CN104241468A - 一种高外量子效率GaN基LED外延片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于外延片制造领域，提供一种高外量子效率GaN基LED外延片及其制作方法，所述方法包括：在蓝宝石衬底上依次生长出GaN成核层、非故意掺杂U-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层；所述电子阻挡层为AlN层或者AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层，0≦y≦1，0≦z≦1，0≦y+z≦1，生长温度为700～1200℃，厚度为3～100nm。本发明中，高势垒的薄层AlN能有效起到电子阻挡层的作用，可以减薄整个P层结构的厚度，可以显著提高LED器件的外量子效率，而且还可以缩短生长时间，降低生产成本。

Description

一种高外量子效率GaN基LED外延片及其制作方法
技术领域
本发明属于外延片制造技术领域，尤其涉及一种高外量子效率GaN基LED外延片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LED,Light Emitting Diode))具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，现已广泛应用于背光、交通指示灯、车灯、路灯、玩具装饰等领域。应用领域对LED的要求越来越高，提高质量和降低生产成本是LED行业一直追求的目标。
现有GaN基LED外延片中，其电子阻挡层采用AlGaN、AlInGaN等生长，且整个P层结构的厚度大约为200nm，由于P层较厚，使得LED器件的外量子效率低，而且生产时间更长，成本更高。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种高外量子效率GaN基LED外延片及其制作方法，旨在解决现有GaN基LED外延片外量子效率低的技术问题。
一方面，所述高外量子效率GaN基LED外延片生长方法包括下述步骤：
在蓝宝石衬底上依次生长出GaN成核层、非故意掺杂U-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层，所述电子阻挡层为AlN层或者AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层；所述电子阻挡层为AlN层或者AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层，其中0≦y≦1，0≦z≦1，0≦y+z≦1，生长温度为700～1200℃，厚度为3～100nm。
进一步的，所述电子阻挡层不掺杂，或者用Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3。
进一步的，当所述电子阻挡层为AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层时，AlN与AlyInzGa1-y-zN的厚度比例大于或等于0.3。
进一步的，所述量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层总厚度小于或等于100nm。
进一步的，所述量子阱保护层的生长温度为800～900℃，厚度为5～50nm。
进一步的，所述P型GaN层为Mg渐变掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3，生长温度为1100℃，厚度为10～200nm。
进一步的，所述接触层为Mg掺杂InhGa1-hN层，或者为Si掺杂InhGa1-hN层，其中0≦h≦1；若为Mg掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3以上；若为Si掺杂，掺杂浓度为1×1017cm-3以上。
进一步的，所述成核层为GaN成核层，生长温度为550～680℃，厚度为10～60nm；所述非故意掺杂U-GaN层为GaN层，生长温度为1100℃以上，厚度为0.5～5μm；所述N型掺杂GaN层为Si掺杂，生长温度为1000～1250℃，厚度为0.5～5μm，所述有源区MQW层为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其中0<x<1。
另一方面，所述高外量子效率GaN基LED外延片由上述生长方法得到。
本发明的有益效果是：本发明中，电子阻挡层采用AlN为主来生长，AlN的禁带宽度为6.2eV，而GaN的禁带宽度只有3.45eV，且AlN是与GaN晶格匹配、热导系数非常相近的材料，本发明方法采用高势垒的薄层AlN能有效起到电子阻挡层的作用，可以最大程度减薄整个P结构的厚度，从而可以显著提高LED器件的外量子效率；同时减薄整个P结构厚度，可以减少源的消耗，也可以减少生长时间，生产成本也明显降低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高外量子效率GaN基LED外延片的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明实施例提供了一种高外量子效率GaN基LED外延片及其生长方法，如图1所示，所述外延片从底层到顶层依次为蓝宝石衬底、GaN成核层、非故意掺杂U-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW(Multi-Quantum Wells)层、量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。具体制作方法如下：
在蓝宝石衬底上依次生长出GaN成核层、非故意掺杂U-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层。
本实施例所采用的电子阻挡层为AlN层或者AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层，其中0≦y≦1，0≦z≦1，0≦y+z≦1，生长温度为700～1200℃，优选为700～1100℃，厚度为3～100nm，优选为25nm。本实施例中，所述电子阻挡层最好不掺杂，也可以用Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3。当所述电子阻挡层为AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层时，AlN与AlyInzGa1-y-zN的厚度比例大于或等于0.3。
