CN111048631B - 发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管技术领域。将发光二极管外延片中的InGaN/GaN多量子阱层设置为包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元。第一复合单元包括层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，第二复合单元包括层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，第一InGaN阱层的厚度小于第二InGaN阱层的厚度，第二InGaN阱层保证InGaN/GaN多量子阱层的发光效率，厚度小于第二InGaN阱层的第一InGaN阱层，则可以在保证发光效率的同时减小第二InGaN阱层中的In含量，减小第一InGaN阱层会带来的极化效应。设置厚度大于第一GaN垒层的第二GaN垒层起到阻挡电子的作用，保证在InGaN/GaN多量子阱层中复合的电子与空穴的数量，整体提高InGaN/GaN多量子阱层的发光效应。
Description
技术领域
本公开涉及发光二极管技术领域，特别涉及发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种能发光的半导体电子元件，发光二极管被广泛应用于交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、户内外显示屏等照明设备中。在制备发光二极管时，需要先制备得到发光二极管外延片，再通过发光二极管外延片进行后续制作得到发光二极管。
发光二极管外延层的结构主要包括：衬底以及依次生长在衬底上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层，在电流作用下，空穴及电子会在InGaN/GaN多量子阱层中进行复合并发光。由于InGaN/GaN多量子阱层中存在压电极化与自发极化，压电极化与自发极化会引发量子限制斯塔克效应，即压电极化与自发极化导致电子-空穴对发生空间分离、波函数交叠量减少，引起InGaN/GaN多量子阱层发光效率下降、发光峰(吸收边)红移的现象。导致最终得到的InGaN/GaN多量子阱层的发光效率仍不够理想。
发明内容
本公开实施例提供了发光二极管外延片及其制备方法，能够提InGaN/GaN多量子阱层的发光效率。所述技术方案如下：
本公开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及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层，
所述InGaN/GaN多量子阱层包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元，所述第一复合单元包括依次层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，所述第二复合单元包括依次层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，所述第一InGaN阱层的厚度小于所述第二InGaN阱层的厚度，所述第一GaN垒层的厚度小于所述第二GaN垒层的厚度。
可选地，所述第一InGaN阱层中的In含量与所述第二InGaN阱层中的In含量的比值为1/10-1/20。
可选地，所述第一InGaN阱层的厚度为0.2-1.5nm，所述第一GaN垒层的厚度为2-4.5nm。
可选地，所述第一InGaN阱层的厚度与所述第二InGaN阱层的厚度的比为1:15～1:5，所述第一GaN垒层的厚度与所述第二GaN垒层的厚度的比为1:5～1:2。
可选地，所述第一InGaN阱层的厚度与所述第一GaN垒层的厚度的比值为1:15～1:10。
可选地，所述发光二极管外延片还包括多个发光复合层，所述发光复合层设置在所述InGaN/GaN多量子阱层与所述P型GaN层之间，所述发光复合层与所述第二复合单元的结构相同。
可选地，所述InGaN/GaN多量子阱层包括n个第一复合单元，其中，6≤n≤10且n为整数。
可选地，所述发光二极管外延片包括(n-4)个发光复合层。
本公开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；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长非掺杂的GaN层；
在所述非掺杂的GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层，所述InGaN/GaN多量子阱层包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元，所述第一复合单元包括依次层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，所述第二复合单元包括依次层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，所述第一InGaN阱层的厚度小于所述第二InGaN阱层的厚度，所述第一GaN垒层的厚度小于所述第二GaN垒层的厚度；
在所述InGaN/GaN多量子阱层上生长P型GaN层。
