CN105609601B - 具有新型量子阱的发光二极管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新型量子阱的发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。所述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、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，多量子阱有源层包括交替生长的M+N个量子阱层和M+N个量子垒层，量子阱层为InGaN阱层，量子垒层为GaN垒层；M+N个量子阱层中靠近N型GaN层的M个量子阱层的厚度逐渐变化，且在M+N个量子阱层中靠近N型GaN层的M个量子阱层中，靠近N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，M+N个量子阱层中靠近P型GaN载流子层的N个量子阱层的厚度均小于M个量子阱层的厚度，M和N均为大于1的正整数，且M与N的差值为0。

Description

具有新型量子阱的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Light Emitting Diode，简称LED)领域，特别涉及一种具有新型量子阱的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、多量子阱有源层和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新型量子阱的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具有新型量子阱的发光二极管外延片，所述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、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的M+N个量子阱层和M+N个量子垒层，所述量子阱层为InGaN阱层，所述量子垒层为GaN垒层；
所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层的厚度逐渐变化，且在所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层中，靠近所述N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近所述P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，所述M+N个量子阱层中靠近所述P型GaN载流子层的N个所述量子阱层的厚度均小于所述M个所述量子阱层的厚度，M和N均为大于1的正整数，且M与N的差值为0。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述N个所述量子阱层的厚度相等。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述N个所述量子阱层的厚度均为D，2.5nm≤D≤3.4nm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述M+N为6。
在本发明实施例的另一种实现方式中，靠近所述N型GaN层的3个所述量子阱层的厚度分别为d1、d2和d3，4.5nm≤d1≤6nm，4nm≤d2≤4.4nm，3.5nm≤d3≤4nm。
第二方面，本发明实施例还提供了一种具有新型量子阱的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，在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层；
所述多量子阱有源层包括交替生长的M+N个量子阱层和M+N个量子垒层，所述量子阱层为InGaN阱层，所述量子垒层为GaN垒层，所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层的厚度逐渐变化，且在所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层中，靠近所述N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近所述P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，所述M+N个量子阱层中靠近所述P型GaN载流子层的N个所述量子阱层的厚度均小于所述M个所述量子阱层的厚度，M和N均为大于1的正整数，且M与N的差值为0。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述N个所述量子阱层的厚度相等。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述N个所述量子阱层的厚度均为D，2.5nm≤D≤3.4nm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述M+N为6。
在本发明实施例的另一种实现方式中，靠近所述N型GaN层的3个所述量子阱层的厚度分别为d1、d2和d3，4.5nm≤d1≤6nm，4nm≤d2≤4.4nm，3.5nm≤d3≤4nm。
