CN118431366B - 发光二极管外延片及其制备方法、led - 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备方法、LED,所述发光二极管外延片包括衬底,所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型含Ga氮化物层、Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层和含Ga氮化物层。本发明提供的发光二极管外延片能够减少电子溢流效应,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,减少漏电,提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域,尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、LED。
背景技术
氮化镓(GaN)是代表性的III-V族氮化物半导体材料, P型GaN材料的获取难度要比获得N型GaN的难度大很多,曾经严重制约了GaN材料与其器件研究的进展。尽管目前GaN的P型掺杂已取得了突破性进展,但至今仍存在P型杂质活化率低、难以实现高空穴浓度等问题。
具体地,其一,受主杂质Mg原子的激活能较高,导致空穴激活率低,一般条件下空穴浓度只能达到 1017~1018atoms/cm3量级;其二,由于空穴的有效质量大、迁移率低,导致空穴主要集中分布在靠近P侧的少数几个量子阱中,空穴注入效率低;其三,电子有效质量小、迁移率大,导致电子可以很轻易的越过有源区进入到P型层中造成电子泄漏。
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,其减少电子溢流效应,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,减少漏电,提升发光二极管的发光效率。
本发明所要解决的技术问题还在于,提供一种发光二极管外延片的制备方法,其工艺简单,能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种发光二极管外延片,包括衬底,所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型含Ga氮化物层、Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层和含Ga氮化物层。
在一种实施方式中,所述AlN层的厚度为0.5nm~5nm。
在一种实施方式中,所述P型含Ga氮化物层的厚度为1nm~10nm;
所述P型含Ga氮化物层的Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~1×1020atoms/cm3。
在一种实施方式中,所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的厚度为10nm~100nm;
所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的Mg掺杂浓度为1×1020atoms/cm3~1×1021atoms/cm3。
在一种实施方式中,所述含Ga氮化物层的厚度为1nm~10nm。
在一种实施方式中,所述含Ga氮化物包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN。
为了解决上述技术问题,本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法,包括以下步骤:
S1、准备衬底;
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型含Ga氮化物层、Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层和含Ga氮化物层。
在一种实施方式中,所述P型含Ga氮化物层的生长温度为700℃~800℃;
所述P型含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐降低;
所述含Ga氮化物层的生长温度为700℃~900℃;
所述P型含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐升高。
在一种实施方式中,所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层采用下述方法制得:
先生长非掺杂含Ga氮化物层,生长完成后关闭金属有机化合物源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气5s~50s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂含Ga氮化物层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层。
相应地,本发明还提供了一种LED,所述LED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:
本发明提供的发光二极管外延片,其在多量子阱层后,电子阻挡层和P型GaN层之前,插入了氮化物插入层,所述氮化物插入层包括AlN层、P型含Ga氮化物层、Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层和含Ga氮化物层。
所述AlN层能够减少电子溢流至P型GaN层与空穴发生非辐射复合,减少对空穴的阻挡,提高发光二极管的发光效率。所述P型含Ga氮化物层的掺杂浓度较低,提高空穴向有源层扩散效率,其生长温度逐渐降低能够减少与所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的晶格失配,提高晶体质量。所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的Mg掺杂浓度较高,提供足量的空穴注入到多量子阱层中与电子复合,并能有效抑制P-GaN位错的形成,提高晶体质量。所述含Ga氮化物层的生长温度逐渐升高,打断Mg-H,有效使Mg活化,激活P型氮化物,并且能够有效覆盖P型氮化物的不平整的表面,减少发光二极管漏电。
综上,本发明通过插入具有特定结构的氮化物插入层,减少电子溢流效应,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,减少漏电,提升发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的发光二极管外延片的结构示意图;
图2为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图;
图3为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的步骤S2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,下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处,本文中使用的术语或短语具有以下含义:
