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CN107452843B - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其制备方法 Download PDF

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CN107452843B CN201710520205.6A CN201710520205A CN107452843B CN 107452843 B CN107452843 B CN 107452843B CN 201710520205 A CN201710520205 A CN 201710520205A CN 107452843 B CN107452843 B CN 107452843B
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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。外延片包括衬底、缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层，发光层包括M个第一子层和N个第二子层，第一子层包括第一量子阱层和第一量子垒层，第二子层包括第二量子阱层和第二量子垒层；第一量子阱层为InGaN层，各个第二量子垒层的厚度相同；M个第一量子阱层中In组分的含量逐层减少，M个第一量子阱层的厚度相同或者逐渐减小；第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，M个AlGaN层中Al组分的含量沿逐层减少，M个AlGaN层的厚度逐层减小。本发明可以有效地降低电子的迁移速度，提高LED的发光效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，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(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)芯片是一种可以直接把电转化为光的固态半导体器件，其包括外延片和在外延片上制作的电极。
现有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缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层。其中，发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层，多个量子阱层和多个量子垒层交替层叠，量子阱层为铟镓氮层，量子垒层为氮化镓层。当向外延片中注入电流时，N型氮化镓层中的电子和P型氮化镓层中的空穴注入发光层发生辐射复合而发光。
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：
电子注入发光层的数量和速度远大于空穴，在大电流下电子很容易越过发光层到达P型氮化镓层与空穴发生非辐射复合，造成辐射复合的发生率下降，降低了LED的发光效率。
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，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层，所述发光层包括M个第一子层和层叠在所述M个第一子层上的N个第二子层，M≥2且M为整数，N为正整数，所述第一子层包括第一量子阱层和层叠在所述第一量子阱层上的第一量子垒层，所述第二子层包括第二量子阱层和层叠在所述第二量子阱层上的第二量子垒层；所述第一量子阱层和所述第二量子阱层均为InGaN层，各个所述第二量子阱层中In组分的含量相同，各个所述第二量子阱层的厚度相同；所述第二量子垒层为GaN层，各个所述第二量子垒层的厚度相同；M个所述第一量子阱层中In组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述第一量子阱层的厚度相同或者沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小；所述第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，M个所述AlGaN层中Al组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述AlGaN层的厚度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减小。
可选地，各个所述第一量子阱层的厚度为2nm～6nm。
可选地，各个所述第一量子垒层的厚度为15nm～30nm。
可选地，M≤8。
可选地，各个所述AlGaN层中Al组分的含量为10％～30％。
可选地，各个所述第一量子阱层中In组分的含量为8％～40％。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次形成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层；
其中，所述发光层包括M个第一子层和层叠在所述M个第一子层上的N个第二子层，M≥2且M为整数，N为正整数，所述第一子层包括第一量子阱层和层叠在所述第一量子阱层上的第一量子垒层，所述第二子层包括第二量子阱层和层叠在所述第二量子阱层上的第二量子垒层；所述第一量子阱层和所述第二量子阱层均为InGaN层，M个所述第一量子阱层中In组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述第一量子阱层的厚度相同或者沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小；各个所述第二量子阱层中In组分的含量相同，各个所述第二量子阱层的厚度相同；所述第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，M个所述AlGaN层中Al组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述AlGaN层的厚度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减小；所述第二量子垒层为GaN层，各个所述第二量子垒层的厚度相同。
可选地，每个所述第一量子阱层的生长温度小于或等于各个所述第一量子垒层的生长温度。
