CN105405942B - Si衬底LED外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Si衬底LED外延片及其制备方法，涉及具有特殊晶体结构的器件及其制备方法技术领域。所述外延片包括Si衬底和位于Si衬底上表面的外延层，所述外延层从下到上依次为AlN/AlGaN缓冲层、非故意掺杂U型GaN层、Si掺杂N型GaN层、InGaN/GaN多重量子阱发光层、电子阻挡层和Mg掺杂P型GaN层。所述外延片提高了内量子效率；同时减少压电极化电场，增加电子和空穴的波函数交叠，使得辐射复合概率增加，进一步提高了内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及具有特殊晶体结构的器件及其制备方法技术领域，尤其涉及一种Si衬底LED外延片及其制备方法。
背景技术
LED是一种将电能直接转化为光能的固态半导体器件，相对于传统光源，LED具有体积小、使用寿命长、响应速度快、发光效率高的特点，因此LED成为一种备受瞩目的新型绿色光源进入照明领域。其中Si衬底上LED由于成本较低尤其受到人们的广泛关注。但是Si衬底与GaN晶格失配和热失配较大，导致InGaN/GaN多重量子阱区域阱垒之间的应力较大，压电极化效应增加，导致内量子效率较低，制约了Si衬底上LED在通用照明领域的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种Si衬底LED外延片及其制备方法，所述外延片提高了内量子效率；同时减少压电极化电场，增加电子和空穴的波函数交叠，使得辐射复合概率增加，进一步提高了内量子效率。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种Si衬底LED外延片，其特征在于：包括Si衬底和位于Si衬底上表面的外延层，所述外延层从下到上依次为AlN/AlGaN缓冲层、非故意掺杂U型GaN层、Si掺杂N型GaN层、InGaN/GaN多重量子阱发光层、电子阻挡层和Mg掺杂P型GaN层；
所述InGaN/GaN多重量子阱发光层包括9～15对InGaN阱层和GaN垒层结构；每层InGaN阱层的上下两侧分别紧邻设有3埃～5埃的InN层。
进一步的技术方案在于：所述InGaN阱层的厚度为2纳米-4纳米；GaN垒层的厚度为9～12纳米。
本发明还公开了一种Si衬底LED外延片的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
在Si衬底的上表面从下到上依次生长AlN/AlGaN缓冲层、非故意掺杂U型GaN层、Si掺杂N型GaN层、InGaN/GaN多重量子阱发光层、电子阻挡层和Mg掺杂P型GaN层；
所述InGaN/GaN多重量子阱发光层包括9～15对InGaN阱层和GaN垒层结构，其中，在InGaN阱层生长时采用温度渐变的生长方法，量子阱生长温度变化范围为20℃，即在生长InGaN阱层时，温度从T1逐步变化到T2，T1＝量子阱的标准生长温度-10℃，T2＝量子阱的标准生长温度+10℃；在每层的InGaN阱层的上下两侧分别紧邻生长3埃～5埃的InN层。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述外延片在生长InGaN量子阱前后分别生长InN层，通过释放阱垒之间的应力，增加载流子局域化来提高内量子效率；同时在生长InGaN/GaN多重量子阱时采用渐变温度的方法改变In在量子阱中的组分，减少压电极化电场，增加电子和空穴的波函数交叠，使得辐射复合概率增加，从而提高内量子效率。通过验证，所述外延片比传统的InGaN/GaN量子阱结构的外延片光输出功率提高了近5％～10％。
附图说明
图1是本发明所述外延片的结构示意图；
