CN106025016B - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型层，P型层包括掺杂Mg的GaN层，掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度先逐渐减少再逐渐增多，掺杂Mg的GaN层中插入有P型AlGaN层和P型InGaN层。本发明通过掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少后逐渐增多，方便空穴注入有源层。而且掺杂Mg的GaN层中插入有P型AlGaN层和P型InGaN层，调节空穴的注入，提高发光二极管的发光效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种能够将电能有效转化为光能的半导体器件，目前氮化镓基LED受到越来越多的关注和研究。
LED外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型AlGaN层、P型GaN层。当有电流通过时，N型GaN层的电子和P型GaN层的空穴进入有源层复合发光。
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：
空穴的质量比电子大，迁移率和迁移速率都比电子低，而且P型GaN层中掺杂的Mg只有很少一部分可以活化，因此注入有源层的空穴数量较少，极大限制发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术极大限制发光二极管的发光效率的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型层，所述P型层包括掺杂Mg的GaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐减少的部分插入有P型AlGaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐增多的部分插入有P型InGaN层。
可选地，所述掺杂Mg的GaN层包括多个掺杂Mg的GaN子层，每个所述掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度保持不变，多个所述掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多。
可选地，所述P型AlGaN层包括多个P型AlGaN子层，所述P型AlGaN子层中Al的摩尔质量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少。
可选地，所述P型AlGaN层中Al的摩尔质量保持不变。
可选地，所述P型AlGaN层为AlxGa1-xN层，0＜x＜0.2。
可选地，所述P型InGaN层包括多个P型InGaN子层，每个所述P型InGaN子层中In的摩尔含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少。
可选地，所述P型InGaN层中In的摩尔含量保持不变。
可选地，所述P型InGaN层为InyGa1-yN层，0＜y＜0.35。
可选地，所述P型AlGaN层的厚度为10nm～50nm，所述P型InGaN层的厚度为10nm～50nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层；
在所述有源层上生长P型层，所述P型层包括掺杂Mg的GaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少，所述掺杂Mg的GaN层中插入有P型InGaN层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少后逐渐增多，利用掺杂不同浓度的Mg形成不同晶体质量的GaN，有利于空穴的有效扩展，同时利用Mg掺杂浓度的差异驱动空穴的纵向传输，方便空穴注入有源层。而且掺杂Mg的GaN层中插入有P型AlGaN层和P型InGaN层，P型AlGaN层和P型InGaN层通过能带的变化调节空穴的注入，P型AlGaN层可以缓解电子的溢流，改变势垒对空穴的阻隔，P型InGaN层可以提供空穴的低势位置，方便后端空穴的驱动，进而提高空穴的有效注入，提高发光二极管的发光效率。另外，Al原子的半径较小，AlN的晶格常数减小，AlGaN层可以减少和缓解GaN层生长引入的缺陷和应力释放。
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是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，参见图1，该发光二极管外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层6。
在本实施例中，蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。有源层5包括交替层叠的InGaN层和GaN层。P型层6包括掺杂Mg的GaN层，掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多，掺杂Mg的GaN层中插入有Mg的掺杂浓度逐渐减少的部分插入有P型AlGaN层，掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐增多的部分插入有P型InGaN层。
在实际应用中，可以通过生长气氛和生长速率的控制实现Mg掺杂浓度的和逐渐变化。
可选地，掺杂Mg的GaN层可以包括多个掺杂Mg的GaN子层，每个掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度保持不变，多个掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多。
可选地，P型AlGaN层可以包括多个P型AlGaN子层，每个P型AlGaN子层中In的摩尔含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少，改变整个P型层6的能带位置，提高空穴的有效注入。
可选地，P型AlGaN层中Al的摩尔含量可以保持不变。
可选地，P型AlGaN层可以为AlxGa1-xN层，0＜x＜0.2。实验证明，0＜x＜0.2的P型AlGaN层可以提高空穴的有效注入。
可选地，P型InGaN层可以包括多个P型InGaN子层，每个P型InGaN子层中In的摩尔含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少，改变整个P型层6的能带位置，提高空穴的有效注入。
可选地，P型InGaN层中In的摩尔含量可以保持不变。
可选地，P型InGaN层可以为InxGa1-xN层，0＜x＜0.35。实验证明，0＜x＜0.35的P型InGaN层可以提高空穴的有效注入。
可选地，P型AlGaN层的厚度可以为10nm～50nm。当P型AlGaN层的厚度小于10nm时，无法提高空穴的有效注入；当P型AlGaN层的厚度大于50nm时，会造成材料的浪费。
可选地，P型InGaN层的厚度可以为10nm～50nm。当P型InGaN层的厚度小于10nm时，无法提高空穴的有效注入；当P型InGaN层的厚度大于50nm时，会造成材料的浪费。
可选地，P型层6的厚度可以为100nm～200nm。当P型层6的厚度小于100nm时，无法提供足够的空穴；当P型层6的厚度大于200nm时，会造成材料的浪费。
可选地，GaN缓冲层2的厚度可以为15～35nm。
可选地，未掺杂GaN层3的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层4的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层4的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
可选地，有源层5中的InGaN层的厚度可以为1～5nm，有源层5中的GaN层的厚度可以为9～20nm。
可选地，有源层5中的InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～22。
通过掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少后逐渐增多，利用掺杂不同浓度的Mg形成不同晶体质量的GaN，有利于空穴的有效扩展，同时利用Mg掺杂浓度的差异驱动空穴的纵向传输，方便空穴注入有源层。而且掺杂Mg的GaN层中插入有P型AlGaN层和P型InGaN层，P型AlGaN层和P型InGaN层通过能带的变化调节空穴的注入，P型AlGaN层可以缓解电子的溢流，改变势垒对空穴的阻隔，P型InGaN层可以提供空穴的低势位置，方便后端空穴的驱动，进而提高空穴的有效注入，提高发光二极管的发光效率。另外，Al原子的半径较小，AlN的晶格常数减小，AlGaN层可以减少和缓解GaN层生长引入的缺陷和应力释放。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于制备实施例一提供的发光二极管外延片，参见图2，该制备方法包括：
