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CN118099312A - 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents

发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 Download PDF

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CN118099312A
CN118099312A CN202410319516.6A CN202410319516A CN118099312A CN 118099312 A CN118099312 A CN 118099312A CN 202410319516 A CN202410319516 A CN 202410319516A CN 118099312 A CN118099312 A CN 118099312A
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layer
emitting diode
light
epitaxial wafer
ingan
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程龙
高虹
郑文杰
印从飞
张彩霞
刘春杨
胡加辉
金从龙
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Jiangxi Zhao Chi Semiconductor Co Ltd
Original Assignee
Jiangxi Zhao Chi Semiconductor Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管，涉及半导体光电器件领域。发光二极管外延片包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的AlN层和超晶格层；所述超晶格层包括交替层叠的AlInGaN层和InGaN层。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率。

Description

发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
现有的GaN基发光二极管中，在P型GaN层与有源层之间插入P型AlGaN层，作为电子阻挡层，以阻挡漏电流，提升发光性能。P型AlGaN层由于与有源层势垒层的晶格差异，容易形成极化电场，导致电子阻挡层处的导带势垒高度降低，电子溢出。常用的解决方案是提升P型AlGaN层中Al组分的占比，但这也会导致对P型GaN层的空穴难以注入多量子阱层，而对于GaN材料而言，P型半导体层难以有效激活，空穴浓度低，若电子阻挡层再降低空穴注入多量子阱层的效率，则多量子阱层中电子、空穴浓度匹配程度会大幅降低，降低发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管外延片及其制备方法，其可提升发光二极管的发光效率。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高。
为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的AlN层和超晶格层；所述超晶格层包括交替层叠的AlInGaN层和InGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述AlInGaN层中Al组分占比≤0.8，且所述AlInGaN层中In组分占比大于所述InGaN层中In组分占比，以使所述AlInGaN层的晶格常数与所述InGaN层的晶格常数之差
作为上述技术方案的改进，所述AlInGaN层的禁带宽度大于所述InGaN层的禁带宽度。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层的厚度≤15nm，且所述InGaN层中In组分占比≥0.1。
作为上述技术方案的改进，所述InGaN层为Mg掺InGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层的厚度为5nm～50nm。
作为上述技术方案的改进，所述超晶格层的周期数为3～36；
所述AlInGaN层中In组分占比为0.05～0.5，Al组分占比为0.3～0.9，其厚度为0.5～2.8nm；
所述InGaN层中In组分占比为0.05～0.4，其厚度为0.5nm～2.8nm。
相应的，本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，其包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的AlN层和超晶格层；所述超晶格层包括交替层叠的AlInGaN层和InGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层的生长温度为920℃～1050℃，生长压力为30torr～260torr；和/或
所述AlInGaN层的生长温度为920℃～1020℃，生长压力为30torr～300torr；
所述InGaN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为20torr～260torr。