可选地，生长所述第一InGaN阱层时，向反应腔内通入200-600sccm的气态In，生长所述第二InGaN阱层时向所述反应腔内通入1200-2400sccm的气态In。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：将发光二极管外延片中的InGaN/GaN多量子阱层设置为包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元。第一复合单元包括依次层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，第二复合单元包括依次层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，第一InGaN阱层的厚度小于第二InGaN阱层的厚度，第二InGaN阱层可以保证InGaN/GaN多量子阱层的发光效率，厚度小于第二InGaN阱层的第一InGaN阱层，则可以在保证发光效率的同时减小第二InGaN阱层中的In含量，由此减小第一InGaN阱层会带来的极化效应。第一InGaN阱层厚度的减小会影响第一InGaN阱层对电子的捕获与阻挡，设置厚度大于第一GaN垒层的第二GaN垒层，第二GaN垒层起到阻挡电子的作用，减小电子会溢流至P型GaN层的时间，最终减小InGaN/GaN多量子阱层极化效应的同时保证在InGaN/GaN多量子阱层中复合的电子与空穴的数量，整体提高InGaN/GaN多量子阱层的发光效应。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开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及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、非掺杂的GaN层3、N型GaN层4、InGaN/GaN多量子阱层5及P型GaN层6。
InGaN/GaN多量子阱层5包括多个交替层叠的第一复合单元51与第二复合单元52，第一复合单元51包括依次层叠的第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512，第二复合单元52包括依次层叠的第二InGaN阱层521与第二GaN垒层522，第一InGaN阱层511的厚度小于第二InGaN阱层521的厚度，第一GaN垒层512的厚度小于第二GaN垒层522的厚度。
将发光二极管外延片中的InGaN/GaN多量子阱层5设置为包括多个交替层叠的第一复合单元51与第二复合单元52。第一复合单元51包括依次层叠的第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512，第二复合单元52包括依次层叠的第二InGaN阱层521与第二GaN垒层522，第一InGaN阱层511的厚度小于第二InGaN阱层521的厚度，第二InGaN阱层521可以保证InGaN/GaN多量子阱层5的发光效率，厚度小于第二InGaN阱层521的第一InGaN阱层511，则可以在保证发光效率的同时减小第二InGaN阱层521中的In含量，由此减小第一InGaN阱层511会带来的极化效应。第一InGaN阱层511厚度的减小会影响第一InGaN阱层511对电子的捕获与阻挡，设置厚度大于第一GaN垒层512的第二GaN垒层522，第二GaN垒层522起到阻挡电子的作用，减小电子会溢流至P型GaN层的时间，最终减小InGaN/GaN多量子阱层5极化效应的同时保证在InGaN/GaN多量子阱层5中复合的电子与空穴的数量，整体提高InGaN/GaN多量子阱层5的发光效应。
并且在本公开实施例中，极化效应的降低同样改善了InGaN/GaN多量子阱层5的能带弯曲程度，因此当输入不同的操作电流时InGaN/GaN多量子阱层5的发光波长和发光强度的变化幅度的变化也很小，可以提高InGaN/GaN多量子阱层5发光波长和发光亮度的一致性，InGaN/GaN多量子阱层5的发光效率也是整体提高的。
需要说明的是，由于第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512之间其实存在晶格失配，第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512之间的晶格失配会在第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512的晶体中造成压电极化与自发极化，第一InGaN阱层511厚度越大，第一InGaN阱层511中In含量越多，在第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512的晶体中会造成的极化效应越强，InGaN/GaN多量子阱层5的质量也会较差。第一InGaN阱层511厚度的减小可以减小第一InGaN阱层511中In含量，InGaN/GaN多量子阱层5的质量也会提高。
压电极化与自发自发极化在本公开中统称为极化效应。
在本公开中，缓冲层2可为GaN缓冲层2。
在本公开提供的其他实施例中，缓冲层2也可设置为AlN缓冲层2等结构，本公开在此不做限制。
示例性地，第一InGaN阱层511中的In含量与第二InGaN阱层521中的In含量的比值可为1/10-1/20。
第一InGaN阱层511中的In含量与第二InGaN阱层521中的In含量的比值在以上范围内时，第一InGaN阱层511与第二InGaN阱层521均可起到良好的发光作用，进一步提高发光二极管外延片的发光效果。
可选地，第一InGaN阱层511中的In含量与第二InGaN阱层521中的In含量的比值还可为1/12-1/20倍。
此时InGaN/GaN多量子阱层5整体的极化效应较小，并且发光二极管外延片的发光效率可以进一步得到提高。
示例性地，第一InGaN阱层511的厚度可为0.2-1.5nm，第一GaN垒层512的厚度可为2-4.5nm。
第一InGaN阱层511的厚度可为0.2-1.5nm，第一GaN垒层512的厚度可为2.5-4nm，相对传统的InGaN/GaN多量子阱层5中的阱层与垒层的厚度要小一些，可以较好地减小多量子阱层中的极化效应。并且将厚度设置在此范围内时，第一InGaN阱层511也可以起到一定的捕捉电子的作用，第一GaN垒层512也可以起到阻挡电子作用，InGaN/GaN多量子阱层5整体的发光效果较好。
可选地，第一InGaN阱层511的厚度还可为0.2-1nm。
此时发光二极管的外延片的发光效率可进一步提高。
示例性地，第一InGaN阱层511的厚度与第一GaN垒层512的厚度的比值可为1:15～1:10。
第一InGaN阱层511的厚度与第一GaN垒层512的厚度的比值在以上范围内时，第一InGaN阱层511与第一GaN垒层512自身的发光效果相对较好，可以避免InGaN/GaN多量子阱层5中发光不均的情况出现。