其中：1、Si衬底2、AlN/AlGaN缓冲层3、U型GaN层4、Si掺杂N型GaN层5、InGaN/GaN多重量子阱发光层5-1、InN层5-2、GaN垒层5-3、InGaN阱层6、电子阻挡层7、Mg掺杂P型GaN层。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明公开了一种Si衬底LED外延片，包括Si衬底1和位于Si衬底1上表面的外延层。所述外延层从下到上依次为AlN/AlGaN缓冲层2、非故意掺杂U型GaN层3、Si掺杂N型GaN层4、InGaN/GaN多重量子阱发光层5、电子阻挡层6和Mg掺杂P型GaN层7。所述InGaN/GaN多重量子阱发光层5包括9～15对InGaN阱层5-3和GaN垒层5-2结构。所述InGaN阱层5-3的厚度为2纳米-4纳米；每层InGaN阱层5-3的上下两侧分别紧邻设有3埃～5埃的InN层5-1，GaN垒层的厚度为9～12纳米。
本发明还公开了一种Si衬底LED外延片的制备方法，所述方法包括如下步骤：
在Si衬底1的上表面生长外延层，外延层生长过程如下：Si衬底1预烘烤，然后在Si衬底1的上表面从上到下依次生长AlN/AlGaN缓冲层2、非故意掺杂U型GaN层3、Si掺杂N型GaN层4、InGaN/GaN多重量子阱发光层5、电子阻挡层6和Mg掺杂P型GaN层7。
在生长InGaN/GaN多重量子阱发光层5(MQW)时，先生长3埃～5埃的InN层5-1，然后以温度渐变的方法紧邻生长InGaN量子阱，温度变化范围为20℃，即在生长InGaN阱层5-3时，温度从T1(T1＝量子阱的标准生长温度-10℃)逐步变化到T2(T2＝量子阱的标准生长温度+10℃)。在InGaN阱层5-3生长结束后，再紧邻生长3～5埃的InN层5-1，然后再生长GaN垒层5-2，以此为一个周期，生长9-15个周期数的InGaN阱层5-3和GaN垒层5-2结构。
InGaN/GaN多重量子阱发光层5(MQW)是本外延片的核心。生长量子阱InGaN材料和生长GaN垒之间存在晶格失配，量子阱垒之间存在着压应力，应力的大小和阱垒层厚度密切相关，应力的方向由阱指向垒，也就是指向GaN材料的表面方向；GaN材料Ga原子和N原子电荷中心不重合，导致GaN材料存在极化效应，阱垒层都存在极化应力；压应力和极化应力的不平衡会导致InGaN和GaN材料能带发生弯曲和倾斜，减少了电子和空穴的波函数交叠，使得辐射复合概率降低，从而降低了内量子效率(IQE)。
通过在InGaN阱层前后生长InN，可以有效的减少量子阱InGaN材料和GaN垒之间的晶格失配，释放阱垒之间的应力，提高内量子效率。同时在InGaN层生长时采用渐变温度的方法来调制In组分，以此抵消部分极化电场的影响，从而提高电子和空穴复合概率，提高发光效率。通过验证，所述外延片比传统的InGaN/GaN量子阱结构的外延片光输出功率提高了近5％～10％。
Claims (3)
1.一种Si衬底LED外延片，其特征在于：包括Si衬底(1)和位于Si衬底(1)上表面的外延层，所述外延层从下到上依次为AlN/AlGaN缓冲层(2)、非故意掺杂U型GaN层(3)、Si掺杂N型GaN层(4)、InGaN/GaN多重量子阱发光层(5)、电子阻挡层(6)和Mg掺杂P型GaN层(7)；所述InGaN/GaN多重量子阱发光层(5)包括9～15对InGaN阱层(5-3)和GaN垒层(5-2)结构；每层InGaN阱层(5-3)的上下两侧分别紧邻设有3埃～5埃的InN层(5-1)。
2.如权利要求1所述的Si衬底LED外延片，其特征在于：所述InGaN阱层(5-3)的厚度为2纳米-4纳米；GaN垒层(5-2)的厚度为9～12纳米。
3.一种Si衬底LED外延片的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
在Si衬底(1)的上表面从下到上依次生长AlN/AlGaN缓冲层(2)、非故意掺杂U型GaN层(3)、Si掺杂N型GaN层(4)、InGaN/GaN多重量子阱发光层(5)、电子阻挡层(6)和Mg掺杂P型GaN层(7)；
所述InGaN/GaN多重量子阱发光层(5)包括9～15对InGaN阱层和GaN垒层结构，其中，在InGaN阱层(5-3)生长时采用温度渐变的生长方法，量子阱生长温度变化范围为20℃，即在生长InGaN阱层时，温度从T1逐步变化到T2，T1＝量子阱的标准生长温度-10℃，T2＝量子阱的标准生长温度+10℃；在每层的InGaN阱层(5-3)的上下两侧分别紧邻生长3埃～5埃的InN层(5-1)。
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