CN105405947A - 新型发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。该新型发光二极管外延片包括：衬底，以及依次覆盖在衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、P型AlGaN层和P型GaN载流子层，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，所述GaN垒层包括依次覆盖在所述InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，所述第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层。采用铟源处理生长的GaN相比于普通的GaN的晶格失配减小，同时垒结构的能带高度降低，使得注入多量子阱有源层中的空穴浓度明显增加，所以大大提高了电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率。

Description

新型发光二极管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，特别涉及一种新型发光二极管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AlGaN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新型发光二极管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新型发光二极管外延片，所述新型发光二极管外延片包括：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、P型AlGaN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GaN垒层包括依次覆盖在所述InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，所述第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述第一GaN子层的厚度为d1，所述第二GaN子层的厚度为d2，所述第三GaN子层的厚度为d3，1nm≤d1≤2nm，4nm≤d2≤16nm，1nm≤d3≤2nm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二GaN子层为生长过程中采用流量为F的铟源进行表面处理的GaN子层，10sccm≤F≤500sccm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二GaN子层为在生长温度T下采用铟源进行表面处理的GaN子层，900℃≤T≤1000℃。

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。

第二方面，本发明实施例还提供了一种新型发光二极管外延片制备方法，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GaN垒层包括依次覆盖在所述InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，在所述第二GaN子层的生长过程中，采用铟源对所述第二GaN子层进行表面处理；

在所述P型GaN垒上依次生长P型AlGaN层和P型GaN载流子层。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述第一GaN子层的厚度为d1，所述第二GaN子层的厚度为d2，所述第三GaN子层的厚度为d3，1nm≤d1≤2nm，4nm≤d2≤16nm，1nm≤d3≤2nm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，在所述第二GaN子层生长过程中，采用流量为F的铟源进行表面处理，10sccm≤F≤500sccm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二GaN子层的生长温度为T，900℃≤T≤1000℃。

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。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例中，GaN垒层包括依次覆盖在InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，其中，第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层，由于铟源在高温下不稳定很容易挥发，但铟源本身又参与了GaN的结构生长，所以称之为采用铟源进行表面处理。在高温下生长的GaN对易挥发的铟源具有记忆效应，这种记忆效应下的结构可能是InGaN结构，也可能是InGaN结构中的In位置被缺陷取代，也有可能In的位置成了空位，上述三种结构相比于普通的GaN而言，更接近与GaN垒层相邻的InGaN阱的结构，因而减小了GaN垒层和InGaN阱层间晶格失配(即采用铟源处理生长的GaN相比于普通的GaN的晶格失配减小)，同时垒结构的能带高度降低，使得注入多量子阱有源层中的空穴浓度明显增加，所以大大提高了电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，同时由于进入到量子阱中空穴数量的增加，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，进一步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新型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新型发光二极管外延片制备方法的流程图。

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。

图1是本发明实施例提供的一种新型发光二极管外延片的结构示意图，适用于蓝绿光波的GaN基LED，参见图1，该新型发光二极管外延片包括：衬底100，以及依次覆盖在衬底100上的u型GaN层101、N型GaN层102、多量子阱有源层103、P型AlGaN层104、以及P型GaN载流子层105，该多量子阱有源层103包括：交替生长的多个InGaN阱层113和多个GaN垒层123。

具体地，GaN垒层123包括依次覆盖在InGaN阱层113上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层(图未示出)。表面处理是指在大于900度的高温下，生长GaN时通入铟源。由于铟在高温下难以进入晶体内部，最终大部分都挥发掉，但由于在生长的过程中通入过铟源，晶体的微观结构会发生细微的改变，从而产生记忆效应。

其中，第一GaN子层的厚度为d1，第二GaN子层的厚度为d2，第三GaN子层的厚度为d3，1nm≤d1≤2nm，4nm≤d2≤16nm，1nm≤d3≤2nm。在本实施例中，将采用铟源进行表面处理的第二GaN子层的厚度设计成高于其他两个子层的形式，从而充分利用铟源表面处理所带来的减小晶格失配效果。

在本发明实施例，也可以对其他两个子层进行铟源表面处理，但考虑到铟源的挥发性可能会对阱和垒的界面造成影响，使得阱和垒的界面出现不清晰的问题，因此在本发明实施例中优选对第二GaN子层进行铟源表面处理。

其中，第二GaN子层为生长过程中采用流量为F的铟源进行表面处理的GaN子层，10sccm≤F≤500sccm。铟源的流量F是指制备第二GaN子层时，通入铟源的流量，在通入铟源时，由于铟源只具有表面处理的功能，因此不宜采用500sccm以上的流量，避免造成铟源浪费。

其中，第二GaN子层为在生长温度T下采用铟源进行表面处理的GaN子层，900℃≤T≤1000℃，保证不会因为生长温度太低导致量子垒自身的晶体质量受影响，同时保证不会因为生长温度太高影响到低温生长的量子阱的晶体质量。