现有LED外延片电子阻挡层用AlGaN、AlInGaN等生长，且整个P层结构的厚度大约为200nm，由于厚度较厚，使得制得的LED器件的外量子效率较低。本发明为了解决此问题，电子阻挡层采用与GaN晶格匹配、热导系数非常相近的AlN为主材料来生长，高势垒的薄层AlN能有效起到电子阻挡层的作用，并且整个P层结构厚度可以做到100nm甚至更小，即所述量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层总厚度小于或等于100nm，而现有LED外延片P层结构厚度一般在200nm。薄P层结构对LED所发光波吸收减少，出射角度变大，可以显著提高LED的外量子效率；另外。薄P层结构，生长时间缩短，生产成本就降低，符合市场价值。
所述量子阱保护层为GaN层，生长温度不宜过高、厚度不宜过厚，避免高温损害有源区，厚量子阱保护层损伤外量子效率，其生长温度为700～900℃，优选为800～900℃，厚度为5～50nm，优选为20nm。
所述P型GaN层为Mg渐变掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3，优选掺杂浓度为5×1018cm-3以上。最佳生长温度为1100℃，厚度为10～200nm，优选50nm。
所述接触层为Mg掺杂InhGa1-hN层，或者为Si掺杂InhGa1-hN层，其中0≦h≦1；若为Mg掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3以上，优选为5×1019cm-3以上；若为Si掺杂，掺杂浓度为1×1017cm-3以上，优选为5×1018cm-3以上。
另外，所述成核层为GaN成核层，生长温度为550～680℃，厚度为10～60nm；所述非故意掺杂U-GaN层为GaN层，生长温度为1100℃以上，厚度为0.5～5μm；所述N型掺杂GaN层为Si掺杂，生长温度为1000～1250℃，厚度为0.5～5μm，所述有源区MQW层为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其中0<x<1。
下面给出一种具体的GaN基LED外延片生长工艺流程：
S1、在550～680℃条件下，在蓝宝石衬底上生长出厚度为10～60nm的GaN成核层；
S2、在1100℃以上条件下，在所述GaN成核层上生长出厚度为0.5～5μm的非故意掺杂U-GaN层，所述非故意掺杂U-GaN层为GaN层；
S3、在1000～1250℃条件下，在所述非故意掺杂U-GaN层上成长出Si掺杂且厚度为0.5～5μm的N型掺杂GaN层；
S4、在所述N型掺杂GaN层上生长出有源区MQW层，所述有源区MQW层为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其中0<x<1；
S5、在850℃条件下，在所述有源区MQW层上生长出厚度为20nm的量子阱保护层；
S6、在830℃条件下，在所述量子阱保护层上生长出厚度为25nm的电子阻挡层，所述电子阻挡层为AlN层，为非故意掺杂层；
S7、在1130℃条件下，在所述电子阻挡层上生长出厚度为50nm的P型GaN层，所述P型GaN层为Mg渐变掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3；
S8、在P型GaN层上生长出厚度为3nm的接触层，所述接触层为Mg掺杂InhGa1-hN层，掺杂浓度为1×1020cm-3。
最终得到GaN基LED外延片整个P层结构厚度大约为100nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高外量子效率GaN基LED外延片生长方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
在蓝宝石衬底上依次生长出GaN成核层、非故意掺杂U-GaN层、N型掺杂GaN层、有源区MQW层、量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层；所述电子阻挡层为AlN层或者AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层，其中0≦y≦1，0≦z≦1，0≦y+z≦1，生长温度为700～1200℃，厚度为3～100nm。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述电子阻挡层不掺杂，或者用Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，当所述电子阻挡层为AlN与AlyInzGa1-y-zN形成的超晶格层时，AlN与AlyInzGa1-y-zN的厚度比例大于或等于0.3。
4.如权利要求1-3任一项所述方法，其特征在于，所述量子阱保护层、电子阻挡层、P型GaN层、接触层总厚度小于或等于100nm。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述量子阱保护层的生长温度为800～900℃，厚度为5～50nm。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述P型GaN层为Mg渐变掺杂，掺杂浓度为1×1017～5×1020cm-3，生长温度为1100℃，厚度为10～200nm。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述接触层为Mg掺杂InhGa1-hN层，或者为Si掺杂InhGa1-hN层，其中0≦h≦1；若为Mg掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3以上；若为Si掺杂，掺杂浓度为1×1017cm-3以上。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于，所述成核层为GaN成核层，生长温度为550～680℃，厚度为10～60nm；所述非故意掺杂U-GaN层为GaN层，生长温度为1100℃以上，厚度为0.5～5μm；所述N型掺杂GaN层为Si掺杂，生长温度为1000～1250℃，厚度为0.5～5μm，所述有源区MQW层为InxGa1-xN阱层和GaN垒层交替生长得到的多量子阱层，其中0<x<1。
9.一种高外量子效率GaN基LED外延片，其特征在于，所述外延片由如权利要求1-8任一项所述生长方法得到。
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