CN104022197A - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，量子阱层为InGaN层，量子垒层包括第一量子垒层和第二量子垒层，第二量子垒层为有源层中最靠近P型层的一个量子垒层，第一量子垒层为除第二量子垒层以外的量子垒层，第一量子垒层为GaN层，第二量子垒层包括交替生长的第一子层和第二子层，第一子层为GaN层，第二子层为AlGaN层。本发明通过将有源层中最靠近P型层的量子垒层改为交替生长的GaN层和AlGaN层，提高了发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发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)是一种能发光的半导体电子元件。LED具有长寿、节能、环保、可靠性高等优点，近年来在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明等领域发挥了越来越重要的作用。
LED外延片是LED内部的晶片生产的原材料。现有的LED外延片通常包括衬底、以及依次生长在衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型GaN层。其中，有源层包括若干交替生长的InGaN层和GaN层。
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：
对于LED来说，N型GaN层提供载流子中的电子，P型GaN层提供载流子中的空穴，而这两种载流子传输至有源层中时在量子阱(即InGaN层)中发生辐射复合发光。由于P型GaN层中的空穴浓度较低，而N型GaN层中的电子浓度较高，空穴一从P型GaN层注入有源层中，就与有源层中靠近P型GaN层的量子阱层中的电子发生辐射复合发光，导致空穴的传输距离有限，所以通常临近P型GaN层的3个量子阱为主要发光区域，而能生长较好质量的量子阱的总个数通常为6～15不等，所以发光二极管的发光效率还有待提高。
发明内容
为了解决现有技术发光效率不够高的问题，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发光二极管外延片，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，所述有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层包括第一量子垒层和第二量子垒层，所述第二量子垒层为所述有源层中最靠近所述P型层的一个量子垒层，所述第一量子垒层为除所述第二量子垒层以外的量子垒层，所述第一量子垒层为GaN层，所述第二量子垒层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层为GaN层，所述第二子层为AlGaN层。
可选地，所述第一子层和所述第二子层的层数为2-15。
可选地，所述第二子层中Al、Ga、N的组分含量比为x：(1-x)：1，0.05≤x≤1。
可选地，所述第二量子垒层中掺有Mg或不掺杂Mg。
可选地，所述第一子层和所述第二子层的厚度均小于或等于30nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述方法包括：
将蓝宝石衬底放置在石墨盘上并送入金属有机化合物化学气相沉淀反应腔中加热；
在所述蓝宝石衬底上依次生长未掺杂GaN层、N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层包括第一量子垒层和第二量子垒层，所述第二量子垒层为所述有源层中最靠近P型层的一个量子垒层，所述第一量子垒层为除所述第二量子垒层以外的量子垒层，所述第一量子垒层为GaN层，所述第二量子垒层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层为GaN层，所述第二子层为AlGaN层；
在所述有源层上生长所述P型层。
在本发明的一种可能的实现方式中，在生长所述第二量子垒层时，生长压力为150-250torr，生长气氛中氮气为50-90L，氨气为20-60L，生长温度为850-950℃，生长过程中不掺杂Mg。
在本发明的另一种可能的实现方式中，在生长所述第二量子垒层时，生长压力为50-150torr，生长气氛中氮气为90-120L，氨气为5-15L，生长温度为780-850℃，生长过程中掺杂Mg。
可选地，所述第一子层和所述第二子层的层数为2-15。
可选地，所述第二子层中Al、Ga、N的组分含量比为x：(1-x)：1，0.05≤x≤1。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将有源层中最靠近P型层的量子垒层(即第二量子垒层)改为交替生长的GaN层和AlGaN层，而交替生长的GaN层和AlGaN层为多重双势垒结构，该结构具备发生量子遂穿效应的宏观条件，当入射空穴能量等于两个势垒之间的势阱中空穴的量子化能级时，空穴就会发生遂穿效应，从而大大提高注入到有源层中的空穴浓度，空穴从P型层注入有源层后，一部分空穴与有源层中靠近P型层的3个量子阱层中的电子进行复合发光，还有多余的空穴离开有源层中靠近P型层的3个量子阱层，传输到更远更多的量子阱层中进行辐射复合发光，从而有源层中进行辐射复合发光的量子阱的个数随之增加，提高了发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LED外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种LED外延片的制备方法的流程图。
