CN103035790A - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其制备方法 Download PDF

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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，属于半导体发光二极管领域。所述发光二极管外延片从下至上依次为：衬底、依次层叠在所述衬底上的缓冲层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱层和p型层，所述多量子阱层中，至少有一个所述量子垒层为p型掺杂的量子垒层，且靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的1~25个所述量子垒层中，至少一个所述量子垒层为p型掺杂的量子垒层。所述制备所述外延片的方法，所述方法包括在所述衬底上依次生长低温缓冲层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱层、n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层和p型层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。本发明所述的发光二极管外延片有效提高了二极管发光效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管（Light-Emitting Diodes，LED）因具有节能环保、可靠性高、使用寿命长等优点而受到广泛的关注，近年来在背景光源和显示屏领域大放异彩，并且开始向民用照明市场进军。
半导体发光二极管的芯片包括外延用的芯片衬底、外延半导体材料和透明金属电极，外延用的芯片衬底和外延半导体材料构成发光二极管的外延片。目前已有的外延片，通常，由下至上依次由衬底、缓冲层、N型层、多量子阱和P型层等部分组成。
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：
现有的半导体发光二极管的发光效率低，阻碍其发展，近年来，科研工作者通过提高载流子的浓度、减少Droop效应（低压效应）、阻止电子溢流等方法，对提高内量子效率做了不懈的努力，但这些方法在改善半导体发光二极管发光效率方面都未取得良好的效果。
发明内容
为了解决半导体发光二极管发光效率低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明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、依次层叠在所述衬底上的缓冲层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱层和p型层，多量子阱层包括量子垒层和与量子垒层相互交替生长的量子阱层，所述外延片还包括设于所述多量子阱层和p型层之间的n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，多量子阱层中，靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的1~25个所述量子垒层中，至少一个量子垒层为p型掺杂的量子垒层。
具体地，多量子阱层中最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层为所述p型掺杂的量子垒层。
进一步地，最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层的厚度大于多量子阱层中其他所述量子垒层。
进一步地，最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层的厚度为5-20nm。
优选地，最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层的厚度为16nm。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层掺杂量为均一的。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层掺杂量为变化的，变化包括梯形变化和非梯形变化。
进一步地，多量子阱层中的量子垒层为GaN层、InGaN层、AlGaN层或InAlGaN层中的至少一种。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层包括多个InxAlyGa1-x-yN子层，且多个InxAlyGa1-x-yN子层中，n型掺杂的掺杂浓度不同。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层采用In或Al中的至少一种掺杂。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层包括多个InxAlyGa1-x-yN子层，且多个InxAlyGa1-x-yN子层中，In、Al、Ga的组分含量不同。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层为超晶格结构。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层为非超晶格结构。
具体地，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层中的x、y值是周期性变化或非周期性变化的。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底。
另一方面，本发明提供了一种制备上述发光二极管外延片的方法，方法包括在所述衬底上依次生长低温缓冲层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱层、n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层和p型层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例提供的发光二极管外延片，通过在多量子阱层和p型层之间设置n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，通过生长p型的量子垒层结合n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，来提高内量子效率，其中，p型的量子垒层可以抑制电子溢流，并提高量子阱区域的空穴浓度，其中，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层可以加强对量子阱区域空穴的限制作用，并且不会影响电子的注入效率，所以本发明实施例提供的发光二极管外延片有效提高了二极管发光效率，采用所述发光二极管外延片的制备方法，制备出的发光二极管外延片发光效率高。
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是本发明实施例一提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的发光二极管外延片的结构示意图。
图中：101-衬底、102-缓冲层、103-不掺杂的GaN层、104-n型掺杂的GaN层、107-p型GaN层、108-p型GaN接触层、501-In0.15Ga0.85N构成的量子阱层、502-p型GaN构成的量子垒层、503-p-GaN构成的量子垒层、504-u-GaN构成的量子垒层、601-n型掺杂的InAl0.08Ga0.92N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
本发明实施例提供一种发光二极管外延片，在本实施例中，多量子阱层的多个量子垒层中，靠近n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层601的量子垒层为p型掺杂的，而其它量子垒层是不掺杂的。
具体地，如图1所示，该发光二极管外延片包括：衬底101、依次层叠在衬底上的低温缓冲层102、不掺杂的GaN层103、n型掺杂的GaN层104、多量子阱层、n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层和p型层，该多量子阱层包括量子垒层和与量子垒层相互交替生长的量子阱层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。在前述多量子阱层中，最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层为p型掺杂的量子垒层。
具体地，多量子阱层可以为1~25个周期。
进一步地，在本实施例中，该多量子阱层包括：9个In0.15Ga0.85N构成的量子阱层501和8个由u-GaN构成的量子垒层504、以及最靠近n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层（last barrier）的p型掺杂的量子垒层。
进一步地，最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层的厚度大于所述多量子阱层中其他所述量子垒层。其中，p型掺杂的量子垒层的厚度可以为5-20nm。
