CN104167475A - 一种发光二极管外延片及其制作方法 - 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作方法,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GaN层、有源层、P型GaN层,有源层为交替生长的InGaN层和GaN层,外延片还包括超晶格GaN层,超晶格GaN层层叠在未掺杂GaN层和N型GaN层之间,超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层,第一GaN层采用三维3D模式生长,第二GaN层采用二维2D模式生长。本发明通过插入采用3D模式生长的GaN层,一方面可以使位错偏折、合并,另一方面,有效改变被全反射反射回来的光的方向,从而再次出射,提高了LED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作方法。
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,具有体积小、亮度高、能耗小的特点,被广泛的应用于显示屏,背光源和照明领域。
现有的LED外延片包括蓝宝石衬底、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,有源层为交替生长的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:
衬底材料蓝宝石与其它各层材料GaN属于异质材料,晶格失配率高达14%,位错密度高达108cm-2,电子和空穴辐射复合的几率较低,LED的发光效率较低。而且GaN的折射率为2.5,空气的折射率为1,只有在入射角在23.6°范围内的光才能透过GaN出射到空气之中,大部分光将被反射回来,进一步降低了LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术LED的发光效率较低的问题,本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制作方法。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GaN层、有源层、P型GaN层,所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层,所述外延片还包括超晶格GaN层,所述超晶格GaN层层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间,所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层,所述第一GaN层采用三维3D模式生长,所述第二GaN层采用二维2D模式生长。
可选地,所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
可选地,所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6。
可选地,所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
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作方法,所述方法包括:
在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层;
在所述未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层,所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层,所述第一GaN层采用三维3D模式生长,所述第二GaN层采用二维2D模式生长;
在所述超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层,所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
可选地,所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
可选地,所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6。
可选地,所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
可选地,沉积所述第一GaN层时的压力为500-800mbar。
可选地,沉积所述第一GaN层时的Ga流量为沉积所述第二GaN层时的Ga流量的1/3-1/2,沉积所述第一GaN层时的温度比沉积所述第二GaN层时的温度低50-100℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
通过插入采用3D模式生长的GaN层,一方面可以使位错偏折、合并,降低位错密度,提高电子和空穴辐射复合的几率,进而提高LED的发光效率;另一方面,由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的,存在斜面反射,可以有效改变被全反射反射回来的光的方向,使得这些光有可能被再次出射,提高了LED的二次出光效率,从而进一步提高了LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层,可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的,因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层,可以最大限度地降低位错密度,显著提高LED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外延片的制作方法的流程图。
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、超晶格GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型GaN层6。
在本实施例中,超晶格GaN层3的生长温度为750-1050℃,超晶格GaN层3包括交替生长的第一GaN层31(用阴影表示)和第二GaN层32,第一GaN层31采用3D(三维)模式生长,第二GaN层32采用2D(二维)模式生长。有源层5为交替生长的InGaN层51和GaN层52。
具体地,第一GaN层31的Ga含量可以为第二GaN层32的Ga含量的1/3-1/2。
可选地,第一GaN层31和第二GaN层32的总层数可以为16-60层,保证较好的光反射效果,提高出光效率。
可选地,第一GaN层31和第二GaN层32的厚度比可以为1:3-1:6,一方面可以保证采用2D模式生长的GaN层可以对采用3D模式生长的GaN层进行填平,使得超晶格GaN层的表面最终是平整的,另一方面也可以保证好的反射效果,提高LED的发光效率。
可选地,第一GaN层31的厚度可以为30-100nm,既保证采用3D模式生长的GaN层的反射效果,又能使采用2D模式生长的GaN层较容易地对采用3D模式生长的GaN层进行填平。
在本实施例中,未掺杂GaN层2的厚度可以为2μm,N型GaN层4的厚度可以为2μm。在其它实施例中,未掺杂GaN层2和N型GaN层4的厚度也可以为其它值,本发明对比不作限制。
