CN109786530B - 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，属于GaN基发光二极管领域。所述发光二极管外延片包括：衬底、在所述衬底上顺次沉积的缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层、以及P型接触层，所述电子阻挡层包括层叠的至少一个AlN子层和至少一个MgN子层。

Description

一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及GaN基发光二极管领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

GaN(氮化镓)基LED(LightEmitting Diode，发光二极管)，也称GaN基 LED芯片，一般包括外延片和在外延片上制备的电极。外延片通常包括：衬底、以及顺次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层和接触层。当有电流注入GaN基LED时，N型GaN层等N型区的电子和P型掺杂GaN层等P 型区的空穴进入MQW有源区并且复合，发出可见光。其中，电子阻挡层的材质一般是采用AlGaN。

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：AlGaN 电子阻挡层形成的能阶较低，对电子的阻挡作用较弱，MQW层中的电子大量溢出至P型掺杂GaN层，致使电子和空穴的辐射复合效率大大降低。

发明内容

本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，能够增强电子阻挡层的电子阻挡作用，降低电子溢流。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括：

衬底、在所述衬底上顺次沉积的缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层、以及P型接触层，所述电子阻挡层包括层叠的至少一个AlN子层和至少一个MgN子层。

可选地，当所述电子阻挡层包括多个所述AlN子层和多个所述MgN子层时，所述电子阻挡层为所述AlN子层和所述MgN子层交替生长的周期性结构。

可选地，所述AlN子层的数量大于所述MgN子层的数量，所述电子阻挡层中与所述多量子阱层接触的子层、以及所述电子阻挡层中与所述P型掺杂GaN 层接触的子层均为所述AlN子层。

可选地，所述AlN子层中的Al组分含量按照所述AlN子层的层叠顺序逐层升高，距离所述多量子阱层较近的AlN子层中的Al组分含量比距离所述多量子阱层较远的AlN子层中的Al组分含量低。

可选地，所述电子阻挡层的厚度为1～10nm。

第二方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层；

在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，所述电子阻挡层包括层叠的至少一个AlN子层和至少一个MgN子层；

在所述电子阻挡层上顺次沉积P型掺杂GaN层、以及P型接触层。

可选地，所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：

将放置沉积有所述多量子阱层的衬底的反应腔内的温度调整在500～ 1200℃，压力调整在100～550Torr后，在所述多量子阱层上沉积所述电子阻挡层。

可选地，当所述电子阻挡层包括多个所述AlN子层和多个所述MgN子层时，所述电子阻挡层为所述AlN子层和所述MgN子层交替生长的周期性结构。

可选地，所述AlN子层中的Al组分含量按照所述AlN子层的层叠顺序逐层升高，距离所述多量子阱层较近的AlN子层中的Al组分含量比距离所述多量子阱层较远的AlN子层中的Al组分含量低。

可选地，在生长Al组分含量最低的AlN子层时，向所述反应腔通入的Al 源的流量为10～100sccm，在生长Al组分含量最高的AlN子层时，向所述反应腔通入的Al源的流量为100～200sccm。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过电子阻挡层包括层叠的至少一个AlN子层和至少一个MgN子层，相比于传统的AlGaN电子阻挡层，一方面，AlN子层提供高含量的Al掺杂，而高含量的Al掺杂能形成较高的能阶，在电子空穴进入量子阱后，增大对电子的阻挡作用，减少电子溢流，从而提高电子的注入效率，进而提高发光二极管的发光效率；另一方面，MgN 子层提供高含量的Mg掺杂，可以增加空穴的注入，使更多的电子空穴复合被消耗掉，能进一步减少电子溢流，提高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GaN基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电子阻挡层的结构示意图；

图3和图4均是本发明实施例提供的一种GaN基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。

图1示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片。参见图1，该发光二极管外延片包括：衬底1、以及在衬底1上顺次沉积的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型掺杂GaN 层7和P型接触层8。其中，电子阻挡层6包括层叠的至少一个AlN子层61和至少一个MgN子层62。