相应的，本发明还公开了一种发光二极管，其包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明的发光二极管外延片中，电子阻挡层包括依次层叠的AlN层和超晶格层；超晶格层包括交替层叠的AlInGaN层和InGaN层。其中，AlN层的禁带宽度高，对电子的阻挡作用强。AlInGaN层和InGaN层的引入则可降低电子阻挡层整体受到的应力，显著减小电子阻挡层区域的能带弯曲现象，而且InGaN层还可储存一定量的空穴，进而提升了空穴注入效率。也即，本发明的电子阻挡层不仅提升了对电子的阻挡作用，而且还提升了空穴注入效率，两者结合，有效提升了发光效率。
2.本发明的发光二极管外延片中，通过控制AlInGaN层、InGaN层中In组分和/或Al组分，可使得AlInGaN层和InGaN层的晶格常数差别极小，不仅可进一步减小了电子阻挡层区域的能带弯曲，提升电子阻挡效率，而且可提升电子阻挡层整体的晶体质量。
3.本发明的发光二极管外延片中，通过控制AlN层的厚度以及InGaN层中In组分的占比，可使得AlN层对空穴的阻挡大幅降低，进一步提升了空穴注入效率。
4.本发明的发光二极管外延片，在InGaN层中掺杂了Mg，其可作为空穴来源，提升空穴注入量；而且还可以提升空穴的运动速率，提升发光效率。
附图说明
图1是本发明一实施例中发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明一实施例中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，下面对本发明作进一步地详细描述。
参考图1，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底1和依次设于衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。电子阻挡层6包括依次层叠的AlN层61和超晶格层62。
其中，AlN层61的厚度为5nm～50nm，示例性的为8nm、12nm、20nm、28nm、30nm、40nm或45nm，但不限于此。优选的，AlN层61的厚度为5nm～20nm，更优选的为10nm～20nm。
AlN层61的势垒高度高，可提升对于电子的阻挡作用，但其对空穴的阻挡作用也相对较强，为了提升空穴的注入效率，引入了超晶格层62，其具体结构如下：
其中，超晶格层62是交替层叠的AlInGaN层621和InGaN层622组成的周期性结构，其周期数为3～36，示例性的为5、10、15、20、25、30或35，但不限于此。优选的，超晶格层62的周期数为5～15，更优选的为5～13。
其中，AlInGaN层621中In组分占比为0.05～0.5，示例性的为0.07、0.13、0.21、0.33、0.42或0.48，但不限于此。AlInGaN层621中Al组分占比为0.3～0.9，示例性的为0.34、0.42、0.5、0.61、0.73、0.8或0.88，但不限于此。基于上述In组分和Al组分的AlInGaN层621，可作为AlN层61与InGaN层622之间的良好过渡，降低电子阻挡层的能带弯曲，提升对电子的阻挡效果。
AlInGaN层621的厚度为0.5nm～3nm，示例性的为0.8nm、1.3nm、1.7nm、2.2nm或2.7nm，但不限于此。优选的为0.5nm～2.8nm。
其中，InGaN层622中In组分占比为0.05～0.4，示例性的为0.07、0.12、0.18、0.24、0.31或0.37，但不限于此。InGaN层622的厚度为0.5nm～3nm，示例性的为0.8nm、1.3nm、1.7nm、2.2nm或2.7nm，但不限于此。优选的为0.5nm～2.8nm。基于上述组分、厚度的InGaN层，可储存空穴，提升空穴注入效率。
优选的，在一个实施例之中，AlInGaN层621中Al组分占比≤0.8，且AlInGaN层621中In组分占比大于InGaN层622中In组分占比，以使AlInGaN层621的晶格常数与InGaN层622的晶格常数之差这使得两层之间晶格失配极小，可大幅减少电子阻挡层因晶格失配以及应力产生的位错，提升电子阻挡层的晶体质量，提升良率。而且，通过控制两层的晶格常数之差，可进一步弱化电子阻挡层区域的能带弯曲，提升电子阻挡的效率。需要说明的是，本发明中晶格常数是指a轴的晶格常数。
优选的，在一个实施例之中，控制AlInGaN层621中Al组分≥0.4，以使AlInGaN层621的禁带宽度大于InGaN层622的禁带宽度。基于该控制，可提升InGaN层622储存空穴的作用，提升发光效率。需要说明的是，本发明中禁带宽度是指在温度在300K下的禁带宽度。
优选的，在一个实施例之中，AlN层61的厚度≤15nm，且InGaN层622中的In组分占比≥0.1，基于上述控制，可进一步减少AlN层61对空穴的阻挡作用，提升空穴注入效率，尤其是在小电流密度下的空穴注入效率，提升小电流密度下发光二极管的发光效率。
优选的，在一个实施例之中，InGaN层622为Mg掺InGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3，其可作为空穴来源，提升空穴注入量；而且还可以提升空穴的运动速率，提升发光效率。
其中，衬底1为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底，更优选的为图形化蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2为AlN层或AlGaN层，但不限于此。缓冲层2的厚度为20nm～100nm。
其中，非掺杂GaN层3的厚度为1μm～5μm。N型GaN层4的掺杂元素为Si，但不限于此。N型GaN层4的掺杂浓度为3.5×1018cm-3～1×1019cm-3。N型GaN层4的厚度为1μm～3μm。
其中，多量子阱层5为周期性结构，其周期数为3～15。每个周期的多量子阱层5均包括依次层叠的量子阱层和量子垒层，其中，量子阱层为InGaN层，其In组分占比为0.15～0.5，厚度为1.5nm～5nm。量子垒层为GaN层或Si掺GaN层，但不限于此。优选的，量子垒层为Si掺GaN层，其Si掺杂浓度为2.5×1017cm-3～4.5×1017cm-3，厚度为8nm～15nm。优选的，在一个实施例之中，每个周期的多量子阱层5均包括依次层叠的量子阱层、阱后盖层和量子垒层，阱后盖层为GaN层，其厚度为1nm～2nm。
