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CN113206175A - 发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

发光二极管外延片及其制备方法 Download PDF

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CN113206175A CN202110305662.XA CN202110305662A CN113206175A CN 113206175 A CN113206175 A CN 113206175A CN 202110305662 A CN202110305662 A CN 202110305662A CN 113206175 A CN113206175 A CN 113206175A
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HC Semitek Zhejiang Co Ltd
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Abstract

本发明公开了发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管制作领域。在多量子阱层和AlGaN电子阻挡层之间增加复合层，复合层包括依次层叠在多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层。第一子层中交替层叠的InN层与掺有p型杂质的GaN层，提高GaN层中空穴数量。第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，提高复合层的质量的同时起到一定的阻挡电子的作用。最后通过生长包括AlGaN层的第三子层，复合层及复合层后的AlGaN电子阻挡层的质量均可以得到提高，进入多量子阱层内的空穴数量也可以得到提高，最终发光二极管的发光效率可以得到大幅度提高。

Description

发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及发光二极管制作领域，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。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，提高芯片发光效率是发光二极管不断追求的目标。
发光二极管外延片是用于制备发光二极管的基础结构，发光二极管外延片通常包括衬底及在衬底上依次生长的n型GaN层、多量子阱层、低温p型层、AlGaN电子阻挡层与p型GaN层。
低温p型层通常为在低压环境下生长的重掺Mg的AlGaN材料，设置低压环境目的有减少Al源的预反应，增加Al掺的效率，减少Al杂质的形成，但低压环境会导致C杂质含量增加引起低温p型层内缺陷数量增加，不利于Mg原子的掺入与空穴进入多量子阱层中。
发明内容
本发明实施例提供了发光二极管外延片及其制备方法，能够提高发光二极管外延片的质量并增加进入多量子阱层的空穴数量。所述技术方案如下：
本发明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n型GaN层、多量子阱层、复合层、AlGaN电子阻挡层与p型GaN层，
所述复合层包括依次层叠在所述多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层，所述第一子层包括交替层叠的GaN层与InN层，所述GaN层中掺有p型杂质，所述第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，所述第三子层包括AlGaN层。
可选地，所述第一子层的厚度为20～200埃，所述第二子层的厚度为2～20埃，所述第三子层的厚度为10～100埃。
可选地，所述GaN层的厚度与所述InN层的厚度之比为10:1～100:1。
可选地，所述GaN层中掺杂元素为Mg，所述Mg的掺杂浓度为1×1020～1×1021cm-3。
可选地，所述SiN层的厚度与所述AlN层的厚度之比为1:1～1:10。
可选地，所述SiN层中掺有In元素，所述AlN层中掺有Si元素。
可选地，所述第三子层中掺有Mg。
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n型GaN层；
在所述n型GaN层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长复合层，所述复合层包括依次层叠在所述多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层，所述第一子层包括交替层叠的GaN层与InN层，所述GaN层中掺有p型杂质，所述第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，所述第三子层包括AlGaN层；
在所述复合层上生长AlGaN电子阻挡层；
在所述AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。
可选地，所述第一子层的生长压力高于所述第三子层的生长压力，所述第三子层的生长压力高于所述第二子层的生长压力。
