CN109671814A - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层和P型接触层，多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，每层InGaN量子阱层内In的含量沿外延片的层叠方向逐渐减小。一方面，In的含量逐渐减小，可以使得量子阱层的导带和价带倾斜的方向相反，从而提高电子和空穴的波函数交叠程度。另一方面，每层量子阱层内In分布不均匀，会形成更多的准量子点，当电子和空穴注入时，很容易被这些准量子点俘获并辐射复合发光，进一步提高了LED的内量子发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的低温缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、AlGaN电子阻挡层和P型层。其中多量子阱层为由InGaN量子阱层和GaN量子垒层交替生长形成的多层结构。
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：
InGaN阱层和GaN垒层由于材料不同会产生晶格失配，致使多量子阱层的InGaN阱层和GaN垒层之间产生压应力。压应力会产生压电极化电场，使得多量子阱层的能带结构发生倾斜，电子和空穴分别向相反的方向聚集，导致电子和空穴波函数的交叠减少，进而降低了LED的内量子效率，即所谓的量子斯坦克效应。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法，可以提高电子和空穴的波函数交叠程度，提高LED的内量子发光效率。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、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层和P型接触层，所述多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，
每层所述InGaN量子阱层内In的含量沿所述外延片的层叠方向逐渐减小。
进一步地，每层所述InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
进一步地，所述多量子阱层的周期数为n，7≤n≤11。
进一步地，每层所述InGaN量子阱层的厚度为2～3nm。
另一方面，提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层；
在所述N型层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，每层所述InGaN量子阱层内In的含量沿所述外延片的层叠方向逐渐减小；
在所述多量子阱层上依次生长电子阻挡层、P型层和P型接触层。
进一步地，每层所述InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
进一步地，每层所述InGaN量子阱层的生长温度逐渐增大。
进一步地，每层所述InGaN量子阱层的生长温度由670～720℃逐渐增大至870～920℃。
进一步地，采用三甲基铟作为In源生长所述InGaN量子阱层，生长每层所述InGaN量子阱层时，通入的三甲基铟的流量逐渐减小。
进一步地，生长每层所述InGaN量子阱层时，通入的三甲基铟的流量由5000～8000sccm/s逐渐减小至0～500sccm/s。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明中每层InGaN量子阱层内In的含量沿外延片的层叠方向逐渐减小，一方面，In的含量逐渐减小，InGaN量子阱层的禁带宽度逐渐增大，导致InGaN量子阱层的能带发生变化，使得InGaN量子阱层的导带和价带倾斜的方向相反，则电子和空穴会朝向阱层的中部移动，提高了电子和空穴的波函数交叠程度，进而提高了LED的内量子效率。另一方面，每层InGaN量子阱层内In分布不均匀，会形成更多的准量子点，准量子点是富In区形成的易俘获载流子发光的点，准量子点越多，发光效率越高，当电子和空穴注入多量子阱层时，很容易被这些准量子点俘获并辐射复合发光，大大降低了电子和空穴发生非辐射复合的概率，进一步提高了LED的内量子发光效率。
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外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图；
图3是常规的量子阱层的能带结构和电子/空穴波函数示意图；
图4是本发明提供的量子阱层的能带结构和电子/空穴波函数示意图。
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外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型层7和P型接触层8。
多量子阱层5包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52。每层InGaN量子阱层51内In的含量沿外延片的层叠方向逐渐减小。
本发明中每层InGaN量子阱层内In的含量沿外延片的层叠方向逐渐减小，一方面，In的含量逐渐减小，InGaN量子阱层的禁带宽度逐渐增大，导致InGaN量子阱层的能带发生变化，使得InGaN量子阱层的导带和价带倾斜的方向相反，则电子和空穴会朝向阱层的中部移动，提高了电子和空穴的波函数交叠程度，进而提高了LED的内量子效率。另一方面，每层InGaN量子阱层内In分布不均匀，会形成更多的准量子点，准量子点是富In区形成的易俘获载流子发光的点，准量子点越多，发光效率越高，当电子和空穴注入多量子阱层时，很容易被这些准量子点俘获并辐射复合发光，大大降低了电子和空穴发生非辐射复合的概率，进一步提高了LED的内量子发光效率。
