CN105514233A - 高发光效率发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高发光效率发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。该高发光效率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；P型AlGaN层包括依次覆盖在多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层。不仅可以降低P型GaN载流子层中空穴翻越P型AlGaN层所需要的势能，同时还能在u型GaN子层中形成量子态，P型GaN载流子层中势能低于翻越P型AlGaN层所需要的势能的空穴，会通过量子隧穿效应隧穿到u型GaN子层中，进而传输到量子阱中，增加了注入多量子阱有源层中的空穴浓度。

Description

高发光效率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，特别涉及一种高发光效率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高发光效率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高发光效率发光二极管外延片，所述高发光效率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P型AlGaN层包括依次覆盖在所述多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层，所述u型GaN子层的厚度为所述P型AlGaN层的厚度的1/50-1/40。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述u型GaN子层的厚度为D，0.6nm≤D≤2nm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一P型AlGaN子层的厚度为d1，所述第二P型AlGaN子层的厚度为d2，d2/d1的范围为1/13-1/9。

在本发明实施例的另一种实现方式中，30nm≤d1+d2≤80nm，3nm≤d2≤6nm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述N型GaN层的厚度为1～4μm，所述P型GaN载流子层的厚度为100～500nm。

第二方面，本发明实施例还提供了一种高发光效率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；

在所述多量子阱有源层上生长P型AlGaN层，所述P型AlGaN层包括依次覆盖在所述多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层，所述u型GaN子层的厚度为所述P型AlGaN层的厚度的1/50-1/40；

在所述P型AlGaN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u型GaN子层的厚度为D，0.6nm≤D≤2nm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一P型AlGaN子层的厚度为d1，所述第二P型AlGaN子层的厚度为d2，d2/d1的范围为1/13-1/9。

在本发明实施例的另一种实现方式中，30nm≤d1+d2≤80nm，3nm≤d2≤6nm。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述N型GaN层的厚度为1～4μm，所述P型GaN载流子层的厚度为100～500nm。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明提供的外延片包括：衬底，和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层以及P型GaN载流子层，其中多量子阱有源层由InGaN阱层/GaN垒层结构构成，P型AlGaN层包括依次覆盖在多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层。在两个P型AlGaN子层中插入一个u型GaN子层，使得P型AlGaN子层的能带结构被改变，即载流子传输需要翻越的能带势垒高度会发生改变，而GaN的能带结构低于AlGaN，因此使得本实施例提供的P型AlGaN层的能带结构低于一般的P型AlGaN层，从而达到降低P型GaN载流子层中空穴翻越P型AlGaN层所需要的势能，增加翻越P型AlGaN层传输到多量子阱区的空穴浓度的效果；同时u型GaN子层的厚度为P型AlGaN层的1/50-1/40，说明u型GaN子层很薄，在u型GaN子层中会形成量子态，P型GaN载流子层中势能低于翻越P型AlGaN层所需要的势能的空穴，会通过量子隧穿效应隧穿到u型GaN子层中，进而传输到量子阱中，进一步增加了注入多量子阱有源层中的空穴浓度，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高发光效率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高发光效率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高发光效率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，该高发光效率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。

其中，P型AlGaN层104包括依次覆盖在多量子阱有源层103上的第一P型AlGaN子层114、u型GaN子层124和第二P型AlGaN子层134，其中，u型GaN子层124的厚度为P型AlGaN层104的厚度的1/50-1/40。

上述结构的P型AlGaN层104中，u型GaN子层124的作用在于：降低P型GaN载流子层中空穴翻越P型AlGaN层所需要的势能，增加翻越P型AlGaN层传输到多量子阱区的空穴浓度，同时形成量子态，使P型GaN载流子层中势能低于翻越P型AlGaN层所需要的势能的空穴，通过量子隧穿效应隧穿到u型GaN子层中，进而传输到量子阱中，以增加注入多量子阱有源层中的空穴浓度，提高了电子和空穴在多量子阱有源层中的复合效率。因此，如果u型GaN子层124的厚度过小，则无法有效降低空穴翻越P型AlGaN层所需要的势能，如果u型GaN子层124的厚度过大，则会导致P型AlGaN层吸光，同时无法形成量子态，影响发光效率。

其中，u型GaN子层124的厚度为D，0.6nm≤D≤2nm。

优选地，D＝1nm。

其中，第一P型AlGaN子层114的厚度为d1，第二P型AlGaN子层134的厚度134为d2，d2/d1的范围为1/13-1/9。由上述厚度限定可知，在本发明实施例中，d1＞d2，这样设计的原因是：第一P型AlGaN子层114主要起到阻挡电子的作用，如果厚度太薄，容易发生电子溢漏；第二P型AlGaN子层134主要是释放空穴，增加空穴传输到量子阱中的概率，所以厚度相对较薄，利于空穴传输。

具体地，30nm≤d1+d2≤80nm，3nm≤d2≤6nm。

优选地，d1＝45nm，d2＝5nm。

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1～4μm(优选2μm)，N型GaN层102的厚度为1～4μm(优选2μm)，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。

