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CN109004074A - Led外延结构及其制备方法 - Google Patents

Led外延结构及其制备方法 Download PDF

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CN109004074A
CN109004074A CN201810904544.9A CN201810904544A CN109004074A CN 109004074 A CN109004074 A CN 109004074A CN 201810904544 A CN201810904544 A CN 201810904544A CN 109004074 A CN109004074 A CN 109004074A
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CN
China
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aln
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type gan
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CN201810904544.9A
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冯猛
刘恒山
康双双
陈立人
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FOCUS LIGHTINGS TECHNOLOGY Co Ltd
Original Assignee
FOCUS LIGHTINGS TECHNOLOGY Co Ltd
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Abstract

本发明揭示了一种LED外延结构及其制备方法，所述LED外延结构从下向上依次包括衬底、AlN缓冲层、uGaN层、N型GaN层、多量子阱发光层、AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层、P型空穴注入层及P型GaN层。本发明在多量子阱发光层及P型空穴注入层之间引入AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层，可以阻挡P型掺杂扩散，降低能带弯曲导致的导带能级下降，减少量子阱非辐射复合，提升量子阱内量子效率的效果从而提高发光效率。

Description

LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)作为一种新型节能、环保固态照明光源，具有能效高、体积小、重量轻、响应速度快以及寿命长等优点，使其在很多领域得到了广泛应用，如固体照明光源、大屏幕显示、汽车尾灯、交通信号灯等。在LED众多应用中，作为普通照明光源是其最具有前景的一项。LED照明的核心问题之一是提高LED的可靠性，如不能实现高可靠性的LED光源，即使光效再好，也会限制其在各个领域的应用。因此，增强LED可靠性是LED的研究重点。
现有技术中，LED结构在多量子阱发光层生长完之后接着直接生长P型空穴注入层及P型GaN层，其中，P型空穴注入层及P型GaN层中的Mg、Zn等P型掺杂元素容易因高温扩散至多量子阱发光层，进而产生非辐射复合中心，使得LED发光效率下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED外延结构及其制备方法。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种LED外延结构，所述LED外延结构从下向上依次包括衬底、AlN缓冲层、uGaN层、N型GaN层、多量子阱发光层、AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层、P型空穴注入层及P型GaN层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层包括若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.3。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层包括3～8个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为1～5nm，所述AlN层的厚度范围为0.1～5nm。
作为本发明一实施方式的进一步改进，在每一周期中，所述AlxInyGa(1-x-y)N层及所述AlN层具有第一厚度，若干周期中的若干第一厚度不相等。
作为本发明一实施方式的进一步改进，若干周期中的x、y的取值不相等。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种LED外延结构的制备方法，包括步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上生长AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长uGaN层；
在所述uGaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱发光层；
在所述多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层；
在所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层上生长P型空穴注入层；
在所述P型空穴注入层上生长P型GaN层。
作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“在所述多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层”具体包括：
在所述多量子阱发光层上生长若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.3。
作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“在所述多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层”具体包括：
在所述多量子阱发光层上生长3～8个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为1～5nm，所述AlN层的厚度范围为0.1～5nm。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述制备方法具体包括：