优选地，每层InGaN量子阱层51内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。由于InGaN量子阱层51中的In含量与LED的发光波长有关，因此，通过控制In的含量，即可得到所需波长的LED。
在本实施例中，InGaN量子阱层51中In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2，对应的LED为蓝绿光LED。
进一步地，多量子阱层5的周期数为n，7≤n≤11。若n的取值过大，则会导致多量子阱层5的厚度过厚，使得LED的发光效率变低，且会造成材料的浪费。若n的取值过小，则多量子阱层5的厚度较薄，载流子的利用率达不到最大，会导致LED的发光效率变低。
进一步地，每层InGaN量子阱层51的厚度为2～3nm。若InGaN量子阱层51的厚度过厚，则会增强多量子阱层5中的极化效应，从而降低LED的发光效率。若InGaN量子阱层51的厚度过薄，则无法提供足够的区域使得电子和空穴进行辐射复合发光，也会导致LED的发光效率降低。
进一步地，每层GaN量子垒层52的厚度为9～11nm。若GaN量子垒层52的厚度过厚，会导致多量子阱层5的厚度过厚，影响LED的发光效率，同时还会增加制造成本。若GaN量子垒层52的厚度过薄，则起不到阻挡电子溢流的作用。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以为GaN层，厚度为25nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为1um。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为2um。
可选地，电子阻挡层6可以为AlInGaN层，厚度为100nm。
可选地，P型层7可以为掺Mg的GaN层，厚度为0.2um。
可选地，P型接触层8可以为重掺Mg的GaN层，厚度为15nm。
在本实施例中，外延片还可以包括设置在N型层4和多量子阱层5之间的应力释放层9，应力释放层9包括多个周期交替生长的InGaN层91和GaN层92。InGaN层91的厚度为2nm，GaN层92的厚度为30nm。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一衬底。
其中，衬底为蓝宝石衬底。
本发明采用MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备中生长外延片。采用高纯H2或高纯N2作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。
具体地，步骤201还包括：
将衬底放入MOCVD的反应室中进行退火处理，退火温度为1050℃，压力为200～500torr，退火时间为5～10min。然后对衬底进行氮化处理。
步骤202、在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，缓冲层为GaN层。
具体地，将反应室温度下降到540℃，压力控制在100～200torr，在衬底上生长25nm的缓冲层。
进一步地，步骤202还可以包括：
在缓冲层生长结束后，停止通入TMGa，将反应室温度升高至1040℃，对生长有缓冲层的衬底进行原位退火处理，退火时间为8min。
步骤203、在缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在1080～1120℃，压力控制在150～300torr，生长厚度为1um的未掺杂的GaN层。
步骤204、在未掺杂的GaN层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在1070～1110℃，压力控制在150～300torr，生长厚度为2um的N型层。
步骤205、在N型层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括6个周期交替生长的InGaN层和GaN层。
具体地，将反应室温度控制在850～900℃，压力控制在300torr，生长厚度为2nm的InGaN层。将反应室温度控制在850～900℃，压力控制在300torr，生长厚度为30nm的GaN层。
步骤206、在应力释放层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括n个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，7≤n≤11。每层InGaN量子阱层内In的含量沿外延片的层叠方向逐渐减小。
具体地，每层InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
在本实施例中，采用三甲基铟作为In源生长InGaN量子阱层，生长每层InGaN量子阱层时，通入的三甲基铟的流量逐渐减小。
可选地，生长每层InGaN量子阱层时，通入的三甲基铟的流量由5000～8000sccm/s逐渐减小至0～500sccm/s，以使得每层InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
进一步地，每层InGaN量子阱层的生长温度逐渐增大。
优选地，每层InGaN量子阱层的生长温度由670～720℃逐渐增大至870～920℃，以使得每层InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
