CN106384772B - 一种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、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层和所述有源层之间的改善层，所述改善层包括单层或多层子层，所述子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在所述TiO2层上的GaN层，所述子层内具有三维晶核。本发明通过提高电子的横向铺展，提高LED的发光效率，同时提高LED的出光效率，进一步提高LED的发光效率，进而提高LED的亮度。
Description
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(英文：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。
GaN基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缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层。当有电流通过时，N型层的电子和P型层的空穴进入有源层复合发光，但目前GaN基LED的出光效率和亮度还有待提高。
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缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层和所述有源层之间的改善层，所述改善层包括单层或多层子层，所述子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在所述TiO2层上的GaN层，所述子层内具有三维晶核。
可选地，所述GaN层不掺杂、掺杂Al、或者掺杂SiH4。
优选地，所述GaN层的电子浓度为0～1017cm-3。
更优选地，所述GaN层为XyGaN层，X为Al或者SiH4，0≤y≤0.3，所述TiO2层为SnzTiO2层，0＜z≤0.5。
可选地，所述TiO2层和所述GaN层的厚度比为0.2～1.5。
可选地，当所述改善层包括单层所述子层时，所述改善层的厚度为20～130nm。
可选地，当所述改善层包括多层所述子层时，所述改善层的厚度为30～150nm。
优选地，所述子层的层数为5～20层。
优选地，所述TiO2层的掺杂浓度保持不变或者逐层渐变，所述GaN层的掺杂浓度保持不变或者逐层渐变。
第二方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、改善层、有源层、P型层；
其中，所述改善层包括单层或多层子层，所述子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在所述TiO2层上的GaN层，所述子层内具有三维晶核。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括单层或多层子层，子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在TiO2层上的GaN层，由于Sn掺杂的TiO2层和GaN层具有能级和阻值的差别，低阻层的电子在到达高阻层时会进行横向铺展，提高整个发光区的电子注入，减小整个LED的串联电阻，改善发光均匀性，提高LED的发光效率。而且子层内具有三维晶核，可以改变光线的入射角度，使得更多光线的入射角没有超过全反射的临界角而从LED芯片内部射出，提高LED的出光效率，进一步提高LED的发光效率，进而提高LED的亮度。
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上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型层4、改善层5、有源层6、P型层7。
在本实施例中，改善层包括单层或多层子层，子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在TiO2层上的GaN层，子层内具有三维晶核。
需要说明的是，Sn掺杂的TiO2层具有良好的电学接触，利于电子的平面铺展，同时Sn掺杂的TiO2层具有良好的可见光透过性，利于光线出射。GaN层可以有效避免改善层对外延片的晶格造成不良影响。
在实际应用中，三维晶核可以在低温和高压的生长条件下形成。具体地，子层先进行三维生长，形成三维晶核，再进行二维生长，最终形成平面。
可选地，GaN层可以不掺杂，也可以掺杂Al，还可以掺杂SiH4。
优选地，GaN层的电子浓度可以为0～1017cm-3。
可选地，GaN层可以为XyGaN层，X为Al或者SiH4，0≤y≤0.3，TiO2层可以为SnzTiO2层，0＜z≤0.5。通过合理搭配TiO2层和GaN层的掺杂浓度，可以实现TiO2层和GaN层之间能级和阻值的差别，以利于电子的横向铺展。
可选地，TiO2层和GaN层的厚度比可以为0.2～1.5。通过合理搭配TiO2层和GaN层的厚度，可以实现TiO2层和GaN层之间能级和阻值的差别，以利于电子的横向铺展。
在本实施例的一种实现方式中，当改善层包括单层子层时，改善层的厚度可以为20～130nm。
在本实施例的另一种实现方式中，当改善层包括多层子层时，改善层的厚度可以为30～150nm。
可选地，子层的层数可以为5～20层。
可选地，TiO2层的掺杂浓度可以保持不变，也可以逐层渐变。
可选地，GaN层的掺杂浓度可以保持不变，也可以逐层渐变。
具体地，蓝宝石衬底1采用[0001]晶向蓝宝石，缓冲层2为GaN层或掺Al的GaN层，N型层4为N型GaN层，有源层5包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，P型层6为P型GaN层。
可选地，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型层4的厚度可以为1～5μm，掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
可选地，InGaN量子阱层的厚度可以为1～5nm，GaN量子垒层的厚度可以为9～20nm。
可选地，GaN量子垒层的层数与InGaN量子阱层的层数相同，InGaN量子阱层的层数可以为5～11层。
可选地，P型层7的厚度可以为100nm～200nm。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括层叠在P型层7上的P型接触层，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
本发明实施例通过在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括单层或多层子层，子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在TiO2层上的GaN层，由于Sn掺杂的TiO2层和GaN层具有能级和阻值的差别，低阻层的电子在到达高阻层时会进行横向铺展，提高整个发光区的电子注入，减小整个LED的串联电阻，改善发光均匀性，提高LED的发光效率。而且子层内具有三维晶核，可以改变光线的入射角度，使得更多光线的入射角没有超过全反射的临界角而从LED芯片内部射出，提高LED的出光效率，进一步提高LED的发光效率，进而提高LED的亮度。
