CN104810442B - 一种发光二极管外延片及其生长方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其生长方法 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生长方法，属于发光二极管领域。所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层，多量子阱层为垒层和阱层交替生长的层叠结构，垒层和阱层的数量均不小于2，各个阱层均为InxGa1‑xN层，0<x<1，垒层包括第一垒层，第一垒层与P型层接触，第一垒层为GaN层和Al1‑yInyN层构成的超晶格结构，0<y<1，除第一垒层外的其他垒层均为GaN层。由于AlN的禁带宽度大于GaN的禁带宽度，这样，相比于单层GaN，GaN层和Al1‑ yInyN层构成的超晶格结构可以增大垒的带隙宽度，减少载流子溢流，提高电子和空穴在多量子阱层发生辐射复合的概率，从而提高发光二极管的内量子效率。

Description

一种发光二极管外延片及其生长方法
技术领域
本发明涉及发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)领域，特别涉及一种LED外延片及其生长方法。
背景技术
在LED产业的发展中，GaN基LED已经实现了商业化。GaN基LED外延片一般包括衬底、以及层叠在衬底上的缓冲层、无掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层(也称发光层)和P型层。
关于如何提高GaN基LED的内量子效率一直是研究的热点。引起GaN基LED内量子效率低的一个重要原因是电子溢流，溢出的电子进入到P型层，通过Mg2+的带间能级与空穴发生非辐射复合。传统做法是在多量子阱层与P型层之间插入一个电子阻挡层，以减少电子溢流。
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：电子阻挡层减少电子溢流的效果有限。
发明内容
为了减少电子溢流，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其生长方法。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、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层，所述多量子阱层为垒层和阱层交替生长的层叠结构，所述垒层和所述阱层的数量均不小于2，各个所述阱层均为InxGa1-xN层，0<x<1，
所述垒层包括第一垒层，所述第一垒层与所述P型层接触，所述第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0.15<y<0.2，除所述第一垒层外的其他所述垒层均为GaN层。
可选地，所述超晶格结构中各个层均为n型掺杂，掺杂元素为硅或锗。
可选地，所述超晶格结构中每个层的掺杂浓度范围均为1017～1018cm-3。
可选地，所述第一垒层的厚度大于0且小于100nm，所述多量子阱层的厚度不超过250nm。
可选地，所述超晶格结构的周期数为2～20。
可选地，所述P型层包括低温P型GaN层、以及依次层叠在所述低温P型GaN层上的P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层和P型GaN接触层，
所述低温P型GaN层与所述第一垒层接触。
可选地，所述层叠结构中与所述N型层接触的是所述垒层或所述阱层。
另一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片的生长方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层；其中，所述多量子阱层为垒层和阱层交替生长的层叠结构，所述垒层和所述阱层的数量均不小于2，各个所述阱层均为InxGa1-xN层，所述垒层包括第一垒层，所述第一垒层与所述P型层接触，0<x<1，所述第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0.15<y<0.2，除所述第一垒层外的其他所述垒层均为GaN层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过第一垒层与P型层接触，第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0<y<1；一方面，由于AlN的禁带宽度大于GaN的禁带宽度，这样，相比于单层GaN，GaN层和Al1- yInyN层构成的超晶格结构可以增大垒的带隙宽度，减少载流子溢流，提高电子和空穴在多量子阱层发生辐射复合的概率，从而提高发光二极管的内量子效率。另一方面，从原子半径来看，InN的原子半径＞GaN的原子半径＞AlN的原子半径，所以可以综合In、Al组分，使Al1- yInyN的晶格和GaN的晶格完全匹配，从而减小了压电极化效应对异质结的影响，提高了第一垒层的二维电子气密度，可以更好地将电子和空穴限制在量子阱层发生辐射复合。并且Al1-yInyN层是由Al、In、N三元化合物制成，元素数量少，调节In、Al的组分相对比较容易。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的又一种发光二极管外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法的流程图。