具体地，步骤206可以包括：
控制反应室的温度由670～720℃逐渐增大至870～920℃，控制反应室压力为150～300，控制反应室内通入的三甲基铟的流量由5000～8000sccm/s逐渐减小至0～500sccm/s，生长厚度为2～3nm的InGaN量子阱层。
控制反应室温度为880～930℃，控制反应室压力为150～300torr，生长厚度为9～11nm的GaN量子垒层。
步骤207、在多量子阱层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层可以为AlInGaN层。
具体地，将反应室温度控制在950～1000℃，压力控制在100～200torr，生长厚度为100nm的电子阻挡层。
步骤208、在电子阻挡层上生长P型层。
在本实施例中，P型层为掺Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在900～970℃，压力控制在200～600torr，生长厚度为0.2um的P型层。
步骤209、在P型层上生长P型接触层。
在本实施例中，P型接触层为重掺Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在800～900℃，压力控制在200～300torr，生长厚度为15nm的P型接触层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至650～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
本发明中每层InGaN量子阱层内In的含量沿外延片的层叠方向逐渐减小，一方面，In的含量逐渐减小，InGaN量子阱层的禁带宽度逐渐增大，导致InGaN量子阱层的能带发生变化，使得InGaN量子阱层的导带和价带倾斜的方向相反，则电子和空穴会朝向阱层的中部移动，提高了电子和空穴的波函数交叠程度，进而提高了LED的内量子效率。另一方面，每层InGaN量子阱层内In分布不均匀，会形成更多的准量子点，准量子点是富In区形成的易俘获载流子发光的点，准量子点越多，发光效率越高，当电子和空穴注入多量子阱层时，很容易被这些准量子点俘获并辐射复合发光，大大降低了电子和空穴发生非辐射复合的概率，进一步提高了LED的内量子发光效率。
图3是常规的量子阱层的能带结构和电子/空穴波函数示意图，如图3所示，图中横坐标表示GaN外延层的厚度，纵坐标表示能量，图3中的量子阱层内In的含量是保持不变的。
图4本发明提供的量子阱层的能带结构和电子/空穴波函数示意图，如图4所示，图中横坐标表示GaN外延层的厚度，纵坐标表示能量，图4中的量子阱层内In的含量逐渐减少。
图3和图4中均有四条线，其中线I表示量子阱层的导带，线II表示电子的波函数，线III表示空穴的波函数，线IV表示量子阱层的价带。对比图3和图4可知，图4中量子阱层的导带和价带倾斜的方向相反，且图4中电子和空穴的波函数交叠程度更高，因此采用本发明的制造方法生长出的外延片制成的LED的内量子效率更高，发光效率更好。
以上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、未掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层和P型接触层，所述多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其特征在于，
每层所述InGaN量子阱层内In的含量沿所述外延片的层叠方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每层所述InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多量子阱层的周期数为n，7≤n≤11。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每层所述InGaN量子阱层的厚度为2～3nm。
5.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层；
在所述N型层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，每层所述InGaN量子阱层内In的含量沿所述外延片的层叠方向逐渐减小；
在所述多量子阱层上依次生长电子阻挡层、P型层和P型接触层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，每层所述InGaN量子阱层内In的含量由0.3～0.5逐渐减小至0～0.2。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，每层所述InGaN量子阱层的生长温度逐渐增大。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，每层所述InGaN量子阱层的生长温度由670～720℃逐渐增大至870～920℃。
9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，采用三甲基铟作为In源生长所述InGaN量子阱层，生长每层所述InGaN量子阱层时，通入的三甲基铟的流量逐渐减小。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，生长每层所述InGaN量子阱层时，通入的三甲基铟的流量由5000～8000sccm/s逐渐减小至0～500sccm/s。
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