CN105140357A - 具有高发光效率量子垒的外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高发光效率量子垒的外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。该方法包括：提供一衬底；在所述衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层；在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述多个GaN垒层中的最靠近所述N型GaN层的至少一个所述GaN垒层为P型GaN垒；在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层。本发明中，最靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中空穴浓度大幅增加，而在大电流密度下，注入多量子阱有源层中的电子是随之增多的，所以可以大大提高电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，使得电子溢漏的程度减小，提高了大电流密度下GaN基LED的发光效率。

Description

具有高发光效率量子垒的外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及发光二极管(英文LightEmittingDiode，简称LED)领域，特别涉及一种具有高发光效率量子垒的外延片及其制备方法。
背景技术
LED因高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。GaN基LED作为LED中最重要的一类，在众多领域都有着广泛的应用。现有的GaN基LED的外延片主要包括衬底、缓冲层、N型GaN层、多量子阱有源层、P型GaN载流子层等。
GaN基LED在工作过程中，N型GaN层中产生的电子和P型GaN载流子层中产生的空穴，在电场的作用下向多量子阱有源层迁移，并在多量子阱有源层中发生辐射复合，进而发光。
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：
随着GaN基LED工作电流的增加，电流密度随之增大，在这种大电流密度场景下，注入多量子阱有源层中的电子也随之增多，导致部分电子未能与空穴在多量子阱有源层中复合而迁移至P型GaN载流子层中，致使电子溢漏的程度增加，使得大电流密度情况下LED芯片的发光效率下降。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种具有高发光效率量子垒的外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种具有高发光效率量子垒的外延片制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述多个GaN垒层中的最靠近所述N型GaN层的至少一个所述GaN垒层为P型GaN垒；
在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，包括：
采用下述方式分别生长每个P型GaN垒：
当所述P型GaN垒生长一半厚度时，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长另一半厚度的所述P型GaN垒。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，包括：
采用下述方式分别生长每个P型GaN垒：
当所述P型GaN垒生长三分之一厚度时，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长三分之一厚度的所述P型GaN垒，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长三分之一厚度的所述P型GaN垒。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6，所述P型GaN垒的数量为1-3。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm，所述GaN垒层的厚度为6～20nm。
第二方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管外延片，所述外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
所述多个GaN垒层中的最靠近所述N型GaN层的至少一个所述GaN垒层为P型GaN垒。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6，所述P型GaN垒的数量为1-3。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述P型GaN垒为间歇式Mg掺杂的GaN垒。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm，所述GaN垒层的厚度为6～20nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明提供的方法制得的多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，多个GaN垒层中的最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒；最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒(可以提供空穴)，使得最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层相应地InGaN阱层中的空穴浓度大幅增加；同时，最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层相对于P型GaN载流子层的相对价带势垒高度差变小，有利于P型GaN载流子层中空穴传输到靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中，进一步增加了这些阱中空穴的浓度；由于，最靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中空穴浓度大幅增加，而在大电流密度下，注入多量子阱有源层中的电子是随之增多的，所以可以大大提高电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，由于复合效率的提高，使得越过多量子阱有源层逃逸到P型GaN载流子层的电子数量明显减少，电子溢漏的程度减小，提高了大电流密度下GaN基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是本发明实施例提供的具有高发光效率量子垒的外延片制备方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的具有高发光效率量子垒的外延片的结构示意图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种具有高发光效率量子垒的外延片制备方法的流程图，适用于蓝绿光波的GaN基LED，参见图1，该方法包括：
步骤100：提供一衬底。
在本实施例中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底。
具体地，步骤100可以包括：将放置在石墨盘中蓝宝石衬底送入反应腔中，并加热反应腔至1000～1100℃，增大反应腔内压强至500torr，对蓝宝石衬底进行5min的预处理。
步骤101，在衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层。
具体地，步骤101可以包括：加热反应腔至1100～1200℃，降低反应腔内压强至200torr，在蓝宝石衬底上生长一层1～4um(优选2um)厚的u型GaN层；
保持反应腔内温度为1100～1200℃，保持反应腔内压强为200torr，在u型GaN层上生长一层1～4um(优选2um)厚掺Si的N型GaN层。
步骤102，在N型GaN层上生长多量子阱有源层，多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，多个GaN垒层中的最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒。
具体地，步骤102可以包括：保持反应腔内压强为200torr，同时降低反应腔内温度，在N型GaN层上生长一层多量子阱有源层，该多量子阱有源层可以包括6个InGaN阱层、和6个与InGaN阱层交替生长的GaN垒层，其中，InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，生长温度为750～780℃；GaN垒层的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，生长温度为900℃。P型GaN垒的数量可以为1-3，这里选择1-3个GaN垒进行P型掺杂，即保证了多量子阱有源层中空穴浓度的增加；同时，不会导致对低温生长的GaN垒进行掺杂而使晶体质量变差，影响发光效率。
在本发明的一种实现方式中，采用下述方式分别生长每个P型GaN垒：
当所述P型GaN垒生长一半厚度时，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长另一半厚度的所述P型GaN垒。
在本发明的另一种实现方式中，采用下述方式分别生长每个P型GaN垒：
当所述P型GaN垒生长三分之一厚度时，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长三分之一厚度的所述P型GaN垒，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长三分之一厚度的所述P型GaN垒。
采用上述两种方式进行P型掺杂可以提高p型掺杂效率。
步骤103，在多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层。
具体地，步骤103可以包括：加热反应腔至940～970℃，保持反应腔内压强为200torr，在多量子阱有源层上生长一层100～500nm(优选200nm)厚的P型GaN载流子层。
本发明提供的方法制得的多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，多个GaN垒层中的最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒；最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒，使得最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层相应地InGaN阱层中的空穴浓度大幅增加；同时，最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层相对于P型GaN载流子层的相对价带势垒高度差变小，有利于P型GaN载流子层中空穴传输到靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中，进一步增加了这些阱中空穴的浓度；由于，最靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中空穴浓度大幅增加，而在大电流密度下，注入多量子阱有源层中的电子是随之增多的，所以可以大大提高电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，由于复合效率的提高，使得越过多量子阱有源层逃逸到P型GaN载流子层的电子数量明显减少，电子溢漏的程度减小，提高了大电流密度下GaN基LED的发光效率。
图2是本发明实施例提供的一种具有高发光效率量子垒的外延片的结构示意图，该外延片采用图1所示的方法流程制成，参见图2，该外延片包括：衬底200，以及依次覆盖在衬底200上的u型GaN层201、N型GaN层202、多量子阱有源层203、以及P型GaN载流子层204，该多量子阱有源层203包括：交替生长的多个InGaN阱层213和多个GaN垒层223。
具体地，多个GaN垒层223中的最靠近N型GaN层202的至少一个GaN垒层223为P型GaN垒。
其中，InGaN阱层213和GaN垒层223的层数均可以为6，P型GaN垒的数量可以为1-3。
其中，P型GaN垒为间歇式Mg掺杂的GaN垒，具体掺杂方式和过程可以参见图1提供的外延片制备方法。
进一步地，u型GaN层201的厚度为1～4um(优选2um)，N型GaN层202的厚度为1～4um(优选2um)，InGaN阱层213的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，GaN垒层223的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，P型GaN载流子层204的厚度为100～500nm(优选200nm)。
在本实施例中，衬底200包括但不限于蓝宝石衬底。
本发明提供的外延片中，多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，多个GaN垒层中的最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒；最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层为P型GaN垒，使得最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层相应地InGaN阱层中的空穴浓度大幅增加；同时，最靠近N型GaN层的至少一个GaN垒层相对于P型GaN载流子层的相对价带势垒高度差变小，有利于P型GaN载流子层中空穴传输到靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中，进一步增加了这些阱中空穴的浓度；由于，最靠近N型GaN层的至少一个InGaN阱层中空穴浓度大幅增加，而在大电流密度下，注入多量子阱有源层中的电子是随之增多的，所以可以大大提高电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，由于复合效率的提高，使得越过多量子阱有源层逃逸到P型GaN载流子层的电子数量明显减少，电子溢漏的程度减小，提高了大电流密度下GaN基LED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 (9)

