CN104993028B - 一种发光二极管外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片，属于半导体技术领域。所述外延片包括：衬底、和依次覆盖在衬底上的缓冲层、无掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层，多量子阱层为多周期结构，每个周期结构包括：量子阱层和覆盖在量子阱层上的量子垒层，最靠近P型层的量子垒层为超晶格结构，超晶格结构包括：多个交替生长的AlxGa1‑xN子层和GaN子层，0＜x＜1，AlxGa1‑xN子层中Al的组分随着生长顺序递变。本发明通过将外延片的多量子阱层中最靠近P型层的量子垒层设置为上述超晶格结构，一方面可以有效阻碍电子溢流，另一方面可以增加空穴的注入率，进而能提高外延片的内量子效率，提高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。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diodes，简称“LED”)是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件，因其具有节能环保、可靠性高、使用寿命长等优点而受到广泛的关注和应用。
常规的发光二极管外延片制备方法中，会通过金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称“MOCVD”)的方法，在衬底材料(例如：蓝宝石、硅、碳化硅等)上依次生长缓冲层、无掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层等。
现有的发光二极管外延片中，一方面，多量子阱层中存在电子溢流，且溢流出的电子进入P型层与P型层中的空穴发生非辐射复合；另一方面，P型层中的空穴需要克服较高的有效位势才能注入多量子阱层，空穴的注入率较低。上述电子溢流和空穴的注入率低会影响外延片的内量子效率，进而影响到了发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有外延片的内量子效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片。所述技术方案如下：
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：
所述外延片包括：衬底、和依次覆盖在所述衬底上的缓冲层、无掺杂的GaN层、N型层、多量子阱层、以及P型层，所述多量子阱层为多周期结构，每个所述周期结构包括：量子阱层和覆盖在所述量子阱层上的量子垒层，最靠近所述P型层的所述量子垒层为超晶格结构，所述超晶格结构包括：多个交替生长的AlxGa1-xN子层和GaN子层，0＜x＜1，所述AlxGa1-xN子层中Al的组分随着生长顺序递变。
具体地，所述AlxGa1-xN子层中Al的组分随着生长顺序递增。
具体地，所述超晶格结构包括：2～20个交替生长的AlxGa1-xN子层和GaN子层。
具体地，所述超晶格结构生长厚度的取值范围不超过100nm。
具体地，所述超晶格结构为掺杂结构。
进一步地，所述超晶格结构中的掺杂元素为硅或者锗，所述超晶格结构中电子浓度的取值范围为1017～1018cm-3。
具体地，所述超晶格结构的生长温度的取值范围为880°～930°。
进一步地，所述多量子阱层中的量子阱层为InyGa1-yN，0＜y＜1。
进一步地，所述缓冲层生长厚度的取值范围为10nm～30nm；
所述无掺杂的GaN层生长厚度的取值范围为1μm～3μm；
所述N型层生长厚度的取值范围为1μm～2μm；
所述P型层生长厚度的取值范围为200nm～1μm。
进一步地，所述缓冲层的生长温度的取值范围为530°～550°；
所述无掺杂的GaN层的生长温度的取值范围为1070°～1100°；
所述N型层的生长温度的取值范围为1070°～1100°；
所述P型层的生长温度的取值范围为940°～970°。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将外延片的多量子阱层中最靠近P型层的量子垒层设置为超晶格结构，该超晶格结构包括：多个交替生长的AlxGa1-xN子层和GaN子层，0＜x＜1，其中，AlxGa1-xN子层中Al的组分随着生长顺序递变，一方面，可以提高最靠近P型层的量子垒层的势垒，进而能有效阻碍多量子阱层中的电子溢流，增大外延片的内量子效率；另一方面，超晶格结构中Al组分随着生长顺序递变，可以缓解超晶格结构与P型层的接触面的导带底向下弯曲，使得该导带底高于电子的准费米能级，从而可以改善因电子在导带底聚集引起的电子溢流；另外由于该接触面的电荷密度降低，该接触面的极化电场强度也随之减弱，这样空穴需要克服的有效位势高度降低，P型层中的空穴注入多量子阱层中的注入效率提高，进而增大了外延片的内量子效率，也增大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一种多量子阱层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种超晶格结构示意图。
