CN106876530A - 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管的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、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述外延片还包括层叠在所述N型GaN层和所述多量子阱层之间的电子改善层，所述电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。本发明通过AlGaN层调控电子注入多量子阱层的数量，石墨烯薄膜层提高载流子的平面铺展能力，对电子迅速进行横向铺展，调整电子在多量子阱层内的分布，改善电子注入多量子阱层的均匀性，减少电子溢流，增大多量子阱层的发光面积，提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能够将电能有效转化为光能的半导体器件，目前氮化镓基LED受到越来越多的关注和研究。
GaN基LED的外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层(英文：Multiple Quantum Well，简称：MQW)、P型AlGaN层、P型GaN层。当有电流通过时，N型GaN层的电子和P型GaN层的空穴进入多量子阱层复合发光。
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：
空穴的质量比电子大，迁移率和迁移速率都比电子低，而且P型GaN层中掺杂的Mg只有很少一部分可以活化，因此注入多量子阱层的空穴数量较少，电子在多量子阱层的数量偏多，容易产生溢流，减少电子和空穴的有效复合，降低发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术降低发光二极管的发光效率的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片，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GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述外延片还包括层叠在所述N型GaN层和所述多量子阱层之间的电子改善层，所述电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。
可选地，所述AlGaN层中掺杂有Si，Si的掺杂浓度小于1017cm-3。
可选地，所述AlGaN层为AlxGa1-xN层，0＜x≤0.5。
可选地，所述石墨烯薄膜层的层数与所述AlGaN层相同，所述AlGaN层的层数为2～50层。
可选地，所述电子改善层的厚度为10～100nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法，所述制作方法包括：
在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、电子改善层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层；
其中，所述电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。
可选地，所述电子改善层的生长温度为720～829℃。
可选地，所述电子改善层的生长压力为100～500Torr。
可选地，所述电子改善层的厚度为10～100nm。
可选地，所述AlGaN层中掺杂有Si，Si的掺杂浓度小于1017cm-3。
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GaN层和多量子阱层之间设置电子改善层，电子改善层由交替层叠的AlGaN层和石墨烯薄膜层组成，AlGaN层可以调控电子注入多量子阱层的数量，石墨烯薄膜层可以提高载流子的平面铺展能力，对电子迅速进行横向铺展，调整电子在多量子阱层内的分布，改善电子注入多量子阱层的均匀性，减少电子溢流，增大多量子阱层的发光面积，增加多量子阱层内电子和空穴的有效复合，进而提高发光二极管的发光效率。
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氮化镓基发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法的流程图。
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
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片，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1上的GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、电子改善层5、多量子阱层6、P型AlGaN层7、P型GaN层8。
在本实施例中，电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。
可选地，AlGaN层中可以掺杂有Si，Si的掺杂浓度小于1017cm-3，有助于AlGaN层调控电子注入多量子阱层的数量。
可选地，AlGaN层可以为AlxGa1-xN层，0＜x≤0.5。
可选地，石墨烯薄膜层的层数与AlGaN层相同，AlGaN层的层数可以为2～50层。
可选地，电子改善层的厚度可以为10～100nm。由于石墨烯薄膜层极薄，因此电子改善层的厚度基本取决于AlGaN层，当电子改善层的厚度为10～100nm时，生长的AlGaN层可以在不会造成多量子阱层的晶体质量太差的情况下，提高多量子阱层内V型缺口的数量和大小，将载流子禁锢在量子阱内复合发光，提高多量子阱层内载流子的有效复合效率，进而提高发光二极管的发光效率。
具体地，蓝宝石衬底可以采用(0001)晶向蓝宝石。
可选地，GaN缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
具体地，多量子阱层由InGaN量子阱层和GaN量子垒层交替层叠而成。
可选地，InGaN量子阱层的厚度可以为1～5nm，GaN量子垒层的厚度可以为9～20nm。
可选地，GaN量子垒层的层数与InGaN量子阱层的层数相同，InGaN量子阱层的层数可以为3～15层。
具体地，P型电子阻挡层为AlxGa1-xN层，0.1＜x＜0.5。
可选地，P型电子阻挡层的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
可选地，如图1所示，该外延片还包括设置在P型GaN层上的P型接触层9，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
本发明实施例通过在N型GaN层和多量子阱层之间设置电子改善层，电子改善层由交替层叠的AlGaN层和石墨烯薄膜层组成，AlGaN层可以调控电子注入多量子阱层的数量，石墨烯薄膜层可以提高载流子的平面铺展能力，对电子迅速进行横向铺展，调整电子在多量子阱层内的分布，改善电子注入多量子阱层的均匀性，减少电子溢流，增大多量子阱层的发光面积，增加多量子阱层内电子和空穴的有效复合，进而提高发光二极管的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法，适用于制作实施例一提供的外延片，参见图2，该制作方法包括：