1.一种具有高发光效率量子垒的外延片制备方法，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u型GaN层和N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述多个GaN垒层中的最靠近所述N型GaN层的至少一个所述GaN垒层为P型GaN垒；
在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，包括：
采用下述方式分别生长每个P型GaN垒：
当所述P型GaN垒生长一半厚度时，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长另一半厚度的所述P型GaN垒。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，包括：
采用下述方式分别生长每个P型GaN垒：
当所述P型GaN垒生长三分之一厚度时，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长三分之一厚度的所述P型GaN垒，停止通入TEGa源，同时通入流量为10-200sccm的CP2Mg源5sec-2min；停止通入CP2Mg源，开始通入TEGa源，生长三分之一厚度的所述P型GaN垒。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6，所述P型GaN垒的数量为1-3。
5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm，所述GaN垒层的厚度为6～20nm。
6.一种具有高发光效率量子垒的外延片，所述外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
其特征在于，所述多个GaN垒层中的最靠近所述N型GaN层的至少一个所述GaN垒层为P型GaN垒。
7.根据权利要求6所述的外延片，其特征在于，所述InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6，所述P型GaN垒的数量为1-3。
8.根据权利要求6或7所述的外延片，其特征在于，所述P型GaN垒为间歇式Mg掺杂的GaN垒。
9.根据权利要求6或7所述的外延片，其特征在于，所述InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm，所述GaN垒层的厚度为6～20nm。
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