可选地，所述第一子层的生长压力为200～600torr，所述第二子层的生长压力为75～150torr，所述第三子层的生长压力为100～300torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在多量子阱层和AlGaN电子阻挡层之间增加复合层，复合层包括依次层叠在多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层。第一子层中交替层叠的InN层与掺有p型杂质的GaN层，一方面GaN层可以提供部分空穴，另一方面InN层可以作为杂质能级以降低Mg的活化能级，以降低Mg的活化能，提高GaN层中空穴数量，最终增加进入多量子阱层中的空穴数量。第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，晶格较小的SiN材料和AlN材料对第一部分和V型缺陷具有一定修复和屏蔽的作用，且AlN层同时可以起到阻挡电子的作用，可以提高复合层的质量的同时起到一定的阻挡电子的作用。SiN层与AlN层之间还可以形成二维电子气，可以提高空穴的扩展能力。最后通过生长包括AlGaN层的第三子层，起到恢复外延片的表面平整作用的同时有效过渡至AlGaN电子阻挡层。复合层及复合层后的AlGaN电子阻挡层的质量均可以得到提高，进入多量子阱层内的空穴数量也可以得到提高，最终发光二极管的发光效率可以得到大幅度提高。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管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是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种发光二极管外延片，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n型GaN层2、多量子阱层3、复合层4、AlGaN电子阻挡层5与p型GaN层6。
复合层4包括依次层叠在多量子阱层3上的第一子层41、第二子层42与第三子层43，第一子层41包括交替层叠的GaN层411与InN层412，GaN层411中掺有p型杂质，第二子层42包括交替层叠的SiN层421与AlN层422，第三子层43包括AlGaN层。
在多量子阱层3和AlGaN电子阻挡层5之间增加复合层4，复合层4包括依次层叠在多量子阱层3上的第一子层41、第二子层42与第三子层43。第一子层41中交替层叠的InN层412与掺有p型杂质的GaN层411，一方面GaN层411可以提供部分空穴，另一方面InN层412可以作为杂质能级以降低Mg的活化能级，以降低Mg的活化能，提高GaN层411中空穴数量，最终增加进入多量子阱层3中的空穴数量。第二子层42包括交替层叠的SiN层421与AlN层422，晶格较小的SiN材料和AlN材料对第一部分和V型缺陷具有一定修复和屏蔽的作用，且AlN层422同时可以起到阻挡电子的作用，可以提高复合层4的质量的同时起到一定的阻挡电子的作用。SiN层421与AlN层422之间还可以形成二维电子气，可以提高空穴的扩展能力。最后通过生长包括AlGaN层的第三子层43，起到恢复外延片的表面平整作用的同时有效过渡至AlGaN电子阻挡层5。复合层4及复合层4后的AlGaN电子阻挡层5的质量均可以得到提高，进入多量子阱层3内的空穴数量也可以得到提高，最终发光二极管的发光效率可以得到大幅度提高。
可选地，第一子层41的厚度为20～200埃，第二子层42的厚度为2～20埃，第三子层43的厚度为10～100埃。
第一子层41的厚度、第二子层42的厚度与第三子层43的厚度分别在以上范围内时，复合层4整体的质量较好，在复合层4上生长的AlGsN电子阻挡层5的质量也较好，且复合层4本身也可以提供一定的空穴进入多量子阱层3中，通过复合层4进入多量子阱层3中的空穴的分布也较为均匀，一定程度上可以提高发光二极管的发光效率与发光均匀度。
示例性地，GaN层411的厚度与InN层412的厚度之比为10:1～100:1。
GaN层411的厚度与InN层412的厚度之比在以上范围内时，第一子层41的内部质量较好，并且第一子层41中可以提供即为充足的空穴，保证最终进入多量子阱层3中进行复合发光的空穴数量较多，以最终提高发光二极管的发光效率。
示例性地，GaN层411中掺杂元素为Mg，Mg的掺杂浓度为1×1020～1×1021cm-3。
GaN层411中掺杂元素为Mg且Mg的掺杂浓度在以上范围内时，GaN层411可以提供非常充足的空穴进入多量子阱层3中，以提高最终得到的发光二极管的发光效率。
可选地，GaN层411的厚度可为10～100埃，InN层412的厚度可为0.1～5埃。
第一子层41中GaN层411的厚度与InN层412的厚度分别在以上范围内时，非常薄的InN层412可以作为杂质能级引入，起到降低Mg的活化能的作用，有效提高GaN层411所能提供的空穴数量。同时，第一子层41整体的质量较好，且第一子层41的制备成本也不会过高。
可选地，GaN层411的层数与InN层412的层数均可为2～10。
GaN层411的层数与InN层412的层数在以上范围内时，得到的第一子层41的质量较好，也可以提供充足的空穴，最终得到的发光二极管的发光效率可以进一步提高。
示例性地，SiN层421的厚度与AlN层422的厚度之比为10:1～100:1。
SiN层421的厚度与AlN层422的厚度之比在以上范围内时，第二子层42的内部质量较好，并且第二子层42也可以使得空穴得到良好的平铺扩展，以最终提高发光二极管的发光均匀度。
可选地，SiN层421的厚度可为1～10埃，AlN层422的厚度可为1～10埃。
第二子层42中SiN层421的厚度与AlN层422的厚度分别在以上范围内时，能够在第二子层42的内部形成良好的二维电子气以提高空穴的扩展能力。同时，第二子层42整体的质量较好，且第二子层42的制备成本也不会过高。
可选地，SiN层421的层数与AlN层422的层数均可为2～10。
SiN层421的层数与AlN层422的层数在以上范围内时，得到的第二子层42的质量较好，也可以有效扩展空穴，最终得到的发光二极管的发光均匀度可以进一步提高。
示例性地，SiN层421中掺有In元素，AlN层422中掺有Si元素。
SiN层421中掺有In元素，AlN层422中掺有Si元素之后，SiN层421的晶格常数与AlN层422的晶格常数会更为接近，SiN层421与AlN层422之间的晶格失配小，第二子层42中存在的极化效应会较小，极化效应导致的缺陷较少，最终提高第二子层42的晶体质量。
可选地，SiN层421中In的组分为0.01～1at％，AlN层422中Si元素的掺杂浓度为1×1016～1×1018cm-3。
SiN层421中In的组分与AlN层422中Si元素的掺杂浓度分别在以上范围内时，可以得到质量较好的第二子层42，进一步保证第二子层42上生长的第三子层43的晶体质量。
可选地，第三子层43中掺有Mg。