步骤200：控制温度为1000～1200℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。
可以理解地，步骤200可以清洁蓝宝石衬底表面。
在本实施例中，蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。
步骤201：控制温度为400～600℃，压力为400～600Torr，在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层。
可选地，GaN缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，在步骤201之后，该制作方法还可以包括：
控制温度为1000～1200℃，压力为400～600Torr，时间为5～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤202：控制温度为1000～1100℃，压力为100～500Torr，在GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
步骤203：控制温度为1000～1200℃，压力为100～500Torr，在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
可选地，N型GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
步骤204：控制温度为720～829℃，压力为100～500Torr，在N型GaN层上生长电子改善层。
在本实施例中，电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。
可选地，AlGaN层中可以掺杂有Si，Si的掺杂浓度小于1017cm-3，有助于AlGaN层调控电子注入多量子阱层的数量。
可选地，AlGaN层可以为AlxGa1-xN层，0＜x≤0.5。
可选地，石墨烯薄膜层的层数与AlGaN层相同，AlGaN层的层数可以为2～50层。
可选地，电子改善层的厚度可以为10～100nm。由于石墨烯薄膜层极薄，因此电子改善层的厚度基本取决于AlGaN层，当电子改善层的厚度为10～100nm时，生长的AlGaN层可以在不会造成多量子阱层的晶体质量太差的情况下，提高多量子阱层内V型缺口的数量和大小，将载流子禁锢在量子阱内复合发光，提高多量子阱层内载流子的有效复合效率，进而提高发光二极管的发光效率。
步骤205：在电子改善层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层由InGaN量子阱层和GaN量子垒层交替层叠而成。
具体地，当生长InGaN量子阱层时，温度为720～829℃，压力为100～500Torr；当生长GaN量子垒层时，温度为850～959℃，压力为100～500Torr。
可选地，InGaN量子阱层的厚度可以为1～5nm，如3nm，GaN量子垒层的厚度可以为9～20nm。
可选地，GaN量子垒层的层数与InGaN量子阱层的层数相同，InGaN量子阱层的层数可以为3～15层。
步骤206：控制温度为850～1080℃，压力为200～500Torr，在多量子阱层上生长P型AlGaN层。
具体地，P型电子阻挡层为AlxGa1-xN层，0.1＜x＜0.5。
可选地，P型电子阻挡层的厚度可以为50～150nm。
步骤207：控制温度为850～1080℃，压力为100～300Torr，在P型AlGaN层上生长P型GaN层。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
步骤208：控制温度为850～1050℃，压力为100～300Torr，在P型GaN层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
步骤209：控制温度为650～850℃，时间为5～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
本发明实施例通过在N型GaN层和多量子阱层之间设置电子改善层，电子改善层由交替层叠的AlGaN层和石墨烯薄膜层组成，AlGaN层可以调控电子注入多量子阱层的数量，石墨烯薄膜层可以提高载流子的平面铺展能力，对电子迅速进行横向铺展，调整电子在多量子阱层内的分布，改善电子注入多量子阱层的均匀性，减少电子溢流，增大多量子阱层的发光面积，增加多量子阱层内电子和空穴的有效复合，进而提高发光二极管的发光效率。
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 (10)
1.一种氮化镓基发光二极管的外延片，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GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，其特征在于，所述外延片还包括层叠在所述N型GaN层和所述多量子阱层之间的电子改善层，所述电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlGaN层中掺杂有Si，Si的掺杂浓度小于1017cm-3。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述AlGaN层为AlxGa1-xN层，0＜x≤0.5。
4.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述石墨烯薄膜层的层数与所述AlGaN层相同，所述AlGaN层的层数为2～50层。
5.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述电子改善层的厚度为10～100nm。
6.一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、电子改善层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层；
其中，所述电子改善层由AlGaN层和石墨烯薄膜层交替层叠而成。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述电子改善层的生长温度为720～829℃。
8.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述电子改善层的生长压力为100～500Torr。
9.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述电子改善层的厚度为10～100nm。
10.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述AlGaN层中掺杂有Si，Si的掺杂浓度小于1017cm-3。
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