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、多量子阱有源层以及P型GaN载流子层，其中多量子阱有源层由M+N个量子阱层和M+N个量子垒层构成，M+N个量子阱层中靠近N型GaN层的M个量子阱层的厚度逐渐变化，且靠近N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，M+N个量子阱层中靠近P型GaN载流子层的N个量子阱层的厚度均小于M个量子阱层的厚度。即在多量子阱有源层中，量子阱层的厚度，在靠近N型GaN层的一半量子阱层中逐渐变薄，然后另一半靠近P型GaN载流子层的量子阱层厚度比靠近N型GaN层的一半量子阱层的厚度薄；由于量子阱层的能带结构中的基态能量分布跟量子阱的宽度有关，上述结构优化生长的外延片由于量子阱厚度的不同所受量子束缚斯塔克效应的影响程度不同，导致量子阱层的能带结构中的基态能量分布发生明显的变化，即靠近N型GaN层的量子阱层厚所受量子束缚斯塔克效应的影响较大，基态能量较低，而靠近P型GaN载流子层的量子阱层要薄些，受量子束缚斯塔克效应的影响较小，基态能量较大；量子阱中的这种基态分布特点使得在外加电流的作用下，电子的传输效率降低，降低电子的传输效率能给空穴更多的机会传输更远的距离，使得空穴的传输效率增加，既抑制了电子的溢漏同时增加空穴的传输距离，改善了电子和空穴的分布，大大提高了多量子阱有源层中空穴和电子分布的对称度，大大提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，进而提高了LED芯片的发光效率，尤其是大电流密度下LED芯片的发光效率。
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新型量子阱的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具有新型量子阱的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具有新型量子阱的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，该具有新型量子阱的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以及P型GaN载流子层104，该多量子阱有源层103包括：交替生长的M+N个量子阱层113和M+N个量子垒层123。
具体地，量子阱层113为InGaN阱层，量子垒层123为GaN垒层；M+N个量子垒层113中靠近N型GaN层102的M个量子阱层113的厚度逐渐变化，且靠近N型GaN层102的量子阱层113的厚度大于靠近P型GaN载流子层104的量子阱层113的厚度，M+N个量子阱层113中靠近P型GaN载流子层104的N个量子阱层113的厚度均小于M个量子阱层113的厚度，M和N均为大于1的正整数，且M与N的差值为0。
在本发明实施例中，N个量子阱层113的厚度可以相等。将N个量子阱层113的厚度相等设置，可以使得发光二极管的发光波长获得较好的集中度。
在本发明实施例中，N个量子阱层113的厚度均为D，2.5nm≤D≤3.4nm。将N个量子阱层113的厚度设置在上述范围内，可以保证量子阱层的晶体质量，从而保证发光二极管的亮度。
优选地，D为3.2nm。
其中，InGaN阱层113和量子垒层123的层数均为6，即M+N为6，M＝N＝3。
当M＝3时，靠近N型GaN层的3个量子阱层的厚度分别为d1、d2和d3，4.5nm≤d1≤6nm，4nm≤d2≤4.4nm，3.5nm≤d3≤4nm，将靠近N型GaN层的3个量子阱层的厚度做如上设置，能够更好的改善载流子的传输，提高载流子分布的对称性，进而提高发光效率。
优选地，d1的取值为4.5nm，d2的取值为4nm，d3的取值为3.5nm。
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)；量子垒层123的厚度为6nm～20nm(优选为9～15nm)；P型GaN载流子层104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、多量子阱有源层以及P型GaN载流子层，其中多量子阱有源层由M+N个量子阱层和M+N个量子垒层构成，M+N个量子阱层中靠近N型GaN层的M个量子阱层的厚度逐渐变化，且靠近N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，M+N个量子阱层中靠近P型GaN载流子层的N个量子阱层的厚度均小于M个量子阱层的厚度。即在多量子阱有源层中，量子阱层的厚度，在靠近N型GaN层的一半量子阱层中逐渐变薄，然后另一半靠近P型GaN载流子层的量子阱层厚度比靠近N型GaN层的一半量子阱层的厚度薄；由于量子阱层的能带结构中的基态能量分布跟量子阱的宽度有关，上述结构优化生长的外延片由于量子阱厚度的不同所受量子束缚斯塔克效应的影响程度不同，导致量子阱层的能带结构中的基态能量分布发生明显的变化，即靠近N型GaN层的量子阱层厚所受量子束缚斯塔克效应的影响较大，基态能量较低，而靠近P型GaN载流子层的量子阱层要薄些，受量子束缚斯塔克效应的影响较小，基态能量较大；量子阱中的这种基态分布特点使得在外加电流的作用下，电子的传输效率降低，降低电子的传输效率能给空穴更多的机会传输更远的距离，使得空穴的传输效率增加，既抑制了电子的溢漏同时增加空穴的传输距离，改善了电子和空穴的分布，大大提高了多量子阱有源层中空穴和电子分布的对称度，大大提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，进而提高了LED芯片的发光效率，尤其是大电流密度下LED芯片的发光效率。
图2是本发明实施例提供的一种具有新型量子阱的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M+N个量子阱层和M+N个量子垒层，M和N均为大于1的正整数。
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M+N个量子阱层、和M+N个与InGaN阱层交替生长的量子垒层，其中，量子阱层的生长温度为750～780℃；量子垒层的生长温度为900℃。其中，量子阱层为InGaN阱层，量子垒层123为GaN垒层；M+N个量子垒层中靠近N型GaN层的M个量子阱层的厚度逐渐变化，且靠近N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，M+N个量子阱层中靠近P型GaN载流子层的N个量子阱层113的厚度均小于M个量子阱层的厚度，M与N的差值为0。
在本发明实施例中，N个量子阱层的厚度可以相等。将N个量子阱层113的厚度相等设置，可以使得发光二极管的发光波长获得较好的集中度。
