CN105932123B - 具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片及其生产工艺，涉及半导体光电器件领域，本发明在制作时，于量子垒插入低温AlInN垒层，通过纳米级坑洞结构，增大了发光层发光面积，同时利用量子点限制效应降低QCSE，改善In并入提升电子和空穴的复合效率，其次，靠近N型氮化物第一个发光层AlInN插入垒层设置金属反射层可使发光层射向衬底的光线被反射提升正面出光；同时，低温非掺杂氮化物层修复发光层表面，并起到空穴注入聚集和电流扩展作用，提高载流子注入均匀性；较AlGaN材料发光层极化效应降低，同时可以限制电子溢出，降低大电流下效率骤降效应。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，具体为一种氮化物发光二极管外延结构。
技术背景
GaN基发光二极管LED是一种半导体发光器件，具有寿命长、能耗低、体积小、可靠性高等优点，成为目前最有前景的照明光源，是先导照明技术的一个重要趋势；但依然存在发光强度和效率低的问题，进一步提高LED的发光强度和光效是LED照明技术发展的目标。
鉴于LED照明技术中存在的发光强度和效率低的问题，同时一颗LED灯珠生产一般经历外延生长段、芯片制造段和封装段三个阶段，其中外延生长决定了LED超过80%的亮度，是整个产业链的核心，所以有必要提出一种新的外延结构改善发光二极管发光强度和效率。
发明内容
本发明第一目的在于提出一种能提高LED亮度的低温AlInN插入垒层氮化物发光二极管外延片。
本发明外延片包括衬底、依次位于衬底上方的低温氮化物缓冲层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、发光层、低温氮化物层、电子阻挡层和P型氮化物层，其特征在于所述发光层从下至上依次包括量子垒层和量子阱层，量子垒层包括低温AlInN插入垒层和GaN垒层，量子垒层和量子阱层周期交替设置，所述低温AlInN插入垒层、GaN垒层和InGaN量子阱层的表面分别设置纳米级坑洞结构；在靠近N型氮化物层的至少一个量子垒层中设置低温AlInN插入垒层，并在靠近N型氮化物层的第一个低温AlInN插入垒层表面设置金属反射层，低温氮化物层设置于发光层之上，所述低温氮化物层为非掺杂的低温氮化物层。
本发明的外延结构在量子垒插入低温AlInN垒层，通过纳米级坑洞结构，增大了发光层发光面积，同时利用量子点限制效应降低QCSE(斯塔克效应)，改善In并入提升电子和空穴的复合效率，其次，靠近N型氮化物第一个发光层AlInN插入垒层设置金属反射层可使发光层射向衬底的光线被反射提升正面出光；同时，低温非掺杂氮化物层修复发光层表面，并起到空穴注入聚集和电流扩展作用，提高载流子注入均匀性；再者，控制AlInN层与GaN晶格匹配，较AlGaN材料发光层极化效应降低，同时可以限制电子溢出，降低大电流下效率骤降（efficiency droop）效应。
优选地，本发明所述发光层从下到上依次包括低温AlInN插入垒层、金属反射层和周期交替设置的GaN垒层和InGaN量子阱层，所述周期数为2～10。
所述低温AlInN插入垒层的数目不超过量子垒层数目。GaN垒层中AlInN插入垒层一方面可以和GaN垒层晶格匹配，同时可以形成高的电子势垒，降低电子逸出发光层，有利于降低efficiency droop效应。
本发明另一目的是提出以上具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺。
在衬底的同一侧依次生长形成低温氮化物缓冲层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、发光层、低温氮化物层、电子阻挡层和P型氮化物层，其特点是：在生长发光层和低温氮化物层时包括以下步骤：
1）在N型氮化物半导体层上生长厚度为5～15nm的低温AlInN插入垒层，通入TMIn源，在NH3和N2氛围下退火；
2）在H2氛围下使低温AlInN垒层表面分解形成纳米级坑洞；
3）在具有纳米级坑洞的低温AlInN插入垒层表面生长厚度为1～10nm具有纳米级坑洞的Al反射金属层，并升温同时通入TMIn源处理表面；
4）在具有纳米级坑洞的Al反射金属层表面生长厚度为2～15nm的具有纳米级坑洞的GaN垒层；
5）在具有纳米级坑洞的GaN垒层表面生长厚度为2～5nm的具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层；
6）在具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层表面生长具有纳米级坑洞的GaN垒层，并周期性地循环依次生长具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层和GaN垒层；所述周期数为2～10个；
7）降温至InGaN量子阱层的生长温度，生长非掺杂的低温InGaN氮化物层，厚度40～100nm。