通过电子阻挡层6包括层叠的至少一个AlN子层61和至少一个MgN子层 62，相比于传统的AlGaN电子阻挡层，一方面，AlN子层61提供高含量的Al 掺杂，而高含量的Al掺杂能形成较高的能阶，在电子空穴进入量子阱后，增大对电子的阻挡作用，减少电子溢流，从而提高电子的注入效率，进而提高发光二极管的发光效率；另一方面，MgN子层62提供高含量的Mg掺杂，可以增加空穴的注入，使更多的电子空穴复合被消耗掉，能进一步减少电子溢流，提高 LED的发光效率。

示例性地，衬底1可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(Al₂O₃)。

示例性地，缓冲层2可以是AlN缓冲层，厚度可以是15至35nm。

示例性地，未掺杂GaN层3的厚度为0.5至4.5微米。

示例性地，N型掺杂GaN层4的厚度为1.5至5.5微米。

示例性地，多量子阱层5为GaN垒层与InGaN阱层交替生长的超晶格结构。例如，多量子阱层5包括若干层叠的GaN垒层，相邻两个GaN垒层之间设有 InGaN阱层。多量子阱层5中，多量子阱层包括6～12个InGaN阱层和6～12个 GaN垒层。InGaN阱层的厚度为1至4nm，GaN垒层的厚度为8至18nm。

示例性地，参见图1，电子阻挡层6仅包括两个子层：一个AlN子层61和一个MgN子层62。这时，AlN子层61可以位于多量子阱层5与MgN子层62 之间(如图1所示)，或者，MgN子层62可以位于多量子阱层5与AlN子层61 之间。

示例性地，参见图2，当电子阻挡层6包括多个AlN子层61和多个MgN 子层62时，电子阻挡层6为AlN子层61和MgN子层62交替生长的周期性结构。这种两种不同组分交替生长的周期性结构(超晶格结构)能提高晶体质量，减少杂质对光的吸收，提高LED芯片的出光效率。

需要说明的是，在本实施例中，当电子阻挡层6为AlN子层61和MgN子层62交替生长的周期性结构时，AlN子层61与MgN子层62的数量可以相同，也可以相差一层。

在上述AlN子层61和MgN子层62交替生长的周期性结构中，AlN子层 61的数量大于MgN子层62的数量(AlN子层61的数量比MgN子层62的数量大1)，电子阻挡层6中与多量子阱层5接触的子层、以及电子阻挡层6中与 P型掺杂GaN层7接触的子层均为AlN子层61(参见图2)。通过AlN子层61 与多量子阱层5直接接触，可以更好的阻挡电子，减少电子溢流，并且防止Mg 渗透到多量子阱层5中而破坏InGaN阱层。

在上述AlN子层61和MgN子层62交替生长的周期性结构中，AlN子层 61中的Al组分含量按照AlN子层61的层叠顺序逐层升高，距离多量子阱层5 较近的AlN子层61中的Al组分含量比距离多量子阱层5较远的AlN子层61 中的Al组分含量低。

通过电子阻挡层6中Al可以为由低到高渐变方式掺杂，距离多量子阱层5 较近的AlN子层61中的Al组分含量比距离多量子阱层5较远的AlN子层61 中的Al组分含量低，能够形成逐渐加高的能阶，逐渐降低电子的迁移速率，使更多的电子被阻挡，减少电子溢流。

在上述AlN子层61和MgN子层62交替生长的周期性结构中，各个MgN 子层62中的Mg组分含量可以相同。示例性地，电子阻挡层6中的Mg掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

示例性地，单个AlN子层61的厚度为2-5nm(比如3nm)，单个MgN子层 62的厚度为1-3nm(比如2nm)。其中，MgN子层62的厚度低于AlN子层61 的厚度。基于此，AlN子层61和MgN子层62的数量可以为1-8。例如，单个 AlN子层61的厚度为2nm，单个MgN子层62的厚度为1nm，AlN子层61的数量为3，MgN子层62的数量为2。

示例性地，电子阻挡层6的厚度为1～20nm，优选地，电子阻挡层6的厚度为1～10nm。相比于传统AlGaN电子阻挡层高达100nm的厚度，本实施例提供的电子阻挡层的厚度较小，能够减小整个外延片的厚度，使外延片制备得到的芯片能够适用更多的场景。