第三子层43中掺杂有Mg，可以作为补充空穴的层次，提高最终可以进入多量子阱层3中进行复合发光的空穴数量。
示例性地，第三子层43中Mg的掺杂浓度为1×1018～1×1020cm-3。能够保证第三子层43的质量的同时，有效提高进入多量子阱层3中的空穴数量。
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，参考图2可知，在本公开提供的另一种实现方式中，发光二极管外延片可包括衬底1及生长在衬底1上的缓冲层7、非掺杂GaN层8、n型GaN层2、多量子阱层3、复合层4、AlGaN电子阻挡层5、p型GaN层6及p型接触层9。
需要说明的是，图2中所示的复合层4与图1中所示的复合层4的结构相同，此处不再赘述。
可选地，衬底1可为蓝宝石衬底。易于制作与获取。
示例性地，缓冲层7可为AlN材料制备。可以起到一定的缓解晶格失配的效果。
示例性地，非掺杂GaN层8的厚度可为0.5～3μm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。
在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂GaN层8的厚度还可为1μm。本公开对此不做限制。
可选地，n型GaN层2的掺杂元素可为Si，且Si元素的掺杂浓度可为1×1018～1×1019cm-3。n型GaN层2整体的质量较好。
示例性地，n型GaN层2的厚度可为0.5～3μm。得到的n型GaN层2整体的质量较好。
在本公开提供的一种实现方式中，n型GaN层2的厚度可为2μm。本公开对此不做限制。
示例性地，多量子阱层3包括多个交替层叠的InGaN阱层31及GaN垒层32，InGaN阱层31的厚度可为2～5nm，GaN垒层32的厚度可为8～20nm。
InGaN阱层31的层数与GaN垒层32的层数均可为8～15。得到的多量子阱层3的结构较好。
可选地，AlGaN电子阻挡层5中Al组分可为0.15～0.25。阻挡电子的效果较好。
可选地，AlGaN电子阻挡层5的厚度可为20～100nm。得到的AlGaN电子阻挡层5的质量较好。
能够提供足够的空穴，并保证发光二极管外延片整体的成本不会过高。
可选地，p型GaN层6可掺Mg，p型GaN层6的厚度可为100～200nm。
示例性地，p型接触层9的厚度可为10～50nm。
需要说明的是，图2中所示的发光二极管外延片结构相对图1中所示的发光二极管外延片结构，在衬底1与n型GaN层2之间增加了依次层叠的缓冲层7与非掺杂GaN层8，并在p型GaN层6上还生长有p型接触层9。得到的外延片的质量及发光效率会更好。
图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该发光二极管外延片的制备方法包括：
S101：提供一衬底。
S102：在衬底上生长n型GaN层。
S103：在n型GaN层上生长多量子阱层。
S104：在多量子阱层上生长复合层，复合层包括依次层叠在多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层，第一子层包括交替层叠的GaN层与InN层，GaN层中掺有p型杂质，第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，第三子层包括AlGaN层。
S105：在复合层上生长AlGaN电子阻挡层。
S106：在AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。
图3中所示方法的技术效果，可参考图1中所示的发光二极管外延片的技术效果，因此此处不再对图3中所示方法的技术效果进行赘述。执行完步骤S104之后的发光二极管外延片结构则可参考图1。
步骤S104中，第一子层的生长压力高于第三子层的生长压力，第三子层的生长压力高于第二子层的生长压力。
第一子层在较高的生长压力下生长，可以大幅度降低第一子层中碳杂质的含量，以降低缺陷数量。同时，较高的压力环境还有利于Mg元素的掺入，保证第一子层的质量的同时提高第一子层可提供的空穴数量。第二子层采用最低的生长压力进行生长，一方面低压环境目的有减少Al源的预反应，增加Al掺的效率，减少Al杂质的形成，提高第二子层的晶体质量。而第三子层也可以在较低的压力环境下进行生长，减小第三子层中的杂质与缺陷，以保证在第三子层上生长的AlGaN电子阻挡层的质量。最终得到的复合层的质量较高，且进入多量子阱层中的空穴数量也较多。
可选地，第一子层的生长压力为200～600torr，第二子层的生长压力为75～150torr，第三子层的生长压力为100～300torr。
第一子层的生长压力、第二子层的生长压力及第三子层的生长压力分别在以上范围内时，可以有效提高第一子层、第二子层及第三子层的生长质量，保证最终得到的发光二极管的晶体质量。
示例性地，第一子层的生长温度可为720～770℃，，第二子层的生长温度可为750～800℃，第三子层的生长温度可为780～830℃。能够得到质量较好的第一子层、第二子层与第三子层。
需要说明的是，第一子层中在形成时，可以向反应腔内交替通入形成的GaN层与形成InN层的反应源，最终生成第一子层。第二子层中在形成时，可以向反应腔内交替通入形成的SiN层与形成AlN层的反应源，最终生成第二子层。
图4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4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：
S201：提供一衬底。
其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
示例性地，衬底的尺寸可为2英寸、4英寸或6英寸。易于制备与获取。
可选地，步骤S201还可包括：在氢气氛围下，处理衬底用于生长外延层的表面5～6min。
示例性地，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1000～1100℃，反应腔的压力可为200～500Torr。
S202：在衬底上生长缓冲层。
缓冲层可为AlN层，AlN层可通过磁控溅射得到。