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
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，参见图1，该外延片包括：衬底10、和依次覆盖在衬底10上的缓冲层20、无掺杂的GaN层30、N型层40、多量子阱层50、以及P型层60。
参见图2，该多量子阱层50为多周期结构，每个周期结构包括：量子阱层51和覆盖在量子阱层51上的量子垒层52，最靠近P型层60的量子垒层52为超晶格结构。
参见图3，该超晶格结构包括：多个相互交替生长的AlxGa1-xN子层521和GaN子层522，0＜x＜1，AlxGa1-xN子层511中Al的组分随着生长顺序递变。
在本实施例中，衬底10可以为蓝宝石衬底，也可以是Si衬底或SiC衬底。超晶格结构可以为掺杂结构或者不掺杂结构，AlxGa1-xN子层511中Al组分随着生长顺序可以递增或者递减。
在本实施例中，生长该超晶格结构的过程中，并不限定AlxGa1-xN子层521和GaN子层522的生长顺序，即可以先生长AlxGa1-xN子层521，也可以先生长GaN子层522，图3中的超晶格结构仅为举例。
需要说明的是，现有的发光二极管中，多量子阱层中最靠近P型层的一个周期结构(即由一对量子阱层和量子垒层构成的量子阱)对电子与空穴的辐射复合的贡献最大。
在本实施例中，最靠近P型层60的量子垒层52为超晶格结构，该超晶格结构由多个相互交替生长的AlxGa1-xN子层521和GaN子层522构成，使得最靠近P型层60的量子垒层52的势垒高于现有的多量子阱层中量子垒层的势垒，进而可以有效阻碍多量子阱层50中电子的溢流。另外，最靠近P型层60的量子垒层52采用上述超晶格结构，可以更好地阻挡多量子阱层50产生的缺陷向上延伸。
而且，该超晶格结构中Al组分随着生长顺序递变，可以缓解超晶格结构与P型层的接触面的导带底向下弯曲，使得该导带底高于电子的准费米能级，进而可以改善因电子在导带底聚集引起的电子溢流。另外由于该接触面的电荷密度的降低，该接触面的极化电场强度也随之减弱，空穴需要克服的有效位势高度也随之降低，这样P型层60中的空穴能更多的注入多量子阱层50中，从而提高了空穴的注入效率。
具体地，该AlxGa1-xN子层511中Al组分随着生长顺序递增。
在本实施例中，AlxGa1-xN子层511中Al组分随着生长顺序递增，这样可以减少多量子阱层50中最靠近P型层60的一个周期结构内的应力作用。因为，在多量子阱层50中最靠近P型层60的一个周期结构中，量子阱层51为InyGa1-yN，量子垒层52为由多个相互交替生长的AlxGa1-xN子层521和GaN子层522构成的超晶格结构，由于AlxGa1-xN子层中的AlN与量子阱层51中的InN的晶格常数差别较大，减少与量子阱层51相邻近的AlxGa1-xN子层521中的Al组分，可以降低上述低量子阱层51和量子垒层52之间的应力作用，故优选AlxGa1-xN子层511中Al组分随着生长顺序递增。
具体地，该超晶格结构包括：2～20个交替生成的AlxGa1-xN子层521和GaN子层522。
具体地，该超晶格结构生长厚度的取值范围不超过100nm。
在实际应用中，该超晶格结构的生长厚度可以根据实际需求确定，优选的，超晶格结构生长厚度的取值范围为10～40nm。另外，在生长该超晶格结构时，AlxGa1-xN子层521和GaN子层522的生长厚度可以相同，也可以不相同。
具体地，该超晶格结构可以为掺杂结构。
在本实施例中，该超晶格结构可以少量掺杂的掺杂结构。
进一步地，该超晶格结构中的掺杂元素可以为硅或者锗，该超晶格结构中的电子浓度的取值范围可以为1017～1018cm-3。
在本实施例中，该超晶格结构中如果掺入适量的掺杂，则可以提高发光二极管的抗静电能力。具体地，适量掺杂的时候可以提高该超晶格结构中载流子的浓度，因此电流可以更好地通过该层，不会由于电流聚集导致热击穿，因此发光二极管的抗静电能力会提高。
需要说明的是，该超晶格结构中，如果掺杂较多，则可能会影响到多量子阱层的质量，引起发光二极管的反向工作电压的下降。故该超晶格结构的掺杂量需要根据实际情况确定。
具体地，该超晶格结构的生长温度的取值范围为880°～930°。
在本实施例中，最靠近P型层60的量子垒层52的生长温度、生长气氛与多量子阱层50中其他的量子垒层52的一样，只是在生长最靠近P型层60的量子垒层52时，通入的Mo源不同。
进一步地，多量子阱层50中的量子阱层51可以为InyGa1-yN，0＜y＜1。
