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CN109360879A - 一种发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents

一种发光二极管的外延片及其制备方法 Download PDF

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CN109360879A CN201811428423.8A CN201811428423A CN109360879A CN 109360879 A CN109360879 A CN 109360879A CN 201811428423 A CN201811428423 A CN 201811428423A CN 109360879 A CN109360879 A CN 109360879A
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胡任浩
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Abstract

本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，属于发光二极管制造领域。N型GaN层与多量子阱层之间插入了AlInGaN层，AlInGaN层较高的势垒可以起到阻挡电子的作用，减慢电子的迁移速率，给空穴一定的迁移时间，使得空穴在深入多量子阱层之后，才会与电子相遇并复合，多量子阱中的空穴的浓度提高，多量子阱层中能够与电子进行复合的空穴数量增多，发光二极管的发光效率提高。并且AlInGaN层与N型GaN之间形成压应力，AlInGaN层与型GaN之间形成的压应力会减小多量子阱层生长时产生的压电极化，减小多量子阱内的内建电场，有利于空穴的注入，提高了LED的发光效率。

Description

一种发光二极管的外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及发光二极管制造领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及依次生长在衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层。
在电流的作用下，N型GaN层中的电子与P型GaN层中的空穴均会迁移至多量子阱层中并进行复合发光。由于外延片中空穴的迁移率远远低于外延片中电子的迁移率，在空穴迁移至多量子阱层位于P型GaN层附近的几个量子阱中时，来自N型GaN层的电子也已迁移至多量子阱层位于P型GaN层附近的几个量子阱中，电子与空穴在多量子阱层位于P型GaN层附近的几个量子阱中相遇并复合发光，空穴不能进一步深入多量子阱层，在多量子阱层中电子的数量远大于空穴的数量，多量子阱层中能够与电子复合的空穴数量较少，导致发光二极管的发光效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法，能够提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、AlInGaN层、多量子阱层及P型GaN层。
可选地，所述AlInGaN层中In的组分为0.01～0.05。
可选地，所述AlInGaN层中Al的组分为0.1～0.3。
可选地，所述AlInGaN层的厚度为5～15nm。
可选地，所述AlInGaN层中掺有Mg元素。
可选地，所述AlInGaN层中Mg的掺杂浓度为5×1019～2×1018cm-3。
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长AlInGaN层
在所述AlInGaN层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型GaN层。
可选地，在所述未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，向反应腔内通入500～1000sccm的气态In。
可选地，在所述未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，向反应腔内通入200～300sccm的气态Al。
可选地，所述AlInGaN层的生长温度为850～920℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：N型GaN层与多量子阱层之间插入了AlInGaN层，AlInGaN层较高的势垒可以起到阻挡电子的作用，减慢电子的迁移速率，给空穴一定的迁移时间，使得空穴在深入多量子阱层之后，才会与电子相遇并复合，多量子阱中的空穴的浓度提高，多量子阱层中能够与电子进行复合的空穴数量增多，发光二极管的发光效率提高。并且AlInGaN层与N型GaN之间形成压应力，AlInGaN层与N型GaN之间形成的压应力会减小多量子阱层生长时产生的压电极化，减小多量子阱内的内建电场，有利于空穴的注入，提高了LED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是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图1所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、AlInGaN层5、多量子阱层6及P型GaN层7。
N型GaN层4与多量子阱层6之间插入了AlInGaN层5，AlInGaN层5较高的势垒可以起到阻挡电子的作用，减慢电子的迁移速率，给空穴一定的迁移时间，使得空穴在深入多量子阱层6之后，才会与电子相遇并复合，多量子阱中的空穴的浓度提高，多量子阱层6中能够与电子进行复合的空穴数量增多，发光二极管的发光效率提高。并且AlInGaN层与N型GaN之间形成压应力，AlInGaN层与N型GaN之间形成的压应力会减小多量子阱层生长时产生的压电极化，减小多量子阱内的内建电场，有利于空穴的注入，提高了LED的发光效率。