本发明提供的外延片包括：衬底，和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层以及P型GaN载流子层，其中多量子阱有源层由InGaN阱层/GaN垒层结构构成，P型AlGaN层包括依次覆盖在多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层。在两个P型AlGaN子层中插入一个u型GaN子层，使得P型AlGaN子层的能带结构被改变，即载流子传输需要翻越的能带势垒高度会发生改变，而GaN的能带结构低于AlGaN，因此使得本实施例提供的P型AlGaN层的能带结构低于一般的P型AlGaN层，从而达到降低P型GaN载流子层中空穴翻越P型AlGaN层所需要的势能，增加翻越P型AlGaN层传输到多量子阱区的空穴浓度的效果；同时u型GaN子层的厚度为P型AlGaN层的1/50-1/40，说明u型GaN子层很薄，在u型GaN子层中会形成量子态，P型GaN载流子层中势能低于翻越P型AlGaN层所需要的势能的空穴，会通过量子隧穿效应隧穿到u型GaN子层中，进而传输到量子阱中，进一步增加了注入多量子阱有源层中的空穴浓度，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高发光效率发光二极管外延片制备方法的流程图，该方法用于制备图1所示的发光二极管外延片，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1～4μm(优选2μm)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1～4μm(优选2μm)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。

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℃。

步骤203，在多量子阱有源层上生长P型AlGaN层，P型AlGaN层包括依次覆盖在多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层。其中，u型GaN子层的厚度为P型AlGaN层的厚度的1/50-1/40。

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第一P型AlGaN子层；在第一P型AlGaN子层上生长一层u型GaN子层；在u型GaN子层上生长一层第二P型AlGaN子层。

其中，u型GaN子层的厚度为D，0.6nm≤D≤2nm。

优选地，D＝1nm。

其中，第一P型AlGaN子层的厚度为d1，第二P型AlGaN子层的厚度为d2，d2/d1的范围为1/13-1/9。

具体地，30nm≤d1+d2≤80nm，3nm≤d2≤6nm。

优选地，d1＝45nm，d2＝5nm。

步骤204，在P型AlGaN层上生长P型GaN载流子层。

具体地，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。

本发明提供的外延片制备方法包括：提供一衬底，然后在衬底上依次生长u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、P型AlGaN层以及P型GaN载流子层，其中多量子阱有源层由InGaN阱层/GaN垒层结构构成，P型AlGaN层包括依次覆盖在多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层。在两个P型AlGaN子层中插入一个u型GaN子层，使得P型AlGaN子层的能带结构被改变，即载流子传输需要翻越的能带势垒高度会发生改变，而GaN的能带结构低于AlGaN，因此使得本实施例提供的P型AlGaN层的能带结构低于一般的P型AlGaN层，从而达到降低P型GaN载流子层中空穴翻越P型AlGaN层所需要的势能，增加翻越P型AlGaN层传输到多量子阱区的空穴浓度的效果；同时u型GaN子层的厚度为P型AlGaN层的1/50-1/40，说明u型GaN子层很薄，在u型GaN子层中会形成量子态，P型GaN载流子层中势能低于翻越P型AlGaN层所需要的势能的空穴，会通过量子隧穿效应隧穿到u型GaN子层中，进而传输到量子阱中，进一步增加了注入多量子阱有源层中的空穴浓度，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)

1.一种高发光效率发光二极管外延片，所述高发光效率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P型AlGaN层包括依次覆盖在所述多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层，所述u型GaN子层的厚度为所述P型AlGaN层的厚度的1/50-1/40。

2.根据权利要求1所述的高发光效率发光二极管外延片，其特征在于，所述u型GaN子层的厚度为D，0.6nm≤D≤2nm。

3.根据权利要求1所述的高发光效率发光二极管外延片，其特征在于，所述第一P型AlGaN子层的厚度为d1，所述第二P型AlGaN子层的厚度为d2，d2/d1的范围为1/13-1/9。

4.根据权利要求3所述的高发光效率发光二极管外延片，其特征在于，30nm≤d1+d2≤80nm，3nm≤d2≤6nm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的高发光效率发光二极管外延片，其特征在于，所述N型GaN层的厚度为1～4μm，所述P型GaN载流子层的厚度为100～500nm。

6.一种高发光效率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；

在所述多量子阱有源层上生长P型AlGaN层，所述P型AlGaN层包括依次覆盖在所述多量子阱有源层上的第一P型AlGaN子层、u型GaN子层和第二P型AlGaN子层，所述u型GaN子层的厚度为所述P型AlGaN层的厚度的1/50-1/40；

在所述P型AlGaN层上生长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u型GaN子层的厚度为D，0.6nm≤D≤2nm。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一P型AlGaN子层的厚度为d1，所述第二P型AlGaN子层的厚度为d2，d2/d1的范围为1/13-1/9。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，30nm≤d1+d2≤80nm，3nm≤d2≤6nm。

10.根据权利要求6-9任一项所述的方法，其特征在于，所述N型GaN层的厚度为1～4μm，所述P型GaN载流子层的厚度为100～500nm。