示例性地，P型掺杂GaN层7的厚度为500nm～2000nm。P型掺杂GaN层 7中P型掺杂为Mg掺杂，Mg掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～1×10²¹cm^-3，远远大于电子阻挡层6中的Mg掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

示例性地，P型接触层8为GaN或者InGaN层，其厚度为5nm至300nm。

图3示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法。参见图3，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

步骤102、在衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层。

步骤103、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

其中，电子阻挡层包括层叠的至少一个AlN子层和至少一个MgN子层。

步骤104、在电子阻挡层上顺次沉积P型掺杂GaN层、以及P型接触层。

其中，可以采用图3示出的方法制备得到图1或图2示出的发光二极管外延片。

本发明实施例通过电子阻挡层包括层叠的至少一个AlN子层和至少一个 MgN子层，相比于传统的AlGaN电子阻挡层，一方面，AlN子层提供高含量的 Al掺杂，而高含量的Al掺杂能形成较高的能阶，在电子空穴进入量子阱后，增大对电子的阻挡作用，减少电子溢流，从而提高电子的注入效率，进而提高发光二极管的发光效率；另一方面，MgN子层提供高含量的Mg掺杂，可以增加空穴的注入，使更多的电子空穴复合被消耗掉，能进一步减少电子溢流，提高 LED的发光效率。

图4示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法。可以采用图4示出的方法制备得到图1或图2示出的发光二极管外延片。参见图4，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底。

示例性地，衬底可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(Al₂O₃)。

步骤202、对衬底进行退火处理。

其中，退火处理方式包括：将衬底放置到PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)设备的反应腔内，并对反应腔进行抽真空，抽真空的同时开始对蓝宝石衬底进行加热升温。当本底真空抽至低于1*10^-7Torr时，将加热温度稳定在350～750℃，对蓝宝石衬底进行烘烤，烘烤时间为2～12分钟。

步骤203、在衬底上沉积AlN缓冲层。

AlN缓冲层的生长方式包括：将PVD设备的反应腔内温度调整至 400-700℃，调整溅射功率为3000～5000W，调整压力为1～10torr，生长15至35nm 厚的AlN缓冲层。

需要说明的是，外延层中的未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、 BInAlN层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层、以及P型接触层均可以采用MOCVD (Metal-organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法生长。在具体实现时，通常是将衬底放在石墨托盘上送入MOCVD设备的反应腔中进行外延材料的生长，因此上述生长过程中控制的温度和压力实际上是指反应腔内的温度和压力。具体地，采用三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷， P型掺杂剂选用二茂镁。

步骤204、在AlN缓冲层上沉积未掺杂GaN层。

示例性地，未掺杂GaN层的生长温度为900℃-1120℃，生长厚度在0.5至 4.5微米之间，生长压力在150Torr至550Torr之间。

步骤205、在未掺杂GaN层上沉积N型掺杂GaN层。

示例性地，N型GaN层的厚度在1.5-5.5微米之间，生长温度在950℃ -1150℃，生长压力在50-450Torr左右，Si掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3-1×10¹⁹cm^-3之间。

步骤206、在N型掺杂GaN层上沉积多量子阱层。

其中，多量子阱层为GaN垒层与InGaN阱层交替生长的超晶格结构。例如，多量子阱层包括若干层叠的GaN垒层，相邻两个GaN垒层之间设有InGaN阱层。示例性地，多量子阱层包括6～12个InGaN阱层和6～12个GaN垒层。其中， InGaN阱层的厚度为1-4nm，生长温度为750-840℃，生长压力为50-550Torr； GaN垒层的厚度为8～18nm，生长温度为820-950℃，生长压力为50-100Torr。

步骤207、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为P型AlGaN层，电子阻挡层的生长温度在800℃与1000℃之间，生长压力为50Torr与500Torr之间。电子阻挡层的厚度在20nm 至100nm之间。

其中，步骤207可以包括：将放置沉积有多量子阱层的衬底的反应腔内的温度调整在500～1200℃，压力调整在100～550Torr后，在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

示例性地，当电子阻挡层包括多个AlN子层和多个MgN子层时，电子阻挡层为AlN子层和MgN子层交替生长的周期性结构。

示例性地，基于电子阻挡层为AlN子层和MgN子层交替生长的周期性结构， AlN子层的数量大于MgN子层的数量，电子阻挡层中与多量子阱层接触的子层、以及电子阻挡层中与P型掺杂GaN层接触的子层均为AlN子层。