本发明中,“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例,应当理解,并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中,以开放式描述的技术特征中,包括所列举特征组成的封闭式技术方案,也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中,涉及到数值区间,如无特别说明,则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题,本发明提供了一种发光二极管外延片,如图1所示,包括衬底100,所述衬底100上依次设有缓冲层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、多量子阱层500、氮化物插入层600、电子阻挡层700、P型GaN层800;
所述氮化物插入层600包括依次沉积在所述多量子阱层500上的AlN层610、P型含Ga氮化物层620、Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630和含Ga氮化物层640。
所述氮化物插入层600的具体结构如下:
在一种实施方式中,所述AlN层610的厚度为0.5nm~5nm;所述AlN层610的示例性厚度为1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm、4.5nm,但不限于此。所述AlN层610能够减少电子溢流至P型层与空穴发生非辐射复合,减少对空穴的阻挡,提高发光二极管的发光效率。
在一种实施方式中,所述P型含Ga氮化物层620的厚度为1nm~10nm,所述P型含Ga氮化物层620的示例性厚度为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm,但不限于此。在一种实施方式中,所述P型含Ga氮化物层620的Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~1×1020atoms/cm3,优选地,所述P型含Ga氮化物层620的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3~9×1019atoms/cm3。在一种实施方式中,所述P型含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐降低。所述P型含Ga氮化物层620的掺杂浓度较低,提高空穴向有源层扩散效率,其生长温度逐渐降低能够减少与所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的晶格失配,提高晶体质量。
在一种实施方式中,所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630的厚度为10nm~100nm;所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630的示例性厚度为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm,但不限于此。在一种实施方式中,所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630的Mg掺杂浓度为1×1020atoms/cm3~1×1021atoms/cm3,优选地,所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630的Mg掺杂浓度为2×1020atoms/cm3~9×1020atoms/cm3。所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630的Mg掺杂浓度较高,提供足量的空穴注入到多量子阱层中与电子复合,并能有效抑制P-GaN位错的形成,提高晶体质量。
在一种实施方式中,所述含Ga氮化物层640的厚度为1nm~10nm;所述含Ga氮化物层640的示例性厚度为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm,但不限于此。在一种实施方式中,所述含Ga氮化物层640在生长过程中生长温度逐渐升高。所述含Ga氮化物层640的生长温度逐渐升高,打断Mg-H,有效使Mg活化,激活P型氮化物,并且能够有效覆盖P型氮化物的不平整的表面,减少发光二极管漏电。
在一种实施方式中,所述含Ga氮化物包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN,本发明对此不做限定。
综上,本发明通过插入具有特定结构的氮化物插入层600,减少电子溢流效应,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,减少漏电,提升发光二极管的发光效率。
相应地,本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法,如图2所示,包括以下步骤:
S1、准备衬底100;
衬底100可选用蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。优选地,衬底100选用蓝宝石衬底,蓝宝石是目前常用的GaN基LED衬底材料,蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理,高温下有很好的稳定性。
S2、在所述衬底100上依次沉积缓冲层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、多量子阱层500、氮化物插入层600、电子阻挡层700、P型GaN层800。
如图3所示,所述步骤S2具体包括以下步骤:
S21、在衬底100上沉积缓冲层200。
在一种实施方式中,所述缓冲层200为AlN缓冲层。
S22、在缓冲层200上沉积非掺杂GaN层300。
在一种实施方式中,将反应室的温度控制在1050℃~1200℃,压力控制为100torr~600torr,通入N源、Ga源,生长厚度为1μm~5μm的非掺杂GaN层。
S23、在非掺杂GaN层300上沉积N型GaN层400。
在一种实施方式中,将反应室的温度控制在1050℃~1200℃,压力控制在100torr~600torr,通入N源、Ga源、Si源,生长所述N型GaN层。
S24、在N型GaN层400上沉积多量子阱层500。
在一种实施方式中,所述多量子阱层包括多个交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层,堆叠周期数6~12个,其中所述InGaN量子阱层的生长温度为790℃~810℃,厚度为2nm~5nm,生长压力为50torr~300torr,所述AlGaN量子垒层的生长温度为800℃~900℃,厚度为5nm~15nm,生长压力为50torr~300torr。
S25、在多量子阱层500上沉积氮化物插入层600。
所述氮化物插入层600包括依次沉积在所述多量子阱层500上的AlN层610、P型含Ga氮化物层620、Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630和含Ga氮化物层640。
在一种实施方式中,所述AlN层610采用下述方制得:
