CN102931302B - 一种蓝绿光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓝绿光二极管外延片，属于二极管技术领域。所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型层；所述多量子阱层包括由若干量子垒层和若干量子阱层交替形成的复合层、以及覆盖在所述复合层上的过渡层；所述复合层中与所述过渡层接触的一层为所述量子阱层。本发明通过将过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及二极管技术领域，特别涉及一种蓝绿光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)芯片为半导体晶片，是LED的核心组件。LED芯片包括GaN基的外延片、以及在外延片上制作的电极。
现有的外延片包括衬底层、以及依次覆盖在衬底层上的缓冲层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型层。其中，多量子阱层是若干量子阱层和若干量子垒层交替形成的一个复合层。复合层中与P型电子阻挡层接触的一层是量子垒层。通常，量子垒层采用GaN作为生长材料，量子阱层采用InGaN作为生长材料，P型电子阻挡层采用Mg掺杂的AlGaN作为生长材料。
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：
P型电子阻挡层具有较高的势垒，可以阻碍电子在电场的驱动下越过多量子阱层迁移到P型层，防止二极管漏电。由于多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层采用GaN作为生长材料，而覆盖在其上的P型电子阻挡层采用AlGaN作为生长材料，因此很多电子都被阻挡在与P型电子阻挡层接触的量子垒层，很多空穴也在该层停留，进而使很多电子和空穴在该层复合，发出波长接近紫外波段的光，这样会影响蓝绿光二极管发光效率的提高。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种蓝绿光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种蓝绿光二极管外延片，所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型层；所述多量子阱层包括由若干量子垒层和若干量子阱层交替形成的复合层、以及覆盖在所述复合层上的过渡层；所述复合层中与所述过渡层接触的一层为所述量子阱层；
所述过渡层采用GaN作为生长材料，并且所述过渡层的厚度小于所述量子垒层的厚度；或者，
所述过渡层的组分从所述量子阱层的生长材料渐变到所述P型电子阻挡层的生长材料；或者，
所述P型电子阻挡层采用P型掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，所述过渡层采用AlyGa1-yN作为生长材料，0＜y≤x＜1；
P型层为P型掺杂的GaN层。
另一方面，本发明实施例提供了一种蓝绿光二极管外延片的制造方法，所述方法包括依次在衬底层上生长缓冲层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型层；所述生长所述多量子阱层，包括：
在所述N型层上交替生长若干量子阱层和若干量子垒层形成复合层、以及在所述复合层上生长过渡层；所述复合层中与所述过渡层接触的一层为所述量子阱层；
所述过渡层采用GaN作为生长材料，并且所述过渡层的厚度小于所述量子垒层的厚度；或者，
所述过渡层的组分从所述量子阱层的生长材料渐变到所述P型电子阻挡层的生长材料；或者，
所述P型电子阻挡层采用P型掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，所述过渡层采用AlyGa1-yN作为生长材料，0＜y≤x＜1；
P型层为P型掺杂的GaN层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过采用过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
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是本发明实施例一提供的一种蓝绿光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种蓝绿光二极管外延片多量子阱层和P型电子阻挡层的能带图；
图3是本发明实施例三提供的一种蓝绿光二极管外延片多量子阱层和P型电子阻挡层的能带图；
图4是本发明实施例五提供的一种蓝绿光二极管外延片多量子阱层和P型电子阻挡层的能带图；
附图中各部分标号如下：
1衬底层，2缓冲层，3N型层，4多量子阱层，5P型电子阻挡层，6P型层，a量子垒层，b量子阱层，c过渡层。
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。
实施例一
参见图1，本发明实施例一提供了一种蓝绿光二极管外延片，该外延片包括衬底层1、以及依次覆盖在衬底层1上的缓冲层2、N型层3、多量子阱层4、P型电子阻挡层5和P型层6。
其中，衬底层1包括但不限于蓝宝石衬底层。
其中，结合图2，多量子阱层4包括由若干量子垒层a和若干量子阱层b交替形成的复合层、以及覆盖在复合层上的过渡层c。复合层中与过渡层c接触的一层是量子阱层b。量子垒层a是采用GaN作为生长材料，量子阱层b是采用InGaN作为生长材料。过渡层c也是采用GaN作为生长材料，但过渡层c的厚度小于所述量子垒层的厚度。
其中，P型电子阻挡层5是采用Mg掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，0＜x＜1。容易知道，在本实施例中，P型电子阻挡层5也可以采用其它掺杂，并不限于Mg掺杂。