在N型GaN层之后生长的AlInGaN层中也可起到一定的应力释放的作用，保证在AlInGaN层上生长的多量子阱层的晶体质量，进一步保证发光二极管的发光效率。
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图2所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、AlInGaN层5、多量子阱层6、电子阻挡层8、P型GaN层7及P型接触层9。
可选地，衬底1可为蓝宝石衬底。
缓冲层2可包括AlN缓冲层21与低温GaN缓冲层22。这种设置可得到晶体质量较好的外延片。
低温GaN缓冲层22的厚度可为20～50nm。得到的外延片的质量较好。在本发明实施例提供的另一种情况中，低温GaN缓冲层22的厚度也可为25nm，得到的外延片的质量较好。
未掺杂的GaN层3的厚度可为1.2～1.6μm，以保证未掺杂的GaN层3以及在未掺杂的GaN层3上生长的N型GaN层4的质量。
在本发明实施例提供的另一种情况中未掺杂的GaN层3的厚度也可为1μm，得到的外延片的晶体质量较好。
可选地，N型GaN层4的厚度可为1～5μm，能够保证N型GaN层4提供充足的电子。
进一步地，N型GaN层4的厚度也可为2μm。
示例性地，AlInGaN层5中In的组分可为0.01～0.05。AlInGaN层5中In的组分在以上范围内时，在AlInGaN层5上生长的多量子阱层6的质量较好。
可选地，AlInGaN层5中Al的组分可为0.1～0.3。Al的组分在以上范围内时，AlInGaN层5可有效起到阻挡电子的作用，也不会对AlInGaN层5的生长质量造成影响，能有效提高发光二极管的发光效率。
可选地，AlInGaN层5的厚度可为5～15nm。此时得到的外延片的晶体质量较好，可有效提高发光二极管的发光效率。在本发明实施例提供的另一种情况中，AlInGaN层5的厚度可为10nm，可进一步提高发光二极管的发光效率。
示例性地，AlInGaN层5中可掺有Mg元素。Mg元素的掺入可使得AlInGaN层5中存在少量空穴，这些少量的空穴可消耗部分电子，延长电子注入有源层的时间，从而为P型GaN中层提供的空穴提供迁移至有源层的时间，使得可进入有源层的空穴的数量增多，进而保证发光二极管的发光效率。
其中，AlInGaN层5中Mg的掺杂浓度为5×1019～2×1018cm-3。得到的外延片的晶体质量较好，可有效保证发光二极管的发光效率。
示例性地，多量子阱层6可包括交替层叠的InGaN阱层61与GaN垒层62。InGaN阱层61的厚度可为2～3nm，GaN垒层62的厚度可为10～20nm。
可选地，多量子阱层6中InGaN阱层61的层数与GaN垒层62的层数均可为9，能够得到质量较好的多量子阱层。
示例性地，电子阻挡层8可为p型氮化铝铟镓电子阻挡层，电子阻挡层8的厚度可为100nm。
可选地，P型GaN层7的厚度可为100～200nm。此时得到的发光二极管的发光效率较好。
进一步地，P型GaN层7的厚度也可为0.2μm。可进一步提高P型GaN层7的质量。
可选地，P型接触层9的厚度可为15nm，可保证发光二极管的外延片的质量。
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图3所示，该方法包括：
S101：提供一衬底。
S102：在衬底上生长缓冲层。
S103：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
S104：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
S105：在N型GaN层上生长AlInGaN层。
S106：在AlInGaN层上生长多量子阱层。
S107：在多量子阱层上生长P型GaN层。
N型GaN层与多量子阱层之间插入了AlInGaN层，AlInGaN层较高的势垒可以起到阻挡电子的作用，减慢电子的迁移速率，给空穴一定的迁移时间，使得空穴在深入多量子阱层之后，才会与电子相遇并复合，多量子阱中的空穴的浓度提高，多量子阱层中能够与电子进行复合的空穴数量增多，发光二极管的发光效率提高。并且AlInGaN层与N型GaN之间形成压应力，AlInGaN层与N型GaN之间形成的压应力会减小多量子阱层生长时产生的压电极化，减小多量子阱内的内建电场，有利于空穴的注入，提高了LED的发光效率。
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图4所示，该方法包括：
S201：提供一衬底。
衬底可为蓝宝石衬底。
步骤S201可包括：将蓝宝石衬底在纯氢气气氛里进行退火，以对蓝宝石衬底的表面进行清理。
其中，退火温度可为1050℃，能够将衬底表面清理地较为干净。
S202：在衬底上生长缓冲层。
步骤S202可包括在衬底上依次生长AlN缓冲层与低温GaN缓冲层。
可选地，低温GaN缓冲层的生长温度可为520～560℃，低温GaN缓冲层的生长压力可为100～200Torr，低温GaN缓冲层的生长厚度可为20～50nm。在此条件下生长得到的低温GaN缓冲层可有效保证在其上生长的三维生长GaN成核层的质量，保证最终得到的外延片的质量。
在本发明实施例提供的其他情况中，低温GaN缓冲层的生长温度也可为540°，可进一步提高低温GaN缓冲层的生长质量。
S203：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
可选地，三维生长GaN成核层的生长温度可为1100～1200℃。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。
未掺杂的GaN层的生长厚度可为1.2～1.6μm，以保证未掺杂的GaN层以及在未掺杂的GaN层上生长的N型GaN层的质量。
在本发明实施例提供的另一种情况中未掺杂的GaN层的生长厚度也可为1μm，得到的外延片的晶体质量较好。
S204：在未掺杂GaN层上生长AlInGaN层。