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发光二极管外延片，参见图1，该发光二极管外延片包括衬底11、以及依次层叠在该衬底11上的缓冲层12、非掺杂GaN层13、N型层14、多量子阱层15、以及P型层16。该多量子阱层15为垒层和阱层交替生长的层叠结构，垒层和阱层的数量均不小于2，各个阱层均为InxGa1-xN层，垒层包括第一垒层151，第一垒层151与P型层16接触，0<x<1。其中，第一垒层151为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0<y<1，除第一垒层151外的其他垒层均为GaN层。
需要说明的是，本方面实施例不限定超晶格结构中GaN层和Al1-yInyN层的生长顺序，该超晶格结构中与P型层16接触的层可以是GaN层，也可以是Al1-yInyN层。
通过第一垒层151与P型层16接触，第一垒层151为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0<y<1；一方面，由于AlN的禁带宽度大于GaN的禁带宽度，这样，相比于单层GaN，GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构可以增大垒的带隙宽度，减少载流子溢流，提高电子和空穴在多量子阱层15发生辐射复合的概率，从而提高发光二极管的内量子效率。另一方面，从原子半径来看，InN的原子半径＞GaN的原子半径＞AlN的原子半径，所以可以综合In、Al组分，使Al1-yInyN的晶格和GaN的晶格完全匹配，从而减小了压电极化效应对异质结的影响，提高了第一垒层151的二维电子气密度，可以更好地将电子和空穴限制在量子阱层发生辐射复合。并且Al1-yInyN层是由Al、In、N三元化合物制成，元素数量少，调节In、Al的组分相对比较容易。
作为优选的实施方式，0.15<y<0.2。
经试验表明，当0.15<y<0.2时，AlInN可以与GaN达到最佳晶格匹配，此时引入界面的缺陷更少，进一步减少了压电极化效应对异质结的影响，可以更好地将电子和空穴限制在量子阱层发生辐射复合。
超晶格结构中，Al1-yInyN层和GaN层可以均不掺杂，Al1-yInyN层和GaN层中任何一个层可以为n型掺杂，还可以均为n型掺杂，掺杂元素可以为硅或锗。当超晶格结构中Al1-yInyN层和GaN层掺杂一定杂质元素时，其抗静电能力会提高。
作为优选的实施方式，超晶格结构中每个层的n型掺杂的掺杂浓度范围均可以为1017～1018cm-3。
虽然n型掺杂可以提高抗静电能力，但是会影响到其反向工作电压，并且掺杂的杂质元素过量时，其抗静电能力反而会降低，且反向工作电压会进一步降低。经试验表明，当n型掺杂的掺杂浓度范围为1017～1018cm-3时，发光二极管的电性参数达到平衡状态。
其中，第一垒层151的厚度大于0且小于100nm，多量子阱层15的厚度不超过250nm。
具体地，该超晶格结构中，Al1-yInyN层与GaN层的厚度可以相同，也可以不同。需要说明的是，经试验表明，Al1-yInyN层厚一点的时候应该电子阻挡效果更好一些，因为AlN的禁带宽度较大，可以更好地阻挡载流子溢出；但是Al1-yInyN层过厚的时候，发光二极管外延片的正向工作电压可能会偏高，因为AlN的载流子浓度较低。因此两个子层的最佳厚度关系可以在实际应用的时候再寻找最优关系。
其中，超晶格结构的周期数可以为2～20。每个周期均包括一个Al1-yInyN层和一个GaN层。
作为一种举例，第一垒层151，即该超晶格结构的周期为6时，该超晶格结构中，各个Al1-yInyN层的厚度可以为5nm，各个GaN层的厚度可以为6nm。各个Al1-yInyN层中In的含量为0.18，且各个Al1-yInyN层中无其他杂质掺杂。各个GaN层中掺杂少量Si，掺杂后的各个GaN层的电子浓度为2.8x1017cm-3。
其中，N型层14可以由GaN制成。N型层14包括但不限于Si掺杂，还可以采用其他掺杂，例如Ge。
其中，多量子阱层15与N型层14接触的层可以是垒层，也可以是阱层。作为第一可选实施方式，如图1所示，垒层还包括第二垒层152，第二垒层152与N型层14接触。作为第二可选实施方式，如图2所示，阱层包括第一阱层153，第一阱层153与N型层14接触。
具体地，各个阱层，即InxGa1-xN层中的In的含量与实际需求有关，例如在波长各不相同的蓝绿光、红黄光等发光二极管中In的含量各不相同。
其中，P型层16可以为复合层。例如，P型层16包括低温P型GaN层161、以及依次层叠在低温P型GaN层161上的P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层和P型GaN接触层。低温P型GaN层161与第一垒层151接触。
具体地，低温P型GaN层161的生长温度较低，由于阱层中In在温度较高时容易析出，因此，生长低温P型GaN层161时采用较低的生长温度能够提高阱层的生长质量。
具体地，P型AlGaN电子阻挡层起电子阻挡作用，用于减少电子溢流。