可选地，各个所述第一量子阱层的生长温度为920℃～980℃。
可选地，各个所述第一量子垒层的生长温度为920℃～980℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将发光层靠近N型氮化镓层的几个量子阱层中In组分的含量调整为沿层叠方向逐层减少，且几个量子阱层的厚度保持不变或沿层叠方向逐层减小，将发光层靠近N型氮化镓层的几个量子垒层设计为由GaN层、AlGaN层和GaN层依次层叠而成，几个AlGaN层中Al组分的含量沿层叠方向逐层减少，且几个AlGaN层的厚度沿层叠方向逐层减小，使得靠近N型氮化镓层的量子阱层和量子垒层之间的势垒相差较大且势垒高的AlGaN较厚，可以有效地降低电子的迁移速度，避免电子越过发光层到达P型氮化镓层与空穴发生非辐射复合，电子可以尽量均匀地分布在发光层中，增加辐射复合的发生率，提高LED的发光效率。同时靠近P型氮化镓层的几个量子阱层是主要的发光阱，这几个量子阱层中In组分的含量相同，可以避免由于In组分的含量不同而导致发出的光波段不一样，光色分散。
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2a是本发明实施例一提供的发光层的结构示意图；
图2b是本发明实施例一提供的第一子层的结构示意图；
图2c是本发明实施例一提供的第二子层的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的多个第一子层的势垒示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图5是本发明实施例三提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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发光二极管外延片，参见图1，该外延片包括衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、非掺杂氮化镓层3、N型氮化镓层4、发光层5和P型氮化镓层6。
在本实施例中，参见图2a，发光层5包括M个第一子层51和层叠在M个第一子层51上的N个第二子层52，M≥2且M为整数，N为正整数。参见图2b，第一子层51包括第一量子阱层51a和层叠在第一量子阱层51a上的第一量子垒层51b，参见图2c，第二子层52包括第二量子阱层52a和层叠在第二量子阱层52a上的第二量子垒层52b。
第一量子阱层51a和第二量子阱层52a均为InGaN层，M个第一量子阱层51a中In组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个第一量子阱层51a的厚度相同或者沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小。各个第二量子阱层52a中In组分的含量相同，各个第二量子阱层52a的厚度相同。
第一量子垒层51b包括依次层叠的GaN层51c、AlGaN层51d和GaN层51e，M个AlGaN层51d中Al组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个AlGaN层51d的厚度沿发光二极管外延片的层叠方向逐层减小。第二量子垒层52b为GaN层，各个第二量子垒层52b的厚度相同。
图3为多个第一子层的势垒示意图，从图3可以看出，各个第一量子阱层51a的厚度相同且势垒逐层升高，各个第一量子垒层中AlGaN层51d的厚度逐层减小且势垒逐层降低，这样第一量子阱层和第一量子垒层之间的势垒差越来越小，在靠近N型氮化镓层的位置达到最大，对电子的阻挡作用最强。
本发明实施例通过将发光层靠近N型氮化镓层的几个量子阱层中In组分的含量调整为沿层叠方向逐层减少，且几个量子阱层的厚度保持不变或沿层叠方向逐层减小，将发光层靠近N型氮化镓层的几个量子垒层设计为由GaN层、AlGaN层和GaN层依次层叠而成，几个AlGaN层中Al组分的含量沿层叠方向逐层减少，且几个AlGaN层的厚度沿层叠方向逐层减小，使得靠近N型氮化镓层的量子阱层和量子垒层之间的势垒相差较大且势垒高的AlGaN较厚，可以有效地降低电子的迁移速度，避免电子越过发光层到达P型氮化镓层与空穴发生非辐射复合，电子可以尽量均匀地分布在发光层中，增加辐射复合的发生率，提高LED的发光效率。同时靠近P型氮化镓层的几个量子阱层是主要的发光阱，这几个量子阱层中In组分的含量相同，可以避免由于In组分的含量不同而导致发出的光波段不一样，光色分散。
可选地，各个第一量子阱层51a的厚度可以为2nm～6nm。若第一量子阱层51a的厚度小于2nm，则对电子的限制作用不够，无法实现载流子的均匀分布；若第一量子阱层51a的厚度大于6nm，则会导致极化效应较大，影响发光阱的晶体质量，降低发光效率。
可选地，各个第一量子垒层51b的厚度可以为15nm～30nm。若第一量子垒层51b的厚度小于15nm，则对电子的限制作用不够，无法实现载流子的均匀分布；若第一量子垒层51b的厚度大于30nm，则会导致极化效应较大，影响发光阱的晶体质量，降低发光效率。
可选地，M≤8。若M＞8，则会导致极化效应较大，影响发光阱的晶体质量，降低发光效率。
可选地，各个AlGaN层51d中Al组分的含量可以为10％～30％。若AlGaN层51d中Al组分的含量小于10％，则对电子的限制作用不够，无法实现载流子的均匀分布；若AlGaN层51d中Al组分的含量大于30％，则会导致极化效应较大，影响发光阱的晶体质量，降低发光效率。
可选地，各个第一量子阱层51a中In组分的含量为8％～40％。若第一量子阱层51a中In组分的含量小于8％，则对电子的限制作用不够，无法实现载流子的均匀分布；若第一量子阱层51a中In组分的含量大于40％，则会导致极化效应较大，影响发光阱的晶体质量，降低发光效率。
具体地，衬底1可以为蓝宝石衬底；缓冲层2可以为氮化铝层或者氮化镓层。
更具体地，缓冲层的厚度可以为15nm～30nm；非掺杂氮化镓层的厚度可以为1.5μm～2.5μm；N型氮化镓层的厚度可以为0.5μm～1.5μm；第二量子阱层中In组分的含量为10％～45％；各个第二量子阱层的厚度可以为2nm～5nm，各个第二量子垒层的厚度可以为12nm～20nm，4≤N≤12；P型氮化镓层的厚度可以为1.5μm～2.5μm。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于制备实施例一提供的外延片。参见图4，该制备方法包括：
步骤201：提供一衬底。