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。
具体地，蓝宝石衬底采用[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缓冲层。
具体地，缓冲层为GaN层或掺Al的GaN层。
可选地，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型层。
具体地，N型层为N型GaN层。
可选地，N型层的厚度可以为1～5μm，掺杂浓度可以为1018～1019cm-3。
步骤204：在N型层上生长改善层。
可选地，改善层的生长温度可以为1020～1150℃，生长压力可以为300～800torr。
优选地，改善层的生长温度可以为1070～1080℃，生长压力可以为400～700torr。
需要说明的是，1200℃以下属于低温，200torr以下属于低压。
在本实施例中，改善层包括单层或多层子层，子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在TiO2层上的GaN层，子层内具有三维晶核。
可选地，GaN层可以不掺杂，也可以掺杂Al，还可以掺杂SiH4。
优选地，GaN层的电子浓度可以为0～1017cm-3。
可选地，GaN层可以为XyGaN层，X为Al或者SiH4，0≤y≤0.3，TiO2层可以为SnzTiO2层，0＜z≤0.5。通过合理搭配TiO2层和GaN层的掺杂浓度，可以实现TiO2层和GaN层之间能级和阻值的差别，以利于电子的横向铺展。
可选地，TiO2层和GaN层的厚度比可以为0.2～1.5。通过合理搭配TiO2层和GaN层的厚度，可以实现TiO2层和GaN层之间能级和阻值的差别，以利于电子的横向铺展。
在本实施例的一种实现方式中，当改善层包括单层子层时，改善层的厚度可以为20～130nm。
在本实施例的另一种实现方式中，当改善层包括多层子层时，改善层的厚度可以为30～150nm。
可选地，子层的层数可以为5～20层。
可选地，TiO2层的掺杂浓度可以保持不变，也可以逐层渐变。
可选地，GaN层的掺杂浓度可以保持不变，也可以逐层渐变。
步骤205：在改善层上生长有源层。
具体地，有源层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
可选地，InGaN量子阱层的厚度可以为1～5nm(如3nm)，GaN量子垒层的厚度可以为9～20nm。
可选地，GaN量子垒层的层数与InGaN量子阱层的层数相同，InGaN量子阱层的层数可以为5～11层。
具体地，当生长InGaN量子阱层时，温度为720～829℃，压力为100～500Torr；当生长GaN量子垒层时，温度为850～959℃，压力为100～500Torr。
步骤206：控制温度为750～1080℃，压力为200～500Torr，在有源层上生长P型层。
具体地，P型层为P型GaN层。
可选地，P型层的厚度可以为100nm～200nm。
步骤207：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208：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。
本发明实施例通过在N型层和有源层之间设置改善层，改善层包括单层或多层子层，子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在TiO2层上的GaN层，由于Sn掺杂的TiO2层和GaN层具有能级和阻值的差别，低阻层的电子在到达高阻层时会进行横向铺展，提高整个发光区的电子注入，减小整个LED的串联电阻，改善发光均匀性，提高LED的发光效率。而且子层内具有三维晶核，可以改变光线的入射角度，使得更多光线的入射角没有超过全反射的临界角而从LED芯片内部射出，提高LED的出光效率，进一步提高LED的发光效率，进而提高LED的亮度。
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缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、有源层、P型层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层和所述有源层之间的改善层，所述改善层包括单层或多层子层，所述子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在所述TiO2层上的GaN层，所述子层内具有三维晶核，所述TiO2层为SnzTiO2层，0＜z≤0.5。
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GaN层不掺杂、掺杂Al、或者掺杂SiH4。
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GaN层的电子浓度为0～1017cm-3。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述GaN层为XyGaN层，X为Al或者SiH4，0≤y≤0.3。
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TiO2层和所述GaN层的厚度比为0.2～1.5。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，当所述改善层包括单层所述子层时，所述改善层的厚度为20～130nm。
7.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，当所述改善层包括多层所述子层时，所述改善层的厚度为30～150nm。
8.根据权利要求7所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述子层的层数为5～20层。
9.根据权利要求7所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述TiO2层的掺杂浓度保持不变或者逐层渐变，所述GaN层的掺杂浓度保持不变或者逐层渐变。
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：
在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、未掺杂GaN层、N型层、改善层、有源层、P型层；
其中，所述改善层包括单层或多层子层，所述子层包括Sn掺杂的TiO2层、以及层叠在所述TiO2层上的GaN层，所述子层内具有三维晶核。
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