以步骤1）中生长AlInN层通入TMIn源，在NH3和N2氛围下退火，起到表面活性剂对表面进行处理改善表面，使得H2氛围下表面腐蚀坑洞更均匀分布。以步骤3）中升温通入TMIn源，起到退火并对金属表面处理作用，金属层分布更均匀。本发明工艺简单、便于工业化生产。
所述步骤6）中周期数为8。量子阱周期数一般在10个以内，根据工艺不同数目有差异。
所述低温AlInN插入垒层的厚度为10nm，在Al反射金属层表面生长的GaN垒层的厚度为5nm，在步骤6）的循环周期内生长的各GaN垒层厚度为15nm。目前LED工艺现状GaN垒层厚度13nm左右，根据工艺不同数目有差异。
所述各量子阱InGaN的厚度为3nm。
所述金属反射层的厚度为2nm，金属反射层为层状或者点状。该工艺中设计意图在于存在Al金属层，因为生长时间短仅为一层薄层，通过通入TMAl源时间和退火工艺优化可以实现Al反射层状态。
附图说明
图 1为本发明氮化物发光二极管外延结构示意图。
图2为本发明设置金属反射层的发光层结构示意图。
图中，10-衬底，11-低温氮化物缓冲层，12-非掺杂氮化物层，13-N型氮化物层，14-发光层，15-低温氮化物层、16-电子阻挡层，17-P型氮化物层，18-纳米坑洞结构。
14-1-低温AlInN插入垒层，14-2-GaN垒层，14-3-InGaN量子阱层，14-4-金属反射层。
具体实施方式
一、制备工艺：
实施例一：
在衬底10（如蓝宝石）的同一侧依次生长低温缓冲层11（厚度为20～50nm的非掺杂GaN或AlN）、非掺杂氮化物层12（厚度是1～3μm的非掺杂GaN）、N型氮化物半导体层13（厚度为1～3μm掺Si的nGaN层，Si的掺杂浓度是5×1017 cm-3～2×1019cm-3）、发光层14、低温氮化物层15（非掺杂InGaN层，厚度为40～100nm，优选60nm）、电子阻挡层16（厚度为15～25nm的AlGaN层）和P型氮化物层17（厚度为50～200nm，掺Mg的pGaN，Mg掺杂浓度为1×1019 cm-3～5×1020cm-3）。
其中，在生长发光层14和低温氮化物层15时，选用TEG、TMAl、TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源供应进行以下操作：
1、在适当温度范围内，通入TEG、TMIn、NH3和N2混合气体源，在N型氮化物半导体层13上生长低温AlInN插入垒层14-1，生长厚度为5～15nm，优选10nm，关闭TEG、TMAl，通入TMIn源，保留NH3和N2同时退火。
2、关闭NH3和N2，通入H2，使得低温AlInN层14-1表面分解并腐蚀出纳米级坑洞18，形成具有纳米级坑洞的低温AlInN插入垒层14-1。
3、关闭H2，通入TMAl源，在具有纳米级坑洞的低温AlInN插入垒层14-1表面形成具有纳米级坑洞的Al反射金属层14-4，优化通入时间10～50s，优选15s。
形成的金属反射层14-4厚度为1～10nm，优选2nm，可为层状或者点状。
4、关闭TMAl源，通入TMIn源处理Al反射金属层14-4，同时升温至GaN垒层14-2所需生长温度。
5、关闭TMIn源，同时通入TEG、NH3和N2，在具有纳米级坑洞的Al反射金属层14-4上生长具有纳米级坑洞的GaN垒层14-2，厚度2～10nm，优选5nm。
6、降温至InGaN量子阱层14-3生长温度，打开TEG源和TMIn源，在具有纳米级坑洞的GaN垒层14-2上生长具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层14-3，厚度2～5nm，优选3nm。
7、关闭TMIn源，升温至GaN垒层14-2所需生长温度，在具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层14-3上生长具有纳米级坑洞的GaN垒层14-2，厚度15nm 。
8、降温至量子阱InGaN量子阱层14-3生长温度，打开TMIn源，在具有纳米级坑洞的GaN垒层14-2上具有纳米级坑洞的生长InGaN量子阱层14-3，厚度3nm。
9、重复步骤7生长GaN垒层14-2。
10、重复步骤8和9，重复周期6～10，优选8。
其中以上工艺步骤TMIn源流量恒定，低温AlInN插入垒层14-1中In组分均匀为10%～25%，优选地，In含量17%。
11、关闭TEG源和TMIn源，降温至InGaN量子阱层14-3生长温度，打开TEG源和TMIn源，生长非掺杂InGaN低温氮化物层15，厚度40～100nm，优选50nm。
本发明中生长低温AlInN插入垒层14-1中的低温是相比较GaN垒层14-2而言。
本发明中低温氮化物层15中的低温是相比较P型氮化物层17而言。
实施例二：
与实施例一相同，不同之处在于实施例一中步骤1中，在适当温度范围，通入TEG、TMAl、TMIn、NH3和N2混合气体源，生长低温AlInN插入垒层14-1，生长厚度10nm，关闭TEG、TMAl，通入TMIn源，保留NH3和N2同时退火，实施例二中靠近N型氮化物层的第一个AlInN插入层In组分0%递增至35%再递减到0，可以控制TMIn源流量实现。