可选地，第二InGaN阱层521的厚度可为2.5-4nm，第二GaN垒层522的厚度可为5-8.5nm。
第二InGaN阱层521的厚度在以上范围内可以实现对电子与空穴的捕捉，第二GaN垒层522的厚度在以上范围则可以配合第一InGaN阱层511的厚度，实现对电子的阻挡作用，保证在InGaN/GaN多量子阱层5复合的电子与空穴的数量。
进一步地地，第二InGaN阱层521的厚度可为2.5-3.5nm，第二GaN垒层522的厚度可为70-130nm。此时InGaN/GaN多量子阱层5的发光效果进一步得到提高。
示例性地，第二InGaN阱层521的厚度与第二GaN垒层522的厚度的比值可为1:10～1:8。
此时InGaN/GaN多量子阱层5的发光效果进一步得到提高。
可选地，第一InGaN阱层511的厚度与第二InGaN阱层521的厚度的比为1:15～1:5，第一GaN垒层512的厚度与第二GaN垒层522的厚度的比为1:5～1:2。
这种设置可以在减小InGaN/GaN多量子阱层5的极化效应的同时，保证在InGaN/GaN多量子阱层5中进行复合的电子与空穴数量。
如图1所示，发光二极管外延片还可包括多个发光复合层7，发光复合层7设置在InGaN/GaN多量子阱层5与P型GaN层之间，发光复合层7与第二复合单元52的结构相同。
发光复合层7位于InGaN/GaN多量子阱层5与P型GaN层之间，可以作为空穴与电子的集中区域保证电子与空穴的复合效果，保证InGaN/GaN多量子阱层5的发光效果。
可选地，InGaN/GaN多量子阱层5包括n个第一复合单元51，其中，6≤n≤10且n为整数。
InGaN/GaN多量子阱层5中第一复合单元的数量在此范围内时，InGaN/GaN多量子阱层5的发光效果较好，发光二极管的制作成本也较为合理。
第二复合单元52的层数与第一复合单元51的层数相同。
在InGaN/GaN多量子阱层5包括n个第一复合单元51的基础上，发光二极管外延片可包括(n-4)个发光复合层7。
此时发光二极管外延片整体的发光效果较好，且发光较为均匀。
图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图，如图2所示，在图1中所示的发光二极管外延片的基础上，本公开还可在发光复合层7与P型GaN层之间增加设置电子阻挡层8。
电子阻挡层8可为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN层(y＝0.15-0.25)，本公开在此不做限制。
图3是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法可包括：
S101：提供一衬底。
可选地，衬底可为蓝宝石平片衬底。
步骤S101还可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5-6min。其中，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力控制在200-500torr。
可以进一步清理衬底，保证后续再衬底上生长的外延层的质量。
S102：在衬底上生长缓冲层。
其中，缓冲层可为GaN缓冲层。
可选地，GaN缓冲层的生长压力可为100-600torr，生长厚度为15-30nm，生长温度为530-560℃，生长压力为200-500torr。此时能够得到质量较好的GaN缓冲层。
S103：在缓冲层上生长非掺杂的GaN层。
非掺杂的GaN层的厚度可为2-3.5um。非掺杂的GaN层的生长温度可为1000-1100℃，生长压力为200-600torr。此时能够得到质量较好的非掺杂的GaN层。
S104：在非掺杂的GaN层上生长N型GaN层。
N型GaN层可以为掺Si的GaN层，厚度为2-3um。生长N型层时，反应室温度为1000-1100℃，反应室压力可控制在150-300torr。
S105：在N型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层。
InGaN/GaN多量子阱层包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元，第一复合单元包括依次层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，第二复合单元包括依次层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，第一InGaN阱层的厚度小于第二InGaN阱层的厚度，第一GaN垒层的厚度小于第二GaN垒层的厚度。
InGaN/GaN多量子阱层在生长时，反应室压力可控制在200torr。生长第一InGaN阱层与第二InGaN阱层时，反应室温度为760-780℃。生长第一GaN垒层与第二GaN垒层时，反应室温度为860-890℃。
此时InGaN/GaN多量子阱层的整体质量较好。
步骤S105中，可在N型GaN层上先生长第二复合单元，再依次循环生长第一复合单元与第二复合单元。
此时第二复合单元可以为后续结构的生长提高良好的生长基础。
在本公开所提供的其他实施例中，也可以在N型GaN层上先生长第一复合单元，再依次循环生长第二复合单元与第一复合单元，本公开对此不做限制。
步骤S105中，生长第一InGaN阱层时，可向反应腔内通入200-600sccm的气态In，生长第二InGaN阱层时向反应腔内通入1200-2400sccm的气态In。
此时能够得到较为稳定且发光效果较好的InGaN/GaN多量子阱层。
S106：在InGaN/GaN多量子阱层上生长电子阻挡层。
可选地，电子阻挡层可为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15-0.25)，电子阻挡层的厚度为30-50nm。
生长电子阻挡层时，反应室温度可为930-970℃，反应室压力控制在100torr。
S107：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