其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3～5×1020cm-3。P型GaN层7的厚度为40nm～200nm。
相应的，参考图2，本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，其包括以下步骤：
S1：提供衬底；
S2：在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，步骤S2包括：
S21：在衬底上生长缓冲层；
具体的，通过MOCVD生长AlGaN层作为缓冲层，或通过PVD生长AlN层作为缓冲层，但不限于此。
S22：在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长非掺杂GaN层，其生长温度为950℃～1100℃，生长压力为100torr～300torr。
S23：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长N型GaN层，其生长温度为1000℃～1100℃，生长压力为100torr～350torr。
S24：在N型GaN层上生长多量子阱层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD周期性生长量子阱层和量子垒层，直至得到多量子阱层。其中，量子阱层的生长温度为700℃～800℃，生长压力为100torr～200torr，量子垒层的生长温度为800℃～950℃，生长压力为100torr～200torr。
优选的，在本发明的另一个实施例之中，通过MOCVD周期性生长量子阱层、阱后盖层和量子垒层，直至得到多量子阱层。其中，阱后盖层的生长温度为700℃～750℃，生长压力为100torr～200torr。
S25：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，步骤S25包括以下步骤：
S251：在多量子阱层上生长AlN层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlN层，其生长温度为920℃～1050℃，生长压力为30torr～260torr。
S252：在AlN层上生长超晶格层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD周期性生长AlInGaN层和InGaN层，直至得到超晶格层。
其中，AlInGaN层的生长温度为920℃～1020℃，生长压力为30torr～300torr；InGaN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为20torr～260torr。
S26：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长P型GaN层，其生长温度为850℃～950℃，生长压力为200torr～400torr。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供了一种发光二极管外延片，其包括衬底和依次设于衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层。
其中，衬底为蓝宝石衬底，缓冲层为AlN层，其厚度为50nm。非掺杂GaN层的厚度为2μm，N型GaN层的厚度为1.5μm，其Si掺杂浓度为5.8×1018cm-3。多量子阱层为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的量子阱层(In0.2Ga0.8N层)、阱后盖层(GaN层)和量子垒层(Si掺GaN层)，量子阱层的厚度为3.2nm，阱后盖层的厚度为1.8nm，量子垒层的厚度为10nm，其Si掺杂浓度为4.1×1017cm-3。
其中，电子阻挡层包括依次层叠的AlN层和超晶格层。AlN层的厚度为25nm。超晶格层为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的AlInGaN层和InGaN层，其中，AlInGaN层中Al组分占比为0.88，In组分占比为0.1，其晶格常数约带隙宽度约5.39eV，厚度为2nm；InGaN层中In组分占比为0.3，其晶格常数约/>带隙宽度约2.38eV，厚度为2nm。
P型GaN层的厚度为120nm，其Mg掺杂浓度为8.5×1019cm-3。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长缓冲层；
具体的，通过PVD生长AlN层，作为缓冲层。
(3)在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
具体的，通过MOCVD生长非掺杂GaN层，其生长温度为960℃，生长压力为200torr。
(4)在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
具体的，通过MOCVD生长N型GaN层，其生长温度为1050℃，生长压力为120torr。
(5)在N型GaN层上生长多量子阱层；
具体的，通过MOCVD周期性生长量子阱层、阱后盖层和量子垒层，直至得到多量子阱层。其中，量子阱层的生长温度为770℃，生长压力为140torr，阱后盖层的生长温度为730℃，生长压力为140torr，量子垒层的生长温度为920℃，生长压力为140torr。
(6)在多量子阱层上生长AlN层；
具体的，通过MOCVD生长AlN层，其生长温度为950℃，生长压力为250torr。