步骤200：控制温度为1000～1200℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。
可以理解地，步骤200可以清洁蓝宝石衬底表面。
在本实施例中，蓝宝石衬底1采用(0001)晶向蓝宝石。
步骤201：控制温度为400～600℃，压力为400～600Torr，在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层。
可选地，GaN缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，在步骤201之后，该制备方法还可以包括：
控制温度为1000～1200℃，压力为400～600Torr，时间为5～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。
步骤202：控制温度为1000～1100℃，压力为100～500Torr，在GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
步骤203：控制温度为1000～1200℃，压力为100～500Torr，在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
可选地，N型GaN层的厚度可以为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
步骤204：在N型GaN层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
具体地，当生长InGaN层时，温度为720～829℃，压力为100～500Torr；当生长GaN层时，温度为850～959℃，压力为100～500Torr。
可选地，有源层中的InGaN层的厚度可以为3nm，有源层中的GaN层的厚度可以为9～20nm。
可选地，有源层中的InGaN层和GaN层的层数之和可以为10～22。
步骤205：控制温度为750～1080℃，压力为200～500Torr，在有源层上生长P型层。
在本实施例中，P型层包括掺杂Mg的GaN层，掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多，掺杂Mg的GaN层中插入有Mg的掺杂浓度逐渐减少的部分插入有P型AlGaN层，掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐增多的部分插入有P型InGaN层。
可选地，掺杂Mg的GaN层可以包括多个掺杂Mg的GaN子层，每个掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度保持不变，多个掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐减少。
可选地，掺杂Mg的GaN层可以包括多个掺杂Mg的GaN子层，每个掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度保持不变，多个掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多。
可选地，P型AlGaN层可以包括多个P型AlGaN子层，每个P型AlGaN子层中In的摩尔含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少。
可选地，P型AlGaN层中Al的摩尔含量可以保持不变。
可选地，P型AlGaN层可以为AlxGa1-xN层，0＜x＜0.2。
可选地，P型InGaN层可以包括多个P型InGaN子层，每个P型InGaN子层中In的摩尔含量沿发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少。
可选地，P型InGaN层中In的摩尔含量可以保持不变。
可选地，P型InGaN层可以为InxGa1-xN层，0＜x＜0.35。
可选地，P型AlGaN层的厚度可以为10nm～50nm。
可选地，P型InGaN层的厚度可以为10nm～50nm。
可选地，P型层的厚度可以为100nm～200nm。
步骤206：控制温度为850～1050℃，压力为100～300Torr，在P型GaN层上生长P型接触层。
可选地，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
步骤207：控制温度为650～850℃，时间为5～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成单颗尺寸大小为9*7mil的LED芯片。经过LED芯片测试后发现，工作电流为20mA时，光效有明显提高。
通过掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少后逐渐增多，利用掺杂不同浓度的Mg形成不同晶体质量的GaN，有利于空穴的有效扩展，同时利用Mg掺杂浓度的差异驱动空穴的纵向传输，方便空穴注入有源层。而且掺杂Mg的GaN层中插入有P型AlGaN层和P型InGaN层，P型AlGaN层和P型InGaN层通过能带的变化调节空穴的注入，P型AlGaN层可以缓解电子的溢流，改变势垒对空穴的阻隔，P型InGaN层可以提供空穴的低势位置，方便后端空穴的驱动，进而提高空穴的有效注入，提高发光二极管的发光效率。另外，Al原子的半径较小，AlN的晶格常数减小，AlGaN层可以减少和缓解GaN层生长引入的缺陷和应力释放。
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)

1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、P型层，其特征在于，所述P型层包括掺杂Mg的GaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐减少的部分插入有P型AlGaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐增多的部分插入有P型InGaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述掺杂Mg的GaN层包括多个掺杂Mg的GaN子层，每个所述掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度保持不变，多个所述掺杂Mg的GaN子层中Mg的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多。
3.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P型AlGaN层包括多个P型AlGaN子层，所述P型AlGaN子层中Al的摩尔含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少。
4.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P型AlGaN层中Al的摩尔含量保持不变。
5.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P型AlGaN层为AlxGa1-xN层，0＜x＜0.2。
6.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P型InGaN层包括多个P型InGaN子层，每个所述P型InGaN子层中In的摩尔含量沿所述发光二极管外延片的层叠方向逐渐增加或逐渐减少。
7.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P型InGaN层中In的摩尔含量保持不变。
8.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P型InGaN层为InyGa1-yN层，0＜y＜0.35。
9.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P型AlGaN层的厚度为10nm～50nm，所述P型InGaN层的厚度为10nm～50nm。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层；
在所述GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层；
在所述有源层上生长P型层，所述P型层包括掺杂Mg的GaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度沿所述发光二极管外延片的层叠方向先逐渐减少再逐渐增多，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐减少的部分插入有P型AlGaN层，所述掺杂Mg的GaN层中Mg的掺杂浓度逐渐增多的部分插入有P型InGaN层。
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