在本发明实施例中，N个量子阱层的厚度均为D，2.5nm≤D≤3.4nm。将N个量子阱层113的厚度设置在上述范围内，可以保证量子阱层的晶体质量，从而保证发光二极管的亮度。
优选地，D为3.2nm。
其中，InGaN阱层和量子垒层的层数均为6，即M+N为6，M＝N＝3。
当M＝3时，靠近N型GaN层的3个量子阱层的厚度分别为d1、d2和d3，4.5nm≤d1≤6nm，4nm≤d2≤4.4nm，3.5nm≤d3≤4nm，将靠近N型GaN层的3个量子阱层的厚度做如上设置，能够更好的改善载流子的传输，提高载流子分布的对称性，进而提高发光效率。
优选地，d1的取值为4.5nm，d2的取值为4nm，d3的取值为3.5nm。
进一步地，量子垒层的厚度为6nm～20nm(优选为9～15nm)。
步骤203，在多量子阱有源层上生长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℃，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)厚掺Mg的P型GaN载流子层。
本发明提供的外延片制备方法制出的外延片包括：衬底，和依次覆盖在衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层以及P型GaN载流子层，其中多量子阱有源层由M+N个量子阱层和M+N个量子垒层构成，M+N个量子阱层中靠近N型GaN层的M个量子阱层的厚度逐渐变化，且靠近N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，M+N个量子阱层中靠近P型GaN载流子层的N个量子阱层的厚度均小于M个量子阱层的厚度。即在多量子阱有源层中，量子阱层的厚度，在靠近N型GaN层的一半量子阱层中逐渐变薄，然后另一半靠近P型GaN载流子层的量子阱层厚度比靠近N型GaN层的一半量子阱层的厚度薄；由于量子阱层的能带结构中的基态能量分布跟量子阱的宽度有关，上述结构优化生长的外延片由于量子阱厚度的不同所受量子束缚斯塔克效应的影响程度不同，导致量子阱层的能带结构中的基态能量分布发生明显的变化，即靠近N型GaN层的量子阱层厚所受量子束缚斯塔克效应的影响较大，基态能量较低，而靠近P型GaN载流子层的量子阱层要薄些，受量子束缚斯塔克效应的影响较小，基态能量较大；量子阱中的这种基态分布特点使得在外加电流的作用下，电子的传输效率降低，降低电子的传输效率能给空穴更多的机会传输更远的距离，使得空穴的传输效率增加，既抑制了电子的溢漏同时增加空穴的传输距离，改善了电子和空穴的分布，大大提高了多量子阱有源层中空穴和电子分布的对称度，大大提高了电子和空穴在多量子阱层中的复合效率，进而提高了LED芯片的发光效率，尤其是大电流密度下LED芯片的发光效率。
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 (6)

1.一种具有新型量子阱的发光二极管外延片，所述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、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的M+N个量子阱层和M+N个量子垒层，所述量子阱层为InGaN阱层，所述量子垒层为GaN垒层；
其特征在于，所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层的厚度逐渐变化，且在所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层中，靠近所述N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近所述P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，所述M+N个量子阱层中靠近所述P型GaN载流子层的N个所述量子阱层的厚度均小于所述M个所述量子阱层的厚度，M和N均为大于1的正整数，且M与N的差值为0，
所述M+N为6，靠近所述N型GaN层的3个所述量子阱层的厚度分别为d1、d2和d3，4.5nm≤d1≤6nm，4nm≤d2≤4.4nm，3.5nm≤d3≤4nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N个所述量子阱层的厚度相等。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述N个所述量子阱层的厚度均为D，2.5nm≤D≤3.4nm。
4.一种具有新型量子阱的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，在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层；
所述多量子阱有源层包括交替生长的M+N个量子阱层和M+N个量子垒层，所述量子阱层为InGaN阱层，所述量子垒层为GaN垒层，所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层的厚度逐渐变化，且在所述M+N个量子阱层中靠近所述N型GaN层的M个所述量子阱层中，靠近所述N型GaN层的量子阱层的厚度大于靠近所述P型GaN载流子层的量子阱层的厚度，所述M+N个量子阱层中靠近所述P型GaN载流子层的N个所述量子阱层的厚度均小于所述M个所述量子阱层的厚度，M和N均为大于1的正整数，且M与N的差值为0，所述M+N为6，靠近所述N型GaN层的3个所述量子阱层的厚度分别为d1、d2和d3，4.5nm≤d1≤6nm，4nm≤d2≤4.4nm，3.5nm≤d3≤4nm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述N个所述量子阱层的厚度相等。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述N个所述量子阱层的厚度均为D，2.5nm≤D≤3.4nm。
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