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
本发明实施例提供了一种LED外延片，参见图1，该外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的未掺杂GaN层2、N型层3、有源层4、P型层5。
在本实施例中，有源层4包括交替生长的量子阱层41和量子垒层，量子阱层41为InGaN层。量子垒层包括第一量子垒层42和第二量子垒层43，第二量子垒层43为有源层4中最靠近P型层5的一个量子垒层，第一量子垒层42为除第二量子垒层43以外的量子垒层。第一量子垒层42为GaN层，第二量子垒层43包括交替生长的第一子层431和第二子层432，第一子层431为GaN层，第二子层432为AlGaN层。
可选地，第一子层431和第二子层432的层数为2-15。
优选地，第一子层431和第二子层432的层数为4-8。
可选地，第二子层432中Al、Ga、N的组分含量比为x：(1-x)：1，0.05≤x≤1。
可选地，第二量子垒层43中掺有Mg或不掺杂Mg。
可选地，第一子层431和第二子层432的厚度均小于或等于30nm。
优选地，第一子层431和第二子层432的厚度均小于或等于5nm。
需要说明的是，本发明对除第二量子垒层以外的层不作限制。例如，量子阱层41的层数可以为6，第一量子垒层42的层数可以为5，P型层5的厚度可以为200nm，P型层5中可以掺有Mg。未掺杂GaN层2和N型层3的厚度可以均为2um，N型层3中可以掺有Si。
需要说明的是，本实施例提供的LED外延片主要用于蓝绿光LED的生产。
本发明实施例通过将有源层中最靠近P型层的量子垒层(即第二量子垒层)改为交替生长的GaN层和AlGaN层，而交替生长的GaN层和AlGaN层为多重双势垒结构，该结构具备发生量子遂穿效应的宏观条件，当入射空穴能量等于两个势垒之间的势阱中空穴的量子化能级时，空穴就会发生遂穿效应，从而大大提高注入到有源层中的空穴浓度，空穴从P型层注入有源层后，一部分空穴与有源层中靠近P型层的3个量子阱层中的电子进行复合发光，还有多余的空穴离开有源层中靠近P型层的3个量子阱层，传输到更远更多的量子阱层中进行辐射复合发光，从而有源层中进行复合发光的量子阱的个数随之增加，提高了发光二极管的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种LED外延片的制造方法，该方法用于制造如实施例一所述的LED外延片，参见图2，该方法包括：
步骤201：将蓝宝石衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)反应腔中加热。
具体地，加热温度为1060℃，加热时间为5min。
需要说明的是，本实施例提供的制造方法是采用MOCVD法在MOCVD反应腔中进行的。在其它实施例中，也采用其它方法和/或其它反应腔实现本发明提供的LED外延片的制造方法。
步骤202：在蓝宝石衬底上依次生长未掺杂GaN层、N型层。
具体地，未掺杂GaN层和N型层的厚度为2um，N型层中掺有Si。
步骤203：在N型层上生长有源层。
具体地，有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，量子阱层为InGaN层，量子垒层包括第一量子垒层和第二量子垒层，第二量子垒层为有源层中最靠近P型层的一个量子垒层，第一量子垒层为除第二量子垒层以外的量子垒层。第一量子垒层为GaN层，第二量子垒层包括交替生长的第一子层和第二子层，第一子层为GaN层，第二子层为AlGaN层。
可选地，第一子层和第二子层的层数为2-15。
可选地，第二子层中Al、Ga、N的组分含量比为x：(1-x)：1，0.05≤x≤1。
优选地，第一子层和第二子层的层数为4-8。
可选地，第二量子垒层中掺有Mg或不掺杂Mg。
可选地，第一子层和第二子层的厚度均小于或等于30nm。
优选地，第一子层431和第二子层432的厚度均小于或等于5nm。
在本实施例中，量子阱层的层数可以为6，第一量子垒层的层数可以为5。在其它实施例中，量子阱层和第一量子垒层的层数也可以为其它值，本发明对此不作限制。
在本实施例中，当生长第二量子垒层时，生长压力为200torr，生长气氛中氮气为70L，氢气为0L，氨气为20L，生长温度为900℃，生长过程中不掺杂Mg。交替生长的GaN层和AlxGa1-xN层的层数为6，厚度依次为13埃、15埃，x为0.4。
在另一实施例中，当生长第二量子垒层时，生长压力为200torr，生长气氛中氮气为80L，氢气为0L，氨气为40L，生长温度为910℃，生长过程中不掺杂Mg。交替生长的GaN层和AlxGa1-xN层的层数为6，厚度依次为22埃、25埃，x为0.25。