本发明实施例通过插入采用3D模式生长的GaN层,一方面可以使位错偏折、合并,降低位错密度,提高电子和空穴辐射复合的几率,进而提高LED的发光效率;另一方面,由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的,存在斜面反射,可以有效改变被全反射反射回来的光的方向,使得这些光有可能被再次出射,提高了LED的二次出光效率,从而进一步提高了LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层,可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的,因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层,可以最大限度地降低位错密度,显著提高LED的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种LED外延片的制作方法,适用于制作实施例一提供的LED外延片,参见图2,该方法包括:
步骤200:对蓝宝石衬底进行预处理。
具体地,该步骤200可以包括:
将蓝宝石衬底放入MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,金属有机化合物化学气相沉淀)系统中,高温热处理10-15分钟。
例如,在MOCVD系统中,将蓝宝石衬底在温度为1100℃,纯氢气气氛里高温处理15分钟。
步骤201:在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层。
具体地,该步骤201可以包括:
在1000℃下生长3μm的GaN。
可选地,在步骤201之前,该方法还可以包括:
在600℃下生长20nm的GaN。
步骤202:在未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层。
在本实施例中,超晶格GaN层3的生长温度为750-1050℃,超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层。第一GaN层采用3D模式生长,第二GaN层采用2D模式生长。
第一GaN层和第二GaN层的总层数为20,第一GaN层的厚度为80nm,第二GaN层的厚度为250nm。
具体地,第一GaN层31的Ga含量可以为第二GaN层32的Ga含量的1/3-1/2。
可选地,第一GaN层和第二GaN层的总层数可以为16-60层,保证较好的光反射效果,提高出光效率。
可选地,第一GaN层和第二GaN层的厚度比可以为1:3-1:6,一方面可以保证采用2D模式生长的GaN层可以对采用3D模式生长的GaN层进行填平,使得超晶格GaN层的表面最终是平整的,另一方面也可以保证好的反射效果。
可选地,第一GaN层的厚度可以为30-100nm,既保证采用3D模式生长的GaN层的反射效果,又能使采用2D模式生长的GaN层较容易地对采用3D模式生长的GaN层进行填平。
可选地,沉积第一GaN层时的压力可以为500-800mbar,实现GaN层的3D生长时所需的高压条件。
可选地,沉积第一GaN层时的Ga流量可以为沉积第二GaN层时的Ga流量的1/3-1/2,实现GaN层的3D生长时所需的低Ga流量。
可选地,沉积第一GaN层时的温度可以比沉积第二GaN层时的温度低50-100℃,实现GaN层的3D生长时所需的低温条件。
步骤203:在超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层。
在本实施例中,有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
具体地,N型GaN层的厚度可以为2μm,InGaN层的厚度可以为2.5nm,GaN层的厚度可以为12nm,P型GaN层的厚度可以为0.4μm。
可选地,在步骤203之后,该方法还可以包括:
将反应腔的温度降至800℃,纯氮气氛围进行退火处理10min,然后降至室温。
本发明实施例通过插入采用3D模式生长的GaN层,一方面可以使位错偏折、合并,降低位错密度,提高电子和空穴辐射复合的几率,进而提高LED的发光效率;另一方面,由于采用3D模式生长的GaN层表面是不平整的,存在斜面反射,可以有效改变被全反射反射回来的光的方向,使得这些光有可能被再次出射,提高了LED的二次出光效率,从而进一步提高了LED的发光效率。而且插入采用2D模式生长的GaN层,可以保证超晶格GaN层的表面最终是平整的,因此将超晶格GaN层设置为交替生长的采用3D模式生长的GaN层和采用2D模式生长的GaN层,可以最大限度地降低位错密度,显著提高LED的发光效率。另外,本发明实施例提供的方法使用便捷、加工效率高、成本低廉,可以实现大规模生产的要求。
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GaN层、有源层、P型GaN层,所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层,其特征在于,所述外延片还包括超晶格GaN层,所述超晶格GaN层层叠在所述未掺杂GaN层和所述N型GaN层之间,所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层,所述第一GaN层采用三维3D模式生长,所述第二GaN层采用二维2D模式生长。
2.根据权利要求1所述的外延片,其特征在于,所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
3.根据权利要求1或2所述的外延片,其特征在于,所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6。
4.根据权利要求1或2所述的外延片,其特征在于,所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
5.一种发光二极管外延片的制作方法,其特征在于,所述方法包括:
在蓝宝石衬底上沉积未掺杂GaN层;
在所述未掺杂GaN层上沉积超晶格GaN层,所述超晶格GaN层包括交替生长的第一GaN层和第二GaN层,所述第一GaN层采用三维3D模式生长,所述第二GaN层采用二维2D模式生长;
在所述超晶格GaN层上依次沉积N型GaN层、有源层、P型GaN层,所述有源层为交替生长的InGaN层和GaN层。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述第一GaN层和所述第二GaN层的总层数为16-60层。
7.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,所述第一GaN层和所述第二GaN层的厚度比为1:3-1:6。
8.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,所述第一GaN层的厚度为30-100nm。
9.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,沉积所述第一GaN层时的压力为500-800mbar。
10.根据权利要求5或6所述的方法,其特征在于,沉积所述第一GaN层时的Ga流量为沉积所述第二GaN层时的Ga流量的1/3-1/2,沉积所述第一GaN层时的温度比沉积所述第二GaN层时的温度低50-100℃。
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