将反应室的温度控制在800℃~900℃,压力控制在50torr~500torr,通入N源、Al源,生长所述AlN层。
在一种实施方式中,所述P型含Ga氮化物层620采用下述方制得:
将反应室的温度控制在700℃~800℃,压力控制在50torr~500torr,生长气氛为N2、NH3和H2混合气体,通入金属有机化合物源,生长所述P型含Ga氮化物层。
在一种实施方式中, 所述P型含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐降低。生长温度逐渐降低能够减少与所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的晶格失配,提高晶体质量。
在一种实施方式中,所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层630采用下述方法制得:
先生长非掺杂含Ga氮化物层,生长完成后关闭金属有机化合物源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气5s~50s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂含Ga氮化物层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层。
在一种实施方式中,所述含Ga氮化物层640采用下述方制得:
将反应室的温度控制在700℃~900℃,压力控制在50torr~500torr,生长气氛为N2、NH3和H2混合气体,通入金属有机化合物源,生长所述含Ga氮化物层。
在一种实施方式中, 所述含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐升高。所述含Ga氮化物层的生长温度逐渐升高,打断Mg-H,有效使Mg活化,激活P型氮化物,并且能够有效覆盖P型氮化物的不平整的表面,减少发光二极管漏电。
S26、在氮化物插入层600上沉积电子阻挡层700。
在一种实施方式中,将反应室的温度控制在900℃~1000℃,压力控制在100torr~300torr,通入N源、Al源、Ga源、In源,生长厚度为10nm~40nm的AlInGaN电子阻挡层。
S27、在电子阻挡层700上沉积P型GaN层800。
在一种实施方式中,将反应室的温度控制在900℃~1050℃,压力控制在100torr~600torr,通入N源、Ga源、Mg源,生长厚度为10nm~50nm的P型GaN层。优选地,Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~1×1021atoms/cm3。
相应地,本发明还提供了一种LED,所述LED包括上述的发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升,且其他项电学性能良好。
下面以具体实施例进一步说明本发明:
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片,包括衬底,所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型AlGaN层、Mg δ掺杂P型AlInGaN层和GaN层。
所述AlN层的厚度为1.5nm,所述P型AlGaN层的厚度为3.5nm,所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层的厚度为25nm,所述GaN层的厚度为5nm。
所述P型AlGaN层的Mg掺杂浓度为3×1019atoms/cm3,所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3。
所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层采用下述方法制得:
先生长厚度为2.5nm的非掺杂AlInGaN层,生长完成后关闭Al源、In源、Ga源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气15s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂AlInGaN层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片,包括衬底,所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型GaN层、Mg δ掺杂P型AlGaN层和AlGaN层。
所述AlN层的厚度为1nm,所述P型GaN层的厚度为2.5nm,所述Mg δ掺杂P型AlGaN层的厚度为20nm,所述AlGaN层的厚度为3nm。
所述P型GaN层的Mg掺杂浓度为3×1019atoms/cm3,所述Mg δ掺杂P型AlGaN层的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3。
所述Mg δ掺杂P型AlGaN层采用下述方法制得:
先生长厚度为2.5nm的非掺杂AlGaN层,生长完成后关闭Al源、Ga源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气15s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂AlGaN层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型AlGaN层。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片,包括衬底,所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型AlGaN层、Mg δ掺杂P型InGaN层和GaN层。
所述AlN层的厚度为1nm,所述P型AlGaN层的厚度为2.5nm,所述Mg δ掺杂P型InGaN层的厚度为20nm,所述GaN层的厚度为3nm。
所述P型AlGaN层的Mg掺杂浓度为3×1019atoms/cm3,所述Mg δ掺杂P型InGaN层的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3。
所述Mg δ掺杂P型InGaN层采用下述方法制得:
先生长厚度为2.5nm的非掺杂InGaN层,生长完成后关闭In源、Ga源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气15s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂InGaN层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型InGaN层。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于:所述P型AlGaN层的Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3,其余参照实施例1。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于:所述P型AlGaN层的Mg掺杂浓度为5×1019atoms/cm3,其余参照实施例1。