示例性地，AlN层的沉积温度可为400～800℃，溅射功率可为3000～5000W，压力可为2～20mtorr。得到的AlN层的质量较好。
S203：在缓冲层上生长非掺杂GaN层。
非掺杂GaN层的厚度可为0.5～3um。
示例性地，非掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力控制在100～300Torr。得到的非掺杂GaN层的质量较好。
S204：在非掺杂GaN层上生长n型GaN层。
可选地，n型GaN层的生长温度可为1000～1100℃，n型GaN层的生长压力可为100～300Torr。
S205：在n型GaN层上生长多量子阱层。
多量子阱层包括交替层叠的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9～20nm。
可选地，多量子阱层中，InGaN阱层的生长温度与InGaN阱层的生长温度均可为700～830℃，GaN垒层的生长温度、GaN垒层的生长温度及第三GaN垒层的生长温度均可为800～960℃。在此条件下生长得到的多量子阱层的质量较好，能够保证发光二极管的发光效率。
S206：在多量子阱层上生长复合层。
需要说明的是，步骤S206中复合层的生长步骤及条件，可参照图1中所示的制备方法的步骤S104，因此此处不再对复合层的具体生长进行赘述。
S207：在复合层上生长AlGaN电子阻挡层。
AlGaN电子阻挡层的生长温度可为800～1000℃，AlGaN电子阻挡层的生长压力可为100～300Torr。在此条件下生长得到的AlGaN电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二极管的发光效率。
S208：在AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。
可选地，p型GaN层的生长压力可为200～600Torr，p型GaN层的生长温度可为800～1000℃。
S209：在p型GaN层上生长p型接触层。
可选地，p型接触层的生长压力可为100～300Torr，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。
需要说明的是，图4中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图3中所示的发光二极管的制备方法，提供了一种更为详细的发光二极管外延片的生长方式。
执行完步骤S209后的发光二极管外延片的结构可参见图2。
需要说明的是，在本公开实施例中，采用VeecoK 465i或C4或RB MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现发光二极管的生长方法。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。
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)

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，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n型GaN层、多量子阱层、复合层、AlGaN电子阻挡层与p型GaN层，
所述复合层包括依次层叠在所述多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层，所述第一子层包括交替层叠的GaN层与InN层，所述GaN层中掺有p型杂质，所述第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，所述第三子层包括AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为20～200埃，所述第二子层的厚度为2～20埃，所述第三子层的厚度为10～100埃。
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GaN层的厚度与所述InN层的厚度之比为10:1～100:1。
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GaN层中掺杂元素为Mg，所述Mg的掺杂浓度为1×1020～1×1021cm-3。
5.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SiN层的厚度与所述AlN层的厚度之比为1:1～1:10。
6.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SiN层中掺有In元素，所述AlN层中掺有Si元素。
7.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，所述第三子层中掺有Mg。
8.一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n型GaN层；
在所述n型GaN层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长复合层，所述复合层包括依次层叠在所述多量子阱层上的第一子层、第二子层与第三子层，所述第一子层包括交替层叠的GaN层与InN层，所述GaN层中掺有p型杂质，所述第二子层包括交替层叠的SiN层与AlN层，所述第三子层包括AlGaN层；
在所述复合层上生长AlGaN电子阻挡层；
在所述AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力高于所述第三子层的生长压力，所述第三子层的生长压力高于所述第二子层的生长压力。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力为200～600torr，所述第二子层的生长压力为75～150torr，所述第三子层的生长压力为100～300torr。
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