(7)在AlN层上生长超晶格层，得到电子阻挡层；
具体的，通过MOCVD周期性生长AlInGaN层和InGaN层。其中，AlInGaN层的生长温度为1000℃，生长压力为200torr；InGaN层的生长温度为820℃，生长压力为200torr。
(8)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
具体的，通过MOCVD生长P型GaN层，其生长温度为900℃，生长压力为300torr。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于：
AlInGaN层中Al组分占比为0.6，In组分占比为0.36，其晶格常数约带隙宽度约3.58eV。InGaN层中In组分占比为0.08，其晶格常数约/>带隙宽度约3.18eV。
其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例2的区别在于：
InGaN层中In组分占比为0.25，其晶格常数约带隙宽度约为2.55eV，且AlN层的厚度为12nm。
其余均与实施例2相同。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例3的区别在于：
InGaN层中掺杂Mg，掺杂浓度为5.5×1018cm-3。
其余均与实施例3相同。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于：
电子阻挡层为AlGaN层，Al组分占比为0.65，厚度为80nm。其采用MOCVD生长，生长温度为980℃，生长压力为200torr。
对比例2
本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于：
电子阻挡层不包括AlN层。
其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于：
电子阻挡层不包括超晶格层。
其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于：
超晶格层不包括AlInGaN层。
其余均与实施例1相同。
对比例5
本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于：
超晶格层不包括InGaN层。
其余均与实施例1相同。
将实施例1～实施例4，对比例1～对比例5所得的发光二极管外延片制备成10mil×24mil尺寸的芯片，在1mA、60mA电流下测试其发光亮度。并以对比例1的数据为基准，计算发光效率提升率，具体结果如下：
由表中可以看出，本发明的电子阻挡层可提高发光效率。此外，通过实施例1与对比例2～对比例5的对比可以看出，当变更本发明中的电子阻挡层结构时，难以有效起到提升亮度的效果。
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片，包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，其特征在于，所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的AlN层和超晶格层；所述超晶格层包括交替层叠的AlInGaN层和InGaN层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlInGaN层中Al组分占比≤0.8，且所述AlInGaN层中In组分占比大于所述InGaN层中In组分占比，以使所述AlInGaN层的晶格常数与所述InGaN层的晶格常数之差
3.如权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlInGaN层的禁带宽度大于所述InGaN层的禁带宽度。
4.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlN层的厚度≤15nm，且所述InGaN层中In组分占比≥0.1。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InGaN层为Mg掺InGaN层，其Mg掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlN层的厚度为5nm～50nm。
7.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格层的周期数为3～36；
所述AlInGaN层中In组分占比为0.05～0.5，Al组分占比为0.3～0.9，其厚度为0.5～2.8nm；
所述InGaN层中In组分占比为0.05～0.4，其厚度为0.5nm～2.8nm。
8.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1～7任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的AlN层和超晶格层；所述超晶格层包括交替层叠的AlInGaN层和InGaN层。
9.如权利要求8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN层的生长温度为920℃～1050℃，生长压力为30torr～260torr；和/或
所述AlInGaN层的生长温度为920℃～1020℃，生长压力为30torr～300torr；
所述InGaN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为20torr～260torr。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的发光二极管外延片。
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