提供一蓝宝石衬底，并将所述蓝宝石衬底放置于高温溅镀反应室中；
在400～600℃的生长条件下，于所述蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层；
在1040～1100℃、100～300Torr的生长条件下，于所述AlN缓冲层上生长高温uGaN层，uGaN层的厚度范围为2～4um；
在1040～1070℃、100～200Torr的生长条件下，于uGaN层上生长高温N型GaN层，N型GaN层的厚度范围为2～4um；
在750～900℃、100～300Torr的生长条件下，于N型GaN层上生长低温多量子阱发光层，所述多量子阱发光层包括若干周期叠加的AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层及InGaN量子阱层，所述AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层的厚度范围为6～12nm，所述InGaN量子阱层的厚度范围为2～4nm；
在800～1000℃、100～400Torr的生长条件下，于多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层，所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层包括若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为1～5nm，所述AlN层的厚度范围为0.1～5nm；
在750～900℃、100～400Torr的生长条件下，于AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层上生长P型空穴注入层，P型空穴注入层的厚度范围为30～60nm；
在800～1000℃、100～400Torr的生长条件下，于P型空穴注入层上生长高温P型GaN层，P型GaN层的厚度范围为30～50nm。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlN缓冲层的厚度为25nm；所述uGaN层的生长温度为1080℃，生长压力为200Torr，厚度为2um；所述N型GaN层的生长温度为1060℃，生长压力为200Torr，厚度为2.5um，掺杂浓度为1.5*1019/cm3；所述多量子阱发光层的生长温度为800℃，生长压力为250Torr；所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层的生长温度为850℃，生长压力为250Torr，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度为3nm，所述AlN层的厚度为1nm；所述P型空穴注入层的生长温度为850℃，生长压力为200Torr，厚度为30nm；所述P型GaN层的生长温度为930℃，生长压力为200Torr，厚度为40nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明一实施方式在多量子阱发光层及P型空穴注入层之间引入AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层，可以阻挡P型掺杂扩散，降低能带弯曲导致的导带能级下降，减少量子阱非辐射复合，提升量子阱内量子效率的效果从而提高发光效率。
附图说明
图1是本发明一实施方式的LED外延结构示意图；
图2是本发明一实施方式的AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层示意图；
图3是本发明一实施方式的LED外延结构的制备方法步骤图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示，为本发明一实施方式的一种LED外延结构100的示意图。
LED外延结构100从下向上依次包括衬底10、AlN缓冲层20、uGaN层30、N型GaN层40、多量子阱发光层50、AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60、P型空穴注入层70及P型GaN层80。
衬底10可由蓝宝石材料制成，当然，在其他实施方式中，衬底10也可以由其他衬底材料制成，例如Si、SiC等。
这里，衬底10放置在高温溅镀反应室中的载盘上进行后续各层的生长。
AlN缓冲层20的厚度为25nm。
uGaN层30为非掺杂GaN层，uGaN层30的厚度范围为2～4nm，较佳的，uGaN层30的厚度为2um。
N型GaN层40为高温N型GaN层，N型GaN层40的厚度范围为2～4nm，较佳的，N型GaN层40的厚度为2.5um，N型GaN层40的掺杂浓度为1.5*1019/cm3。
多量子阱发光层50为低温多量子阱发光层，包括若干周期堆叠的AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层及InGaN量子阱层，其中，a的取值范围为0～0.2，b的取值范围为0～0.3，AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层的厚度范围为6～12nm，InGaN量子阱层的厚度范围为2～4nm，通过调节In组分可以使得发光波长在所需范围内。
这里，多量子阱发光层50包括6～10个周期堆叠的AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层及InGaN量子阱层。
结合图2，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60包括若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62，其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.3。
这里，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60包括3～8个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62，其中，AlxInyGa(1-x-y)N层61的厚度范围为1～5nm，AlN层62的厚度范围为0.1～5nm。
较佳的，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60包括5个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62，AlxInyGa(1-x-y)N层61的厚度为3nm，AlN层62的厚度为1nm。