图2为本发明实施例一提供的一种蓝绿光二极管外延片多量子阱层4和P型电子阻挡层5的能带图。从图2可以看出，过渡层c是多量子阱层4中与P型电子阻挡层5接触的一层，过渡层c的厚度较小，因而可有效减少被阻挡在过渡层c的电子数，同时也减少了在该层的空穴数，从而减少了电子和空穴在该层的复合。
需要说明的是，在本实施例中，缓冲层2包括低温缓冲层、以及覆盖在低温缓冲层上的高温缓冲层。但是这并不作为对本发明的限制，缓冲层2也可以只包括其中任意一个缓冲层。
本发明实施例一提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用厚度小于量子垒层的过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
实施例二
本发明实施例二提供了一种蓝绿光二极管外延片的制造方法，适用于实施例一提供的一种蓝绿光二极管外延片，该方法包括：
201：在衬底层1上生长缓冲层2。
具体地，缓冲层2的生长包括低温缓冲层的生长和高温缓冲层生长。先在625℃温度下，在衬底层1上生长一层厚度为30nm的非掺杂的GaN，此为低温缓冲层。然后，将温度升至1220℃，在低温缓冲层上生长一层厚度为3μm的非掺杂的GaN，此为高温缓冲层。至此，缓冲层2的生长完成。
容易知道，在该步骤之前，该方法还包括：清洁衬底层1表面。
具体地，可以将衬底层1在1300℃H2气氛下进行热处理10分钟，以清洁表面。
202：生长N型层3。
具体地，在缓冲层2上生长一层厚度为2μm的Si掺杂的GaN。
容易知道，N型层3也可以采用其它掺杂，并不限于Si掺杂。
203：生长多量子阱层4。
具体地，先在N型层3上交替生长五个量子阱层b和五个量子垒层a，形成复合层。量子阱层b的厚度可以为2.5nm，采用InGaN作为生长材料，生长温度为815℃。量子垒层a的厚度可以为12nm，采用GaN作为生长材料，生长温度为920℃。生长完成后，在复合层上生长一层厚度为5nm的过渡层c，采用GaN作为生长材料，生长温度为920℃。
其中，过渡层c的厚度小于量子垒层a的厚度，5nm在此仅为举例。
需要说明的是，量子阱层b和量子垒层a的层数在此仅为举例，并不作为对本发明的限制，其可以根据实际需要设置。
204：生长P型电子阻挡层5。
具体地，在多量子阱层4上生长一层厚度为30nm的Mg掺杂的AlxGa1-xN，0＜x＜1，生长温度为920℃。
容易知道，在本实施例中，P型电子阻挡层5也可以采用其它掺杂，并不限于Mg掺杂。
205：生长P型层6。
在P型电子阻挡层5上生长一层厚度为300nm的P型掺杂的GaN。
在具体实现中，本发明实施例二可以采用高纯H2和N2作为载气，采用TMGa、TMAl、TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源，采用分别SiH4和Cp2Mg作为N型和P型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。
外延片的生长完成后，按照现有技术将外延片加工成LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为24.4mW，工作电压3.03V。而采用现有蓝绿光二极管外延片制成的单颗小芯片的工作电压为3.10V，亮度为23.5mW。从数据对比中，可以看出本发明实施例二提供的一种蓝绿光二极管外延片的制造方法生长出的外延片制成芯片后，芯片的工作电压和输出功率提高了。
本发明实施例二提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用厚度小于量子垒层的过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
实施例三
本发明实施例三提供了一种蓝绿光二极管外延片，该外延片的结构与实施例一中的外延片的结构基本相同，不同之处在于，结合图3，过渡层c的组分从量子阱层b的生长材料渐变到P型电子阻挡层5的生长材料。也就是说，过渡层c的组分中量子阱层b的生长材料所占的比例逐渐减少，P型电子阻挡层5的生长材料所占的比例逐渐增多，过渡层c的组分从全部为量子阱层b的生长材料逐步变成全部是P型电子阻挡层5的生长材料。
图3为本发明实施例三提供的一种蓝绿光二极管外延片多量子阱层4和P型电子阻挡层5的能带图。从图3可以看出，过渡层c是多量子阱层4中与P型电子阻挡层5接触的一层，过渡层c的势垒高度是逐渐增加的，电子和空穴不容易在上面停留，从而减少了在该层复合的电子和空穴。
本发明实施例三提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用组分从量子阱层的生长材料渐变到P型电子阻挡层的生长材料的过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
实施例四
本发明实施例四提供了一种蓝绿光二极管外延片的制造方法，适用于实施例三提供的一种蓝绿光二极管外延片，该方法包括：
401：在衬底层1上生长缓冲层2；
402：生长N型层3；
403：生长多量子阱层4；
404：生长P型电子阻挡层5；
405：生长P型层6。
其中，步骤403包括先在N型层3上交替生长五个量子阱层b和五个量子垒层a，形成复合层。生长完成后，在复合层上生长一层厚度为15nm的过渡层c，组分从量子阱层b的生长材料渐变到P型电子阻挡层6的生长材料，也就是说，过渡层c的组分中量子阱层b的生长材料所占的比例逐渐减少，P型电子阻挡层5的生长材料所占的比例逐渐增多，过渡层c的组分从全部为量子阱层b的生长材料逐步变成全部是非掺杂的P型电子阻挡层5的生长材料。
具体地，过渡层c的组分变化通过调节Ga源、Al源、In源和N源的比例实现。
需要说明的是，量子阱层b和量子垒层a的层数、以及过渡层c的厚度在此仅为举例，并不作为对本发明的限制，其可以根据实际需要设置。