二、制成的产品结构特点：
如图1、2所示，外延结构从下到上依次包括衬底10、以及依次层叠在衬底10上的低温缓冲层11、非掺杂氮化物层12，N型氮化物半导体层13、发光层14、低温氮化物层15、电子阻挡层16和P型氮化物半导体层17。
其中，发光层14包括低温AlInN插入垒层14-1、Al反射金属层14-4、GaN垒层14-2和InGaN量子阱14-3，低温AlInN插入垒层14-1设置在N型氮化物半导体层13上，Al反射金属层14-4设置在低温AlInN插入垒层14-1上，GaN垒层14-2和InGaN量子阱14-3交替（有6-10个周期，优选8）设置在Al反射金属层14-4上，并且，第一层GaN垒层14-2设置在Al反射金属层14-4上，低温氮化物层15为非掺杂InGaN垒层，厚度40-100nm，优选50nm。
另外，低温AlInN插入垒层14-1、Al反射金属层14-4、GaN垒层14-2和InGaN量子阱14-3分别都具有密排纳米级坑洞结构18。
Claims (9)
1.具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片，包括衬底、依次位于衬底上方的低温氮化物缓冲层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、发光层、低温氮化物层、电子阻挡层和P型氮化物层，其特征在于所述发光层从下至上依次包括低温AlInN插入垒层、金属反射层和周期交替设置的GaN垒层和InGaN量子阱层，所述低温AlInN插入垒层、GaN垒层和InGaN量子阱层的表面分别设置纳米级坑洞结构；在N型氮化物层上依次设置低温AlInN插入垒层、金属反射层和GaN垒层，所述低温氮化物层为非掺杂的低温氮化物层。
2.根据权利要求1所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片，其特征在于所述发光层中，周期交替设置的GaN垒层和InGaN量子阱层的周期数为2～10。
3.根据权利要求1或2所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片，其特征在于所述低温AlInN插入垒层的数目不超过量子垒层数目。
4.如权利要求1所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺，在衬底的同一侧依次生长形成低温氮化物缓冲层、非掺杂氮化物层、N型氮化物层、发光层、低温氮化物层、电子阻挡层和P型氮化物层，其特征在于在生长发光层和低温氮化物层时包括以下步骤：
1）在N型氮化物半导体层上生长厚度为5～15nm的低温AlInN插入垒层，通入TMIn源，在NH3和N2氛围下退火；
2）在H2氛围下使低温AlInN插入垒层表面分解形成纳米级坑洞；
3）在具有纳米级坑洞的低温AlInN插入垒层表面生长厚度为1～10nm具有纳米级坑洞的Al反射金属层，并升温同时通入TMIn源处理表面；
4）在具有纳米级坑洞的Al反射金属层表面生长厚度为2～15nm的具有纳米级坑洞的GaN垒层；
5）在具有纳米级坑洞的GaN垒层表面生长厚度为2～5nm的具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层；
6）在具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层表面生长具有纳米级坑洞的GaN垒层，并周期性地循环依次生长具有纳米级坑洞的InGaN量子阱层和GaN垒层；所述周期数为2～10个；
7）降温至InGaN量子阱层的生长温度，生长非掺杂的低温氮化物层，厚度40～100nm。
5.根据权利要求4所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺，其特征在于低温氮化物层为非掺杂InGaN层。
6.根据权利要求4所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺，其特征在于所述步骤6）中周期数为8。
7.根据权利要求4或6所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺，其特征在于所述低温AlInN插入垒层的厚度为10nm，在Al反射金属层表面生长的GaN垒层的厚度为5nm，在步骤6）的循环周期内生长的各GaN垒层厚度为15nm。
8.根据权利要求4所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺，其特征在于各InGaN量子阱层的厚度为3nm。
9.根据权利要求4所述具有低温AlInN插入垒层的氮化物发光二极管外延片的生产工艺，其特征在于所述金属反射层的厚度为2nm，金属反射层为层状或者点状。
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