示例性地，基于电子阻挡层为AlN子层和MgN子层交替生长的周期性结构， AlN子层中的Al组分含量按照AlN子层的层叠顺序逐层升高，距离多量子阱层较近的AlN子层中的Al组分含量比距离多量子阱层较远的AlN子层中的Al组分含量低。

示例性地，在生长Al组分含量最低的AlN子层时，向反应腔通入的Al源的流量为10～100sccm，在生长Al组分含量最高的AlN子层时，向反应腔通入的Al源的流量为100～200sccm。

示例性地，在生长MgN子层时，向反应腔通入的Mg源的流量为20～200 sccm。基于此，电子阻挡层6中的Mg掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

示例性地，单个AlN子层61的厚度为2-5nm(比如3nm)，单个MgN子层 62的厚度为1-3nm(比如2nm)。其中，MgN子层62的厚度低于AlN子层61 的厚度。基于此，AlN子层61和MgN子层62的数量可以为1-8。基于此，电子阻挡层的厚度为1～10nm。

步骤208、在电子阻挡层上沉积P型掺杂GaN层。

示例性地，P型掺杂GaN层的生长温度为600℃～1100℃，生长压力为 20-800torr，P型掺杂GaN层的厚度可以为500nm～2000nm。

步骤209、在P型掺杂GaN层上沉积P型接触层。

示例性地，P型接触层为GaN或者InGaN层，其厚度为5nm至300nm之间，生长温度区间为850℃-1050℃，生长压力区间为100Torr-300Torr。

示例性地，P型接触层生长结束后，将MOCVD设备的反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

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 (5)

1.一种GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括：

衬底、在所述衬底上顺次沉积的缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层、以及P型接触层，

所述电子阻挡层包括多个AlN子层和多个MgN子层，所述电子阻挡层为所述AlN子层和所述MgN子层交替生长的周期性结构，所述AlN子层中的Al组分含量按照所述AlN子层的层叠顺序逐层升高，距离所述多量子阱层较近的AlN子层中的Al组分含量比距离所述多量子阱层较远的AlN子层中的Al组分含量低，各个所述MgN子层中的Mg组分含量相同，所述电子阻挡层中的Mg掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，

所述AlN子层的数量大于所述MgN子层的数量，所述电子阻挡层中与所述多量子阱层接触的子层、以及所述电子阻挡层中与所述P型掺杂GaN层接触的子层均为所述AlN子层，

所述P型掺杂GaN层中P型掺杂为Mg掺杂且所述P型掺杂GaN层的Mg掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～1×10²¹cm^-3。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为1～10nm。

3.一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层；

在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，所述电子阻挡层包括多个AlN子层和多个MgN子层，所述电子阻挡层为所述AlN子层和所述MgN子层交替生长的周期性结构，所述AlN子层中的Al组分含量按照所述AlN子层的层叠顺序逐层升高，距离所述多量子阱层较近的AlN子层中的Al组分含量比距离所述多量子阱层较远的AlN子层中的Al组分含量低，各个所述MgN子层中的Mg组分含量相同，所述电子阻挡层中的Mg掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3；

在所述电子阻挡层上顺次沉积P型掺杂GaN层、以及P型接触层，所述AlN子层的数量大于所述MgN子层的数量，所述电子阻挡层中与所述多量子阱层接触的子层、以及所述电子阻挡层中与所述P型掺杂GaN层接触的子层均为所述AlN子层，所述P型掺杂GaN层中P型掺杂为Mg掺杂且所述P型掺杂GaN层的Mg掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～1×10²¹cm^-3。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：

将放置沉积有所述多量子阱层的衬底的反应腔内的温度调整在500～1200℃，压力调整在100～550Torr后，在所述多量子阱层上沉积所述电子阻挡层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

在生长Al组分含量最低的AlN子层时，向所述反应腔通入的Al源的流量为10～100sccm，在生长Al组分含量最高的AlN子层时，向所述反应腔通入的Al源的流量为100～200sccm。

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