需要说明的是，在每一周期中，AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62具有第一厚度，若干周期中的若干第一厚度不相等，也就是说，每对AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62可以不等厚，但不以此为限。
另外，若干周期中的x、y的取值不相等，也就是说，每对AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62中的Al组分、In组分可为不完全相同的组分，但不以此为限。
P型空穴注入层70的为P型AlGaN电子阻挡层，P型空穴注入层70的厚度范围为30～60nm，较佳的，P型空穴注入层70的厚度为30nm。
P型GaN层80为P型GaN空穴注入层，P型GaN层80的厚度范围为30～50nm，较佳的，P型GaN层80的厚度为40nm。
本实施方式的LED外延结构100涉及蓝、绿、紫外波段的发光器件以及高速电子元件，在多量子阱发光层50及P型空穴注入层70之间引入AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60，可以阻挡P型掺杂扩散，降低能带弯曲导致的导带能级下降，减少量子阱非辐射复合，提升量子阱内量子效率的效果从而提高发光效率。
结合图3，本发明一实施方式还提供一种LED外延结构100的制备方法，包括步骤：
S1：提供一衬底10；
具体的，步骤S1为：提供一蓝宝石衬底10，并将蓝宝石衬底10放置于高温溅镀反应室中。
这里，衬底10可为蓝宝石衬底，当然，在其他实施方式中，衬底10也可以由其他衬底材料制成，例如Si、SiC等，衬底10放置在高温溅镀反应室中的载盘上进行后续各层的生长。
S2：在衬底10上生长AlN缓冲层20；
具体的，步骤S2为：在400～600℃的生长条件下，于蓝宝石衬底10上生长AlN缓冲层20。
这里，AlN缓冲层20的厚度为25nm。
S3：在AlN缓冲层20上生长uGaN层30；
具体的，步骤S3为：在1040～1100℃、100～300Torr的生长条件下，于AlN缓冲层20上生长高温uGaN层30。
这里，uGaN层30为非掺杂GaN层，uGaN层30的厚度范围为2～4nm。
较佳的，uGaN层30的厚度为2um，生长温度为1080℃，生长压力为200Torr。
S4：在uGaN层30上生长N型GaN层40；
具体的，步骤S4为：在1040～1070℃、100～200Torr的生长条件下，于uGaN层30上生长高温N型GaN层40。
这里，N型GaN层40的厚度范围为2～4nm。
较佳的，N型GaN层40的厚度为2.5um，N型GaN层的生长温度为1060℃，生长压力为200Torr，且N型GaN层40的掺杂浓度为1.5*1019/cm3。
S5：在N型GaN层40上生长多量子阱发光层50；
具体的，步骤S5为：在750～900℃、100～300Torr的生长条件下，于N型GaN层40上生长低温多量子阱发光层50。
这里，多量子阱发光层50为低温多量子阱发光层，包括若干周期堆叠的AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层及InGaN量子阱层，其中，a的取值范围为0～0.2，b的取值范围为0～0.3，AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层的厚度范围为6～12nm，InGaN量子阱层的厚度范围为2～4nm，通过调节In组分可以使得发光波长在所需范围内。
另外，多量子阱发光层50包括6～10个周期堆叠的AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层及InGaN量子阱层。
较佳的，多量子阱发光层50的生长温度为800℃，生长压力为250Torr。
S6:在多量子阱发光层50上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60；
具体的，步骤S6为：在800～1000℃、100～400Torr的生长条件下，于多量子阱发光层50上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60。
这里，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60包括若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.3。
另外，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60包括3～8个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62，其中，AlxInyGa(1-x-y)N层61的厚度范围为1～5nm，AlN层62的厚度范围为0.1～5nm。
较佳的，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60包括5个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62，AlxInyGa(1-x-y)N层61的厚度为3nm，AlN层62的厚度为1nm，AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层的生长温度为850℃，生长压力为250Torr。
需要说明的是，在每一周期中，AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62具有第一厚度，若干周期中的若干第一厚度不相等，也就是说，每对AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62可以不等厚，但不以此为限。
另外，若干周期中的x、y的取值不相等，也就是说，每对AlxInyGa(1-x-y)N层61及AlN层62中的Al组分、In组分可为不完全相同的组分，但不以此为限。
S7：在AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60上生长P型空穴注入层70；
具体的，步骤S7为：在750～900℃、100～400Torr的生长条件下，于AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60上生长P型空穴注入层70。
这里，P型空穴注入层70的为P型AlGaN电子阻挡层，P型空穴注入层70的厚度范围为30～60nm。
较佳的，P型空穴注入层70的厚度为30nm，P型空穴注入层的生长温度为850℃，生长压力为200Torr。
S8：在P型空穴注入层70上生长P型GaN层80。
具体的，步骤S8为：在800～1000℃、100～400Torr的生长条件下，于P型空穴注入层70上生长高温P型GaN层80。
这里，P型GaN层80为P型GaN空穴注入层，P型GaN层80的厚度范围为30～50nm。
较佳的，P型GaN层80的厚度为40nm，P型GaN层的生长温度为930℃，生长压力为200Torr。