步骤S204中，在未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，可向反应腔内通入500～1000sccm的气态In。得到的AlInGaN层的质量较好，可有效保证外延片的发光效率。
示例性地，在未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，可向反应腔内通入200～300sccm的气态Al。得到的AlInGaN层的质量较好，可有效保证外延片的发光效率。
可选地，AlInGaN层的生长温度可为850～920℃。在此条件下得到的AlInGaN层的质量较好，可有效保证外延片的发光效率。
进一步地，AlInGaN层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下得到的AlInGaN层的质量较好，可有效保证外延片的发光效率。
可选地，AlInGaN层的生长厚度可为5～15nm。此时得到的外延片的晶体质量较好，可有效提高发光二极管的发光效率。在本发明实施例提供的另一种情况中，AlInGaN层的生长厚度可为10nm，可进一步提高发光二极管的发光效率。
在步骤S204中，还可在未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，向反应腔内通入300～500sccm的气态Mg。此时可保证得到的AlInGaN层的晶体质量，也可有效保证外延片的发光效率。
S205：在AlInGaN层上生长N型GaN层。
N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，N型GaN层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下能够得到质量较好的N型GaN层。
N型GaN层的生长厚度可为2～3μm。在此条件下的N型GaN层能够提供足够的电子并且降低外延片的制作成本。
S206：在N型GaN层上生长多量子阱层。
示例性地，多量子阱层可包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。InGaN阱层的厚度可为2～3nm，GaN垒层的厚度可为10～20nm。
可选地，多量子阱层中InGaN阱层的层数与GaN垒层的层数均可为10，能够得到质量较好的多量子阱层。
可选地，在生长多量子阱层时，GaN垒层的生长温度可为850～959℃，InGaN阱层的生长温度可为760～810℃。
可选地，InGaN阱层的生长压力与GaN垒层的生长压力均可为100～500Torr。此时得到的多量子阱层的质量较好。
S207：在多量子阱层上生长电子阻挡层。
示例性地，电子阻挡层可为p型氮化铝铟镓电子阻挡层，电子阻挡层10的生长厚度可为100nm。
S208：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
可选地，P型GaN层的生长厚度可为0.1～0.5μm。此时得到的发光二极管的发光效率较好。
进一步地，P型GaN层的生长厚度也可为0.2μm。可进一步提高P型GaN层的质量。
S209：在P型GaN层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层的生长厚度可为15nm，可保证发光二极管的外延片的质量。
P型接触层可为外延片的后续制作做准备。
执行完步骤S209之后的外延片的结构可参见图2。
可选地，本方法还可包括：在多量子阱层上生长完P型GaN层之后，在氮气气氛中对外延片进行退火处理。以消除部分外延片中存在的应力，保证外延片的晶体质量。
其中，退火温度可为650～850℃，退火时间可为5～15min。这种设置可大幅度消除应力。
在本发明实施例提供的另一种情况中，退火温度可为800℃，退火时长可为10min。
对外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成LED芯片。
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)

1.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、AlInGaN层、多量子阱层及P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlInGaN层中In的组分为0.01～0.05。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlInGaN层中Al的组分为0.1～0.3。
4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述AlInGaN层的厚度为5～15nm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述AlInGaN层中掺有Mg元素。
6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，所述AlInGaN层中Mg的掺杂浓度为5×1019～2×1018cm-3。
7.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长AlInGaN层
在所述AlInGaN层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型GaN层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，向反应腔内通入500～1000sccm的气态In。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述未掺杂GaN层上生长AlInGaN层时，向反应腔内通入200～300sccm的气态Al。
10.根据权利要求7～9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述AlInGaN层的生长温度为850～920℃。
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