其中，步骤401～402、步骤403中形成复合层的方法、步骤404～405分别与实施例二所述的步骤201～202、步骤203中形成复合层的方法、步骤204～205相同，在此不再详述。
外延片的生长完成后，按照现有技术将外延片加工成LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为24.8mW，工作电压3.02V。而采用现有蓝绿光二极管外延片制成的的单颗小芯片的工作电压为3.10V，亮度为23.5mW。从数据对比中，可以看出本发明实施例四提供的一种蓝绿光二极管外延片的制造方法生长出的外延片制成芯片后，芯片的工作电压和输出功率提高了。
本发明实施例四提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用组分从量子阱层的生长材料渐变到P型电子阻挡层的生长材料的过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
实施例五
本发明实施例五提供了一种蓝绿光二极管外延片，该外延片的结构与实施例一中的外延片的结构基本相同，不同之处在于，结合图4，过渡层c采用AlyGa1-yN作为生长材料，0＜y≤x＜1。
图4为本发明实施例五提供的一种蓝绿光二极管外延片多量子阱层4和P型电子阻挡层5的能带图。从图4可以看出，过渡层c(图中的虚线部分)是多量子阱层4中与P型电子阻挡层5接触的一层，过渡层c的势垒高度较高，可以减少电子在该层的停留，同时也减少了在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴。
本发明实施例五提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用生长材料为AlGaN的过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
实施例六
本发明实施例六提供了一种蓝绿光二极管外延片的制造方法，适用于实施例五提供的一种蓝绿光二极管外延片，该方法包括：
601：在衬底层1上生长缓冲层2；
602：生长N型层3；
603：生长多量子阱层4；
604：生长P型电子阻挡层5；
605：生长P型层6。
其中，步骤603包括先在N型层3上交替生长五个量子阱层b和五个量子垒层a，形成复合层。生长完成后，在复合层上生长一层厚度为15nm的过渡层c，采用AlyGa1-yN作为生长材料，0＜y≤x＜1，生长温度为920℃。
需要说明的是，量子阱层b和量子垒层a的层数、以及过渡层c的厚度在此仅为举例，并不作为对本发明的限制，其可以根据实际需要设置。
其中，步骤601～602、步骤603中形成复合层的方法、步骤604～605分别与实施例二所述的步骤201～202、步骤203中形成复合层的方法、步骤204～205相同，在此不再详述。
外延片的生长完成后，按照现有技术将外延片加工成LED芯片。经LED芯片测试，测试电流20mA，单颗小芯片光输出功率为24.5mW，工作电压3.05V。而采用现有蓝绿光二极管外延片制成的的单颗小芯片的工作电压为3.10V，亮度为23.5mW。从数据对比中，可以看出本发明实施例六提供的一种蓝绿光二极管外延片的制造方法生长出的外延片制成芯片后，芯片的工作电压和输出功率提高了。
本发明实施例六提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用生长材料为AlGaN的过渡层替换现有外延片多量子阱层中与P型电子阻挡层接触的量子垒层，减少了被阻挡在该层的电子数，同时也减少了停留在该层的空穴数，从而减少了在该层复合的电子和空穴，减少了发出波长接近紫外波段的光，最终提高了蓝绿光二极管的发光效率。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
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 (2)
1.一种蓝绿光二极管外延片，所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型层，其特征在于，所述多量子阱层包括由若干量子垒层和若干量子阱层交替形成的复合层、以及覆盖在所述复合层上的过渡层；所述复合层中与所述过渡层接触的一层为所述量子阱层；
所述过渡层采用GaN作为生长材料，并且所述过渡层的厚度小于所述量子垒层的厚度；或者，
所述过渡层的组分从所述量子阱层的生长材料渐变到所述P型电子阻挡层的生长材料；或者，
所述P型电子阻挡层采用P型掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，所述过渡层采用AlyGa1-yN作为生长材料，0＜y≤x＜1；
P型层为P型掺杂的GaN层。
2.一种蓝绿光二极管外延片的制造方法，所述方法包括依次在衬底层上生长缓冲层、N型层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型层，其特征在于，所述生长所述多量子阱层，包括：
在所述N型层上交替生长若干量子阱层和若干量子垒层形成复合层、以及在所述复合层上生长过渡层；所述复合层中与所述过渡层接触的一层为所述量子阱层；
所述过渡层采用GaN作为生长材料，并且所述过渡层的厚度小于所述量子垒层的厚度；或者，
所述过渡层的组分从所述量子阱层的生长材料渐变到所述P型电子阻挡层的生长材料；或者，
所述P型电子阻挡层采用P型掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，所述过渡层采用AlyGa1-yN作为生长材料，0＜y≤x＜1；
P型层为P型掺杂的GaN层。
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