提供的技术方案带来的有益效果是：通过在N型接触层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0<x<1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

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。

Claims

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；所述N型扩展层是由若干第一子层和若干第二子层交替形成的超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1；所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一侧，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

4.根据权利要求2或3所述的外延片，其特征在于，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种：均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。

5.根据权利要求1～3所述的外延片，其特征在于，所述第一子层中Al的浓度为1%～30%。

6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的厚度均为1～10nm。

7.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括依次在衬底层上生长缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；生长所述N型扩展层为在所述N型接触层上交替生长若干第一子层和若干第二子层，形成超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的Al_xGa_1-xN作为生长材料，0<x<1；所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一侧，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种：均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。