步骤202：在衬底上依次形成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、载流子调整层、发光层和P型氮化镓层。
在本实施例中，发光层包括M个第一子层和层叠在M个第一子层上的N个第二子层，M≥2且M为整数，N为正整数，第一子层包括第一量子阱层和层叠在第一量子阱层上的第一量子垒层，第二子层包括第二量子阱层和层叠在第二量子阱层上的第二量子垒层；第一量子阱层和第二量子阱层均为InGaN层，M个第一量子阱层中In组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个第一量子阱层的厚度相同或者沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小；各个第二量子阱层中In组分的含量相同，各个第二量子阱层的厚度相同；第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，M个AlGaN层中Al组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个AlGaN层的厚度沿发光二极管外延片的层叠方向逐层减小；第二量子垒层为GaN层，各个第二量子垒层的厚度相同。
本发明实施例通过将发光层靠近N型氮化镓层的几个量子阱层中In组分的含量调整为沿层叠方向逐层减少，且几个量子阱层的厚度保持不变或沿层叠方向逐层减小，将发光层靠近N型氮化镓层的几个量子垒层设计为由GaN层、AlGaN层和GaN层依次层叠而成，几个AlGaN层中Al组分的含量沿层叠方向逐层减少，且几个AlGaN层的厚度沿层叠方向逐层减小，使得靠近N型氮化镓层的量子阱层和量子垒层之间的势垒相差较大且势垒高的AlGaN较厚，可以有效地降低电子的迁移速度，避免电子越过发光层到达P型氮化镓层与空穴发生非辐射复合，电子可以尽量均匀地分布在发光层中，增加辐射复合的发生率，提高LED的发光效率。同时靠近P型氮化镓层的几个量子阱层是主要的发光阱，这几个量子阱层中In组分的含量相同，可以避免由于In组分的含量不同而导致发出的光波段不一样，光色分散。
可选地，每个第一量子阱层的生长温度可以小于或等于各个第一量子垒层的生长温度，一方面避免第一量子阱层中的In析出，导致In组分的含量很低；另一方面保证第一量子垒层的生长质量较好，避免低温影响整体的生长质量。
可选地，各个第一量子阱层的生长温度可以为920℃～980℃。若第一量子阱层的生长温度低于920℃，则会导致In析出，导致In组分的含量很低；若第一量子阱层的生长温度高于980℃，则生长质量较差。
可选地，各个第一量子垒层的生长温度可以为920℃～980℃。若第一量子垒层的生长温度低于920℃，则会导致In析出，导致In组分的含量很低；若第一量子垒层的生长温度高于980℃，则生长质量较差。
具体地，缓冲层的生长温度可以为600℃～700℃，生长压力可以为200mbar～300mbar。非掺杂氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200mbar～500mbar。N型氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1050℃，生长压力可以为150mbar～300mbar。发光层的生长压力可以为200mbar～400mbar，各个第二量子阱层的生长温度可以为830℃～880℃，各个第二量子垒层的生长温度可以为920℃～980℃。P型氮化镓层的生长温度可以为1200℃～1250℃，生长压力可以为200mbar～600mbar。
实施例三
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例二提供的制备方法的一种具体实现。参见图5，该制备方法包括：
步骤301：将蓝宝石衬底在1300℃的氢气气氛下进行10分钟的热处理，以清洁蓝宝石衬底的表面。
步骤302：控制生长温度为650℃，生长压力为250mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的氮化镓层，形成缓冲层。
步骤303：控制生长温度为1230℃，生长压力为300mbar，在缓冲层上生长厚度为2μm的非掺杂氮化镓层。
步骤304：控制生长温度为1025℃，生长压力为225mbar，在非掺杂氮化镓层上生长N型氮化镓层。
步骤305：控制生长压力为300mbar，在N型氮化镓层上生长发光层。
在本实施例中，发光层包括6个第一子层和层叠在6个第一子层上的8个第二子层，第一子层包括第一量子阱层和层叠在第一量子阱层上的第一量子垒层，第二子层包括第二量子阱层和层叠在第二量子阱层上的第二量子垒层。第一量子阱层和第二量子阱层均为InGaN层，6个第一量子阱层中In组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向从30％逐层减少至10％，各个第一量子阱层的厚度为5nm，各个第一量子阱层的生长温度为860℃。各个第二量子阱层中In组分的含量为15％，各个第二量子阱层的厚度为3nm，各个第二量子阱层的生长温度为850℃。第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，8个AlGaN层中Al组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向从25％逐层减少至15％，8个AlGaN层的厚度沿发光二极管外延片的层叠方向从25nm逐层减小至10nm，各个第一量子垒层的生长温度为970℃。第二量子垒层为GaN层，各个第二量子垒层的厚度为12nm，各个第二量子垒层的生长温度为950℃。
步骤306：控制生长温度为1240℃，生长压力为350mbar，在发光层上生长厚度为300nm的P型氮化镓层。
在本实施例中，整个过程采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Meta1Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)反应腔实现，实现时采用高纯氢气(H2)或者氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)作为镓源，高纯氨气(NH3)作为氮源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
实验发现，采用本实施例提供的制备方法制备的外延片制作的LED，与现有制备方法(除不形成载流子调整层之外其它相同)制备的外延片制作的LED相比，发光效率提升了10％。
实施例四