本实施方式的LED外延结构100的制备方法涉及蓝、绿、紫外波段的发光器件以及高速电子元件，在多量子阱发光层50及P型空穴注入层70之间引入AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层60，可以阻挡P型掺杂扩散，降低能带弯曲导致的导带能级下降，减少量子阱非辐射复合，提升量子阱内量子效率的效果从而提高发光效率。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构从下向上依次包括衬底、AlN缓冲层、uGaN层、N型GaN层、多量子阱发光层、AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层、P型空穴注入层及P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层包括若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.3。
3.根据权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层包括3～8个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为1～5nm，所述AlN层的厚度范围为0.1～5nm。
4.据权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，在每一周期中，所述AlxInyGa(1-x-y)N层及所述AlN层具有第一厚度，若干周期中的若干第一厚度不相等。
5.权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，若干周期中的x、y的取值不相等。
6.一种LED外延结构的制备方法，其特征在于包括步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上生长AlN缓冲层；
在所述AlN缓冲层上生长uGaN层；
在所述uGaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱发光层；
在所述多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层；
在所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层上生长P型空穴注入层；
在所述P型空穴注入层上生长P型GaN层。
7.根据权利要求6所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，步骤“在所述多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层”具体包括：
在所述多量子阱发光层上生长若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，x的取值范围为0～0.5，y的取值范围为0～0.3。
8.根据权利要求6或7所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，步骤“在所述多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层”具体包括：
在所述多量子阱发光层上生长3～8个周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，其中，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为1～5nm，所述AlN层的厚度范围为0.1～5nm。
9.根据权利要求6所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于所述制备方法具体包括：
提供一蓝宝石衬底，并将所述蓝宝石衬底放置于高温溅镀反应室中；
在400～600℃的生长条件下，于所述蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层；
在1040～1100℃、100～300Torr的生长条件下，于所述AlN缓冲层上生长高温uGaN层，uGaN层的厚度范围为2～4um；
在1040～1070℃、100～200Torr的生长条件下，于uGaN层上生长高温N型GaN层，N型GaN层的厚度范围为2～4um；
在750～900℃、100～300Torr的生长条件下，于N型GaN层上生长低温多量子阱发光层，所述多量子阱发光层包括若干周期叠加的AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层及InGaN量子阱层，所述AlaInbGa(1-a-b)N量子阱层的厚度范围为6～12nm，所述InGaN量子阱层的厚度范围为2～4nm；
在800～1000℃、100～400Torr的生长条件下，于多量子阱发光层上生长AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层，所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层包括若干周期堆叠的AlxInyGa(1-x-y)N层及AlN层，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度范围为1～5nm，所述AlN层的厚度范围为0.1～5nm；
在750～900℃、100～400Torr的生长条件下，于AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层上生长P型空穴注入层，P型空穴注入层的厚度范围为30～60nm；
在800～1000℃、100～400Torr的生长条件下，于P型空穴注入层上生长高温P型GaN层，P型GaN层的厚度范围为30～50nm。
10.根据权利要求9所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为25nm；所述uGaN层的生长温度为1080℃，生长压力为200Torr，厚度为2um；所述N型GaN层的生长温度为1060℃，生长压力为200Torr，厚度为2.5um，掺杂浓度为1.5*1019/cm3；所述多量子阱发光层的生长温度为800℃，生长压力为250Torr；所述AlInGaN/AlN超晶格扩散阻挡层的生长温度为850℃，生长压力为250Torr，所述AlxInyGa(1-x-y)N层的厚度为3nm，所述AlN层的厚度为1nm；所述P型空穴注入层的生长温度为850℃，生长压力为200Torr，厚度为30nm；所述P型GaN层的生长温度为930℃，生长压力为200Torr，厚度为40nm。
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