实施例6
本实施例与实施例1不同之处在于:所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层的Mg掺杂浓度为3×1020atoms/cm3,其余参照实施例1。
实施例7
本实施例与实施例1不同之处在于:所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层的Mg掺杂浓度为7×1020atoms/cm3,其余参照实施例1。
实施例8
本实施例与实施例1不同之处在于: 所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层采用下述方法制得:先生长厚度为2nm的非掺杂AlInGaN层,生长完成后关闭Al源、In源、Ga源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气10s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂AlInGaN层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层。其余参照实施例1。
实施例9
本实施例与实施例1不同之处在于: 所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层采用下述方法制得:先生长厚度为3nm的非掺杂AlInGaN层,生长完成后关闭Al源、In源、Ga源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气20s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂AlInGaN层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型AlInGaN层。其余参照实施例1。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片,其余实施例1不同之处在于:其不设有氮化物插入层,其余与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种发光二极管外延片,其余实施例1不同之处在于:其所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的P型AlGaN层、Mg δ掺杂P型AlInGaN层和GaN层,其余参照实施例1。
对比例3
本对比例提供一种发光二极管外延片,其余实施例1不同之处在于:其所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、Mg δ掺杂P型AlInGaN层和GaN层,其余参照实施例1。
对比例4
本对比例提供一种发光二极管外延片,其余实施例1不同之处在于:其所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型AlGaN层、GaN层,其余参照实施例1。
对比例5
本对比例提供一种发光二极管外延片,其余实施例1不同之处在于:其所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型AlGaN层、Mg δ掺杂P型AlInGaN层,其余参照实施例1。
以实施例1~实施例9和对比例1~对比例5制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成10mil×24mil芯片,分别抽取300颗LED芯片,在120mA电流下测试,以对比例1为参照,计算各实施例和对比例的发光效率提升率,具体测试结果如表1所示。
表1 实施例1~实施例9和对比例1~对比例5制得LED的性能测试结果
由上述结果可知,本发明通过插入具有特定结构的氮化物插入层,减少电子溢流效应,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,减少漏电,提升发光二极管的发光效率。
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 (9)
1.一种发光二极管外延片,其特征在于,包括衬底,所述衬底上依次设有缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型含Ga氮化物层、Mgδ掺杂P型含Ga氮化物层和含Ga氮化物层;
所述P型含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐降低;
所述含Ga氮化物层在生长过程中生长温度逐渐升高;
所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层采用下述方法制得:
先生长非掺杂含Ga氮化物层,生长完成后关闭金属有机化合物源,但不关闭N源氨气,并保持氨气流量不变,预通氨气5s~50s后开通Mg源,得到Mg δ掺杂层,交替生长所述非掺杂含Ga氮化物层和所述Mg δ掺杂层,得到所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层。
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AlN层的厚度为0.5nm~5nm。
3.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述P型含Ga氮化物层的厚度为1nm~10nm;
所述P型含Ga氮化物层的Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~1×1020atoms/cm3。
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Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的厚度为10nm~100nm;
所述Mg δ掺杂P型含Ga氮化物层的Mg掺杂浓度为1×1020atoms/cm3~1×1021atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述含Ga氮化物层的厚度为1nm~10nm。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述含Ga氮化物包括GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、准备衬底;
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、氮化物插入层、电子阻挡层、P型GaN层;
所述氮化物插入层包括依次沉积在所述多量子阱层上的AlN层、P型含Ga氮化物层、Mgδ掺杂P型含Ga氮化物层和含Ga氮化物层。
8.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述P型含Ga氮化物层的生长温度为700℃~800℃;
所述含Ga氮化物层的生长温度为700℃~900℃。
9.一种LED,其特征在于,所述LED包括如权利要求1~6任一项所述的发光二极管外延片。
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