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例二提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例三提供的制备方法基本相同，不同之处在于，发光层包括8个第一子层。6个第一量子阱层中In组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向从30％逐层减少至10％，各个第一量子阱层的厚度为2nm，各个第一量子阱层的生长温度为860℃。8个AlGaN层中Al组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向从40％逐层减少至8％，8个AlGaN层的厚度沿发光二极管外延片的层叠方向从30nm逐层减小至15nm，各个第一量子垒层的生长温度为970℃。
实验发现，采用本实施例提供的制备方法制备的外延片制作的LED，与现有制备方法(除不形成载流子调整层之外其它相同)制备的外延片制作的LED相比，发光效率提升了8％。
实施例五
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，本实施例提供的制备方法是实施例二提供的制备方法的另一种具体实现。本实施例提供的制备方法与实施例三提供的制备方法基本相同，不同之处在于，发光层包括2个第一子层。2个第一量子阱层中In组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向从20％逐层减少至15％，各个第一量子阱层的厚度为6nm，各个第一量子阱层的生长温度为860℃。2个AlGaN层中Al组分的含量沿发光二极管外延片的层叠方向从25％逐层减少至15％，2个AlGaN层的厚度沿发光二极管外延片的层叠方向从25nm逐层减小至20nm，各个第一量子垒层的生长温度为970℃。
实验发现，采用本实施例提供的制备方法制备的外延片制作的LED，与现有制备方法(除不形成载流子调整层之外其它相同)制备的外延片制作的LED相比，发光效率提升了5％。
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)

1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层，所述发光层包括M个第一子层和层叠在所述M个第一子层上的N个第二子层，M≥2且M为整数，4≤N≤12且N为正整数，所述第一子层包括第一量子阱层和层叠在所述第一量子阱层上的第一量子垒层，所述第二子层包括第二量子阱层和层叠在所述第二量子阱层上的第二量子垒层；所述第一量子阱层和所述第二量子阱层均为InGaN层，各个所述第二量子阱层中In组分的含量相同，各个所述第二量子阱层的厚度相同；所述第二量子垒层为GaN层，各个所述第二量子垒层的厚度相同；其特征在于，M个所述第一量子阱层中In组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述第一量子阱层的厚度相同或者沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小；所述第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，M个所述AlGaN层中Al组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述AlGaN层的厚度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减小。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述第一量子阱层的厚度为2nm～6nm。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述第一量子垒层的厚度为15nm～30nm。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，M≤8。
5.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述AlGaN层中Al组分的含量为10％～30％。
6.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，各个所述第一量子阱层中In组分的含量为8％～40％。
7.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次形成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、发光层和P型氮化镓层；
其中，所述发光层包括M个第一子层和层叠在所述M个第一子层上的N个第二子层，M≥2且M为整数，4≤N≤12且N为正整数，所述第一子层包括第一量子阱层和层叠在所述第一量子阱层上的第一量子垒层，所述第二子层包括第二量子阱层和层叠在所述第二量子阱层上的第二量子垒层；所述第一量子阱层和所述第二量子阱层均为InGaN层，M个所述第一量子阱层中In组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述第一量子阱层的厚度相同或者沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减小；各个所述第二量子阱层中In组分的含量相同，各个所述第二量子阱层的厚度相同；所述第一量子垒层包括依次层叠的GaN层、AlGaN层和GaN层，M个所述AlGaN层中Al组分的含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减少，M个所述AlGaN层的厚度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐层减小；所述第二量子垒层为GaN层，各个所述第二量子垒层的厚度相同。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，每个所述第一量子阱层的生长温度小于或等于各个所述第一量子垒层的生长温度。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，各个所述第一量子阱层的生长温度为920℃～980℃。
10.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，各个所述第一量子垒层的生长温度为920℃～980℃。
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