其中，InGaN阱层113和GaN垒层123的层数均为6。

进一步地，u型GaN层101的厚度为1～4um(优选2um)，N型GaN层102的厚度为1～4um(优选2um)，InGaN阱层113的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，GaN垒层123的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，P型AlGaN层104的厚度为20～80nm(优选50nm)，P型GaN载流子层105的厚度为100～500nm(优选200nm)。

在本实施例中，衬底100包括但不限于蓝宝石衬底。

本发明实施例中，GaN垒层包括依次覆盖在InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，其中，第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层，由于铟源在高温下不稳定很容易挥发，但铟源本身又参与了GaN的结构生长，所以称之为采用铟源进行表面处理。在高温下生长的GaN对易挥发的铟源具有记忆效应，这种记忆效应下的结构可能是InGaN结构，也可能是InGaN结构中的In位置被缺陷取代，也有可能In的位置成了空位，上述三种结构相比于普通的GaN而言，更接近与GaN垒层相邻的InGaN阱的结构，因而减小了GaN垒层和InGaN阱层间晶格失配，同时垒结构的能带高度降低，使得注入多量子阱有源层中的空穴浓度明显增加，所以大大提高了电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，同时由于进入到量子阱中空穴数量的增加，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，进一步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新型发光二极管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2，该方法包括：

步骤200：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200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201，在衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层。

具体地，步骤201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202，在N型GaN层上生长多量子阱有源层，该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P型AlGaN层的GaN垒层包括u型GaN垒和P型GaN垒，GaN垒层包括依次覆盖在InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层。

具体地，步骤202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900～1000℃；其中，每个GaN垒层包括依次在InGaN阱层上生长第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，在第二GaN子层的生长过程中，采用铟源对第二GaN子层进行表面处理。

其中，第一GaN子层的厚度为d1，第二GaN子层的厚度为d2，第三GaN子层的厚度为d3，1nm≤d1≤2nm，4nm≤d2≤16nm，1nm≤d3≤2nm。

其中，在第二GaN子层的生长过程中，采用流量为F的铟源进行表面处理，10sccm≤F≤500sccm。

其中，第二GaN子层的生长温度为T，900℃≤T≤1000℃。

步骤203，在P型GaN垒上依次生长P型AlGaN层和P型GaN载流子层。

具体地，步骤203可以包括：加热反应腔至940～970℃，反应腔压强降低为100torr，在多量子阱有源层上生长一层20～80nm(优选50nm)厚的P型AlGaN层；升高反应腔内压强至200torr，在P型AlGaN层上生长一层100～500nm(优选200nm)厚的P型GaN载流子层。

本发明实施例中，GaN垒层包括依次覆盖在InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，其中，第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层，由于铟源在高温下不稳定很容易挥发，但铟源本身又参与了GaN的结构生长，所以称之为采用铟源进行表面处理。在高温下生长的GaN对易挥发的铟源具有记忆效应，这种记忆效应下的结构可能是InGaN结构，也可能是InGaN结构中的In位置被缺陷取代，也有可能In的位置成了空位，上述三种结构相比于普通的GaN而言，更接近与GaN垒层相邻的InGaN阱的结构，因而减小了GaN垒层和InGaN阱层间晶格失配，同时垒结构的能带高度降低，使得注入多量子阱有源层中的空穴浓度明显增加，所以大大提高了电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率，同时由于进入到量子阱中空穴数量的增加，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，进一步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 (10)

1.一种新型发光二极管外延片，所述新型发光二极管外延片包括：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、P型AlGaN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GaN垒层包括依次覆盖在所述InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，所述第二GaN子层为生长过程中采用铟源进行表面处理的GaN子层。

2.根据权利要求1所述的新型发光二极管外延片，其特征在于，所述第一GaN子层的厚度为d1，所述第二GaN子层的厚度为d2，所述第三GaN子层的厚度为d3，1nm≤d1≤2nm，4nm≤d2≤16nm，1nm≤d3≤2nm。

3.根据权利要求1或2所述的新型发光二极管外延片，其特征在于，所述第二GaN子层为生长过程中采用流量为F的铟源进行表面处理的GaN子层，10sccm≤F≤500sccm。

4.根据权利要求1或2所述的新型发光二极管外延片，其特征在于，所述第二GaN子层为在生长温度T下采用铟源进行表面处理的GaN子层，900℃≤T≤1000℃。

5.根据权利要求1或2所述的新型发光二极管外延片，其特征在于，所述InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6。

6.一种新型发光二极管外延片制备方法，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GaN垒层包括依次覆盖在所述InGaN阱层上的第一GaN子层、第二GaN子层和第三GaN子层，在所述第二GaN子层的生长过程中，采用铟源对所述第二GaN子层进行表面处理；

在所述P型GaN垒上依次生长P型AlGaN层和P型GaN载流子层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一GaN子层的厚度为d1，所述第二GaN子层的厚度为d2，所述第三GaN子层的厚度为d3，1nm≤d1≤2nm，4nm≤d2≤16nm，1nm≤d3≤2nm。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在所述第二GaN子层生长过程中，采用流量为F的铟源进行表面处理，10sccm≤F≤500sccm。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述第二GaN子层的生长温度为T，900℃≤T≤1000℃。

10.根据权利要求6或7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。