在又一实施例中，当生长第二量子垒层时，生长压力为100torr，生长气氛中氮气为100L，氢气为0L，氨气为10L，生长温度为800℃，生长过程中掺杂Mg800sccm。交替生长的GaN层和AlxGa1-xN层的层数为4，厚度依次为10埃、12埃，x为0.3。
在又一实施例中，当生长第二量子垒层时，生长压力为100torr，生长气氛中氮气为110L，氢气为0L，氨气为11L，生长温度为820℃，生长过程中掺杂Mg1000sccm。交替生长的GaN层和AlxGa1-xN层的层数为4，厚度依次为6埃、8埃，x为0.45。
检测结果显示，上述实施例得到的LED外延片的发光效率，与现有的LED外延片相比，可以提高5％，具有显著的进步。
需要说明的是，上述实施例中生长第二量子垒层的条件仅为举例。在实际应用中，在生长第二量子垒层时，生长压力为150-250torr，生长气氛中氮气为50-90L，氨气为20-60L，生长温度为850-950℃，生长过程中不掺杂Mg，或者，在生长第二量子垒层时，生长压力为50-150torr，生长气氛中氮气为90-120L，氨气为5-15L，生长温度为780-850℃，生长过程中掺杂Mg即可。
步骤204：在有源层上生长P型层。
具体地，P型层的厚度为200nm，P型层中掺有Mg。
本发明实施例通过将有源层中最靠近P型层的量子垒层(即第二量子垒层)改为交替生长的GaN层和AlGaN层，而交替生长的GaN层和AlGaN层为多重双势垒结构，该结构具备发生量子遂穿效应的宏观条件，当入射空穴能量等于两个势垒之间的势阱中空穴的量子化能级时，空穴就会发生遂穿效应，从而大大提高注入到有源层中的空穴浓度，空穴从P型层注入有源层后，一部分空穴与有源层中靠近P型层的3个量子阱层中的电子进行复合发光，还有多余的空穴离开有源层中靠近P型层的3个量子阱层，传输到更远更多的量子阱层中进行辐射复合发光，从而有源层中进行复合发光的量子阱的个数随之增加，提高了发光二极管的发光效率。
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，所述外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，所述有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，其特征在于，所述量子垒层包括第一量子垒层和第二量子垒层，所述第二量子垒层为所述有源层中最靠近所述P型层的一个量子垒层，所述第一量子垒层为除所述第二量子垒层以外的量子垒层，所述第一量子垒层为GaN层，所述第二量子垒层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层为GaN层，所述第二子层为AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的层数为2-15。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第二子层中Al、Ga、N的组分含量比为x：(1-x)：1，0.05≤x≤1。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第二量子垒层中掺有Mg或不掺杂Mg。
5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的厚度均小于或等于30nm。
6.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
将蓝宝石衬底放置在石墨盘上并送入金属有机化合物化学气相沉淀反应腔中加热；
在所述蓝宝石衬底上依次生长未掺杂GaN层、N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为InGaN层，所述量子垒层包括第一量子垒层和第二量子垒层，所述第二量子垒层为所述有源层中最靠近P型层的一个量子垒层，所述第一量子垒层为除所述第二量子垒层以外的量子垒层，所述第一量子垒层为GaN层，所述第二量子垒层包括交替生长的第一子层和第二子层，所述第一子层为GaN层，所述第二子层为AlGaN层；
在所述有源层上生长所述P型层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在生长所述第二量子垒层时，生长压力为150-250torr，生长气氛中氮气为50-90L，氨气为20-60L，生长温度为850-950℃，生长过程中不掺杂Mg。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在生长所述第二量子垒层时，生长压力为50-150torr，生长气氛中氮气为90-120L，氨气为5-15L，生长温度为780-850℃，生长过程中掺杂Mg。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的层数为2-15。
10.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述第二子层中Al、Ga、N的组分含量比为x：(1-x)：1，0.05≤x≤1。
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