具体地，P型层为高温高掺杂Mg的GaN层，其厚度为50-80nm。
具体地，生长P型GaN层时，反应室温度可为940-980℃，反应室压力可控制在200-600torr。
可选地，在本实施例中，可采用Veeco K465i or C4 orRBMOCVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，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。
将发光二极管外延片中的InGaN/GaN多量子阱层设置为包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元。第一复合单元包括依次层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，第二复合单元包括依次层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，第一InGaN阱层的厚度小于第二InGaN阱层的厚度，第二InGaN阱层可以保证InGaN/GaN多量子阱层的发光效率，厚度小于第二InGaN阱层的第一InGaN阱层，则可以在保证发光效率的同时减小第二InGaN阱层中的In含量，由此减小第一InGaN阱层会带来的极化效应。第一InGaN阱层厚度的减小会影响第一InGaN阱层对电子的捕获与阻挡，设置厚度大于第一GaN垒层的第二GaN垒层，第二GaN垒层起到阻挡电子的作用，减小电子会溢流至P型GaN层的时间，最终减小InGaN/GaN多量子阱层极化效应的同时保证在InGaN/GaN多量子阱层中复合的电子与空穴的数量，整体提高InGaN/GaN多量子阱层的发光效应。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
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(1)及依次层叠在所述衬底(1)上的缓冲层(2)、非掺杂的GaN层(3)、N型GaN层(4)、InGaN/GaN多量子阱层(5)及P型GaN层(6)，其特征在于，
所述InGaN/GaN多量子阱层(5)包括多个交替层叠的第一复合单元(51)与第二复合单元(52)，所述第一复合单元(51)包括依次层叠的第一InGaN阱层(511)与第一GaN垒层(512)，所述第二复合单元(52)包括依次层叠的第二InGaN阱层(521)与第二GaN垒层(522)，所述第一InGaN阱层(511)的厚度小于所述第二InGaN阱层(521)的厚度，所述第一GaN垒层(512)的厚度小于所述第二GaN垒层(522)的厚度，
所述第一InGaN阱层(511)的厚度为0.2-1.5nm，所述第一GaN垒层(512)的厚度为2-4.5nm，所述第二InGaN阱层(521)的厚度为2.5-4nm，所述第二GaN垒层(522)的厚度为5-8.5nm，所述第一InGaN阱层(511)中的In含量与所述第二InGaN阱层(521)中的In含量的比值为1/10-1/20。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一InGaN阱层(511)的厚度与所述第二InGaN阱层(521)的厚度的比为1:15～1:5，所述第一GaN垒层(512)的厚度与所述第二GaN垒层(522)的厚度的比为1:5～1:2。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一InGaN阱层(511)的厚度与所述第一GaN垒层(512)的厚度的比值为1:15～1:10。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括多个发光复合层(7)，所述发光复合层(7)设置在所述InGaN/GaN多量子阱层(5)与所述P型GaN层(6)之间，所述发光复合层(7)与所述第二复合单元(52)的结构相同。
5.根据权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InGaN/GaN多量子阱层(5)包括n个第一复合单元(51)，其中，6≤n≤10且n为整数。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括(n-4)个发光复合层(7)。
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；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长非掺杂的GaN层；
在所述非掺杂的GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN多量子阱层，所述InGaN/GaN多量子阱层包括多个交替层叠的第一复合单元与第二复合单元，所述第一复合单元包括依次层叠的第一InGaN阱层与第一GaN垒层，所述第二复合单元包括依次层叠的第二InGaN阱层与第二GaN垒层，所述第一InGaN阱层的厚度小于所述第二InGaN阱层的厚度，所述第一GaN垒层的厚度小于所述第二GaN垒层的厚度，
所述第一InGaN阱层(511)的厚度为0.2-1.5nm，所述第一GaN垒层(512)的厚度为2-4.5nm，所述第二InGaN阱层(521)的厚度为2.5-4nm，所述第二GaN垒层(522)的厚度为5-8.5nm，所述第一InGaN阱层(511)中的In含量与所述第二InGaN阱层(521)中的In含量的比值为1/10-1/20；
在所述InGaN/GaN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，生长所述第一InGaN阱层时，向反应腔内通入200-600sccm的气态In，生长所述第二InGaN阱层时向所述反应腔内通入1200-2400sccm的气态In。
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