在本实施例中，量子阱层51中的In含量可以根据实际需求来确定，例如制备蓝绿光发光二极管与制备红黄光发光二极管时，量子阱层51中的In含量不同。另外，量子阱层51的生长温度与In含量相关，故量子阱层51的生长温度也需要根据实际需求来确定。
在本实施例中，多量子阱层50中除了最靠近P型层60的量子垒层51外，其他的量子垒层51可以为GaN。
进一步地，缓冲层20生长厚度的取值范围可以为10nm～30nm；
无掺杂的GaN层30生长厚度的取值范围可以为1μm～3μm；
N型层40生长厚度的取值范围可以为1μm～2μm；
P型层60生长厚度的取值范围可以为200nm～1μm。
进一步地，缓冲层20的生长温度的取值范围可以为530°～550°；
无掺杂的GaN层30的生长温度的取值范围可以为1070°～1100°；
N型层40的生长温度的取值范围可以为1070°～1100°；
P型层60的生长温度的取值范围可以为940°～970°。
在本实施例中，N型层40可以为N型GaN，其包括但不限于Si掺杂，还可以采用其他掺杂，例如Ge掺杂。P型层60可以为复合结构，该复合结构包括P型AlGaN电子阻挡子层、P型GaN子层、以及P型GaN接触子层。其中，P型层60的掺杂元素包括但不限于镁。
本发明实施例通过将外延片的多量子阱层中最靠近P型层的量子垒层设置为超晶格结构，该超晶格结构包括：多个交替生长的AlxGa1-xN子层和GaN子层，0＜x＜1，其中，AlxGa1-xN子层中Al的组分随着生长顺序递变，一方面，可以提高最靠近P型层的量子垒层的势垒，进而能有效阻碍多量子阱层中的电子溢流，增大外延片的内量子效率；另一方面，超晶格结构中Al组分随着生长顺序递变，可以缓解超晶格结构与P型层的接触面的导带底向下弯曲，使得该导带底高于电子的准费米能级，从而可以改善因电子在导带底聚集引起的电子溢流；另外由于该接触面的电荷密度降低，该接触面的极化电场强度也随之减弱，这样空穴需要克服的有效位势高度降低，P型层中的空穴注入多量子阱层中的注入效率提高，进而增大了外延片的内量子效率，也增大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：衬底(10)、和依次覆盖在所述衬底(10)上的缓冲层(20)、无掺杂的GaN层(30)、N型层(40)、多量子阱层(50)、以及P型层(60)，其特征在于，所述多量子阱层(50)为多周期结构，每个所述周期结构包括：量子阱层(51)和覆盖在所述量子阱层(51)上的量子垒层(52)，最靠近所述P型层(60)的所述量子垒层(52)为超晶格结构，所述超晶格结构包括：多个交替生长的AlxGa1-xN子层(521)和GaN子层(522)，0＜x＜1，所述AlxGa1-xN子层(521)中Al的组分随着生长顺序递变。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlxGa1-xN子层(521)中Al的组分随着生长顺序递增。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述超晶格结构包括：2～20个交替生长的AlxGa1-xN子层(521)和GaN子层(522)。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述超晶格结构生长厚度的取值范围不超过100nm。
5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述超晶格结构为掺杂结构。
6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，所述超晶格结构中的掺杂元素为硅或者锗，所述超晶格结构中电子浓度的取值范围为1017～1018cm-3。
7.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述超晶格结构的生长温度的取值范围为880°～930°。
8.根据权利要求1-7任一项所述的外延片，其特征在于，所述多量子阱层(50)中的量子阱层(51)为InyGa1-yN，0＜y＜1。
9.根据权利要求1-7任一项所述的外延片，其特征在于，所述缓冲层(20)生长厚度的取值范围为10nm～30nm；
所述无掺杂的GaN层(30)生长厚度的取值范围为1μm～3μm；
所述N型层(40)生长厚度的取值范围为1μm～2μm；
所述P型层(60)生长厚度的取值范围为200nm～1μm。
10.根据权利要求1-7任一项所述的外延片，其特征在于，所述缓冲层(20)的生长温度的取值范围为530°～550°；
所述无掺杂的GaN层(30)的生长温度的取值范围为1070°～1100°；
所述N型层(40)的生长温度的取值范围为1070°～1100°；
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