其中，低温P型GaN层161也提供空穴进入多量子阱层15中进行辐射复合。但是，由于P型AlGaN电子阻挡层覆盖在低温P型GaN层161上，因此，P型AlGaN电子阻挡层不能对溢流到低温P型GaN层161中的电子起阻挡作用。而当低温P型GaN层161与第一垒层151直接接触时，基于第一垒层151的电子阻挡作用，可以抑制电子溢流到低温P型GaN层161中进行非辐射复合。可以看出，结合P型AlGaN电子阻挡层和第一垒层151，将更大程度上减少电子溢流，增强电子阻挡作用。
具体地，P型层16的掺杂元素包括但不限于镁(Mg)。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，该生长方法适用于生长本发明实施例一提供的发光二极管外延片。参见图3，该方法包括：
步骤201、提供一衬底。
具体地，衬底可以是蓝宝石衬底，也可以是Si衬底或SiC衬底。
步骤202、在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层。
其中，该多量子阱层为垒层和阱层交替生长的层叠结构，阱层为InxGa1-xN层，垒层的数量不小于2，垒层包括第一垒层，第一垒层与P型层接触，0<x<1，第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0<y<1，除第一垒层外的其他垒层均为GaN层。
具体地，可以采金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic ChemicalVapor Deposition，简称：MOCVD)方法在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层。其中，可以以三甲基(或三乙基)镓作为镓源，高纯NH3作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂选用硅烷，p型掺杂选用二茂镁。
本发明实施例通过第一垒层与P型层接触，第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0<y<1；一方面，由于AlN的禁带宽度大于GaN的禁带宽度，这样，相比于单层GaN，GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构可以增大垒的带隙宽度，减少载流子溢流，提高电子和空穴在多量子阱层发生辐射复合的概率，从而提高发光二极管的内量子效率。另一方面，从原子半径来看，InN的原子半径＞GaN的原子半径＞AlN的原子半径，所以可以综合In、Al组分，使Al1-yInyN的晶格和GaN的晶格完全匹配，从而减小了压电极化效应对异质结的影响，提高了第一垒层的二维电子气密度，可以更好地将电子和空穴限制在量子阱层发生辐射复合。并且Al1-yInyN层是由Al、In、N三元化合物制成，元素数量少，调节In、Al的组分相对比较容易。
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 (8)

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、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层，所述多量子阱层为垒层和阱层交替生长的层叠结构，所述垒层和所述阱层的数量均不小于2，每个所述阱层均为InxGa1-xN层，0<x<1，其特征在于，
所述垒层包括第一垒层，所述第一垒层与所述P型层接触，所述第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0.15<y<0.2，除所述第一垒层外的其他所述垒层均为GaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格结构中各个层均为n型掺杂，掺杂元素为硅或锗。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格结构中每个层的掺杂浓度范围均为1017～1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一垒层的厚度大于0且小于100nm，所述多量子阱层的厚度不超过250nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格结构的周期数为2～20。
6.根据权利要求1-5任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述P型层包括低温P型GaN层、以及依次层叠在所述低温P型GaN层上的P型AlGaN电子阻挡层、高温P型GaN层和P型GaN接触层，
所述低温P型GaN层与所述第一垒层接触。
7.根据权利要求1-5任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述层叠结构中与所述N型层接触的是所述垒层或所述阱层。
8.一种发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层；其中，所述多量子阱层为垒层和阱层交替生长的层叠结构，所述垒层和所述阱层的数量均不小于2，各个所述阱层均为InxGa1-xN层，所述垒层包括第一垒层，所述第一垒层与所述P型层接触，0<x<1，所述第一垒层为GaN层和Al1-yInyN层构成的超晶格结构，0.15<y<0.2，除所述第一垒层外的其他所述垒层均为GaN层。
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