更进一步地，在本实施例中，量子阱层的厚度为3nm，u-GaN构成的量子垒层504的厚度为12nm，p型掺杂的量子垒层的厚度优选为16nm。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层掺杂量为均一的。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层掺杂量为变化的，变化包括梯形变化和非梯形变化。
进一步地，多量子阱层中的所述量子垒层为GaN层、InGaN层、AlGaN层或InAlGaN层中的一种或多种。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层包括多个InxAlyGa1-x-yN子层，且多个InxAlyGa1-x-yN子层中，n型掺杂的掺杂浓度不同。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层采用In或Al中的至少一种掺杂。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层包括多个InxAlyGa1-x-yN子层，且多个InxAlyGa1-x-yN子层中，In、Al、Ga的组分含量不同。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层为超晶格结构。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层可以为单层或多层的。
具体地，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层中的x、y值分别在0≤x≤1，0≤y≤1的范围内可以是周期性变化的。
例如：生长InxAlyGa1-x-yN模式如下：
先生长In0.1Al0.1Ga0.8N和In0.2Al0.2Ga0.6N，两者构成一个结构单元，然后重复生长多个结构单元，In0.1Al0.1Ga0.8N和In0.2Al0.2Ga0.6N这个结构单元就是一个周期，称之为周期性的。
可选地，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层中的x、y值分别在0≤x≤1，0≤y≤1的范围内可以是非周期性性变化的。
具体地，n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层为n型掺杂的Al0.08Ga0.92N层601。
具体地，p型层包括Mg掺杂的p型GaN层107和p型GaN接触层108，其中，p型GaN层107用于为电子空穴对复合提供空穴，用于发光；p型GaN接触层108用于与金属电极连接，其作用在于减小接触电阻，p型GaN接触层108为了让LED便于芯片处理，便于在p型GaN接触层108上做电极。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底。
需要说明的是，在本实施例中，最靠近n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层为p型掺杂的量子垒层，但并以此为限，在其它实施例中，也可以是，靠近n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的3个量子垒层中的至少一个量子垒层为p型掺杂的量子垒层。本实施例中量子阱层和量子垒层的材料、数量、厚度及其组分含量均为举例，并不作为对本发明的限制，在其它实施例中，可以根据实际需要设置。
上述发光二极管外延片的制备方法如下：首先在蓝宝石衬底101上生长低温缓冲层102，接着生长不掺杂的GaN（u-GaN）层103，然后在不掺杂的GaN层103上生长n型掺杂的GaN层104，然后生长由9个In0.15Ga0.85N构成的量子阱层501和8个由u-GaN构成的量子垒层504，接着生长一层由p型GaN构成的量子垒层502，In0.15Ga0.85N构成的量子阱层501、u-GaN构成的量子垒层504和p型GaN构成的量子垒层502共同构成多量子阱结构。多量子阱长完后生长一层n型掺杂的InAl0.08Ga0.92N层601和Mg掺杂的p型GaN层107，生长完p型GaN接触层108后，将反应腔的温度降至650℃至850℃之间，纯氮气氛围中退火处理5-15分钟，然后降至室温，结束外延生长。
对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成LED芯片。
实施例二
本发明实施例提供一种发光二极管外延片，与本发明实施例一相比，区别在于本发明实施例二的所有量子垒层均为p型掺杂的。具体地，如图2所示，该发光二极管外延片从下至上依次为：衬底101、低温缓冲层（buffer layer）102、不掺杂的GaN层（u-GaN）103、n型掺杂的GaN层104、多量子阱层、n-Al0.08Ga0.92N层601、Mg掺杂的p型GaN层107和p型GaN接触层108。
需要说明的是，在实施例二中，所有的量子垒层均为p型掺杂的，在其它实施例中，也可以是部分量子垒层为p型掺杂的，部分量子垒层为不掺杂的。
上述发光二极管外延片的制备方法如下：首先在蓝宝石衬底101上生长低温缓冲层102，接着生长不掺杂的GaN（u-GaN）层103，然后在不掺杂的GaN层103上生长n型掺杂的GaN层104，然后生长由9个In0.15Ga0.85N构成的量子阱层501和8个由p-GaN构成的量子垒层503，接着生长一层由p型GaN构成的量子垒层502，In0.15Ga0.85N构成的量子阱层501、p-GaN构成的量子垒层503和p型GaN构成的量子垒层502共同构成多量子阱结构。多量子阱长完后生长一层n型掺杂的InAl0.08Ga0.92N层601和Mg掺杂的p型GaN层107，生长完p型GaN接触层108后，将反应腔的温度降至650℃至850℃之间，纯氮气氛围中退火处理5-15分钟，然后降至室温，结束外延生长。
对生长的外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制成LED芯片。
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 (10)

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、依次层叠在所述衬底上的缓冲层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱层和p型层，所述多量子阱层包括量子垒层和与所述量子垒层相互交替生长的量子阱层，其特征在于，所述外延片还包括设于所述多量子阱层和所述p型层之间的n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，所述多量子阱层中，靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的1~25个所述量子垒层中，至少一个所述量子垒层为p型掺杂的量子垒层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述多量子阱层中最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的所述量子垒层为所述p型掺杂的量子垒层。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述最靠近所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层的量子垒层的厚度大于所述多量子阱层中其他所述量子垒层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的外延片，其特征在于，所述多量子阱层中的所述量子垒层为GaN层、InGaN层、AlGaN层或InAlGaN层中的至少一种。
5.根据权利要求1-3任一项所述的外延片，其特征在于，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层包括多个InxAlyGa1-x-yN子层，且所述多个InxAlyGa1-x-yN子层中，n型掺杂的掺杂浓度不同。
6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层采用In或Al中的至少一种掺杂。
7.根据权利要求1-3任一项所述的外延片，其特征在于，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层包括多个InxAlyGa1-x-yN子层，且所述多个InxAlyGa1-x-yN子层中，In、Al、Ga的组分含量不同。
8.根据权利要求1-3任一项所述的外延片，其特征在于，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层为超晶格结构。
9.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层中的x、y值是周期性变化的。
10.一种制备如权利要求1所述的外延片的方法，其特征在于，所述方法包括在所述衬底上依次生长低温缓冲层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、多量子阱层、n型掺杂的InxAlyGa1-x-yN层和p型层，其中，0≤x≤1，0≤y≤1。
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