CN106816501B - 一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法，属于半导体技术领域。所述外延片包括蓝宝石衬底、GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，量子阱层为掺有Al的InGaN层，量子垒层为GaN层；多层量子阱层沿多层量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的量子阱层、属于中阱的量子阱层、属于后阱的量子阱层的厚度依次减小，In组分含量依次增大，Al掺杂浓度依次减小。本发明将尽量多的电子限制在最靠近P型AlGaN层的几层量子阱层中，同时方便空穴注入多量子阱层，提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法。
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的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、多量子阱层(英文：Multiple Quantum Well，简称：MQW)、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层的空穴进入多量子阱层复合发光。
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，因此注入多量子阱层的空穴数量较少，电子在多量子阱层的数量偏多，容易产生溢流，减少电子和空穴的有效复合，降低发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术降低发光二极管的发光效率的问题，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片及其制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片，所述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、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，所述多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，所述量子阱层为掺有Al的InGaN层，所述量子垒层为GaN层；多层所述量子阱层沿多层所述量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的所述量子阱层的厚度大于属于中阱的所述量子阱层的厚度，属于中阱的所述量子阱层的厚度大于属于后阱的所述量子阱层的厚度；属于前阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于中阱的所述量子阱层的In组分含量，属于中阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于后阱的所述量子阱层的In组分含量；属于前阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度，属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于后阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度。
可选地，属于前阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.3～1.5倍，属于中阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.1～1.3倍。
另一方面，本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法，所述制作方法包括：
在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层；
其中，所述多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，所述量子阱层为掺有Al的InGaN层，所述量子垒层为GaN层；多层所述量子阱层沿多层所述量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的所述量子阱层的厚度大于属于中阱的所述量子阱层的厚度，属于中阱的所述量子阱层的厚度大于属于后阱的所述量子阱层的厚度；属于前阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于中阱的所述量子阱层的In组分含量，属于中阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于后阱的所述量子阱层的In组分含量；属于前阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度，属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于后阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度。
可选地，属于前阱的所述量子阱层的生长温度比属于中阱的所述量子阱层的生长温度高，属于中阱的所述量子阱层的生长温度比属于后阱的所述量子阱层的生长温度高。
优选地，属于前阱的所述量子阱层的生长温度比属于后阱的所述量子阱层的生长温度高20～50℃，属于中阱的所述量子阱层的生长温度比属于后阱的所述量子阱层的生长温度高10～30℃。
可选地，属于前阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.3～1.5倍，属于中阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.1～1.3倍。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将组成多量子阱层的多层量子阱层沿其层叠方向分成前阱、中阱、后阱三种类型，属于前阱的量子阱层的厚度、属于中阱的量子阱层的厚度、属于后阱的量子阱层的厚度依次减小，属于前阱的量子阱层的In组分含量、属于中阱的量子阱层的In组分含量、属于后阱的量子阱层的In组分含量依次增大，属于前阱的量子阱层的Al掺杂浓度、属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度、属于后阱的量子阱层的Al掺杂浓度依次减小，有效调整了多量子阱层内电子的分布，将尽量多的电子限制在最靠近P型AlGaN层的几层(一般为2～5层)量子阱层中，同时保证了多量子阱层和P型GaN层的能级匹配，方便空穴注入多量子阱层，提高电子和空穴的有效复合，提高发光二极管的发光效率。而且掺杂和厚度的变化没有在多量子阱层内引入更多的缺陷和位错，保证了较好的生长质量。
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氮化镓基发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法的流程图。
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氮化镓基发光二极管的外延片，参见图1，该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、多量子阱层5、P型AlGaN层6、P型GaN层7。
在本实施例中，多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，量子阱层为掺有Al的InGaN层，量子垒层为GaN层。多层量子阱层沿多层量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的量子阱层的厚度大于属于中阱的量子阱层的厚度，属于中阱的量子阱层的厚度大于属于后阱的量子阱层的厚度；属于前阱的量子阱层的In组分含量小于属于中阱的量子阱层的In组分含量，属于中阱的量子阱层的In组分含量小于属于后阱的量子阱层的In组分含量；属于前阱的量子阱层的Al掺杂浓度大于属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度，属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度大于属于后阱的量子阱层的Al掺杂浓度。
可选地，属于前阱的量子阱层的厚度可以为属于后阱的量子阱层的厚度的1.3～1.5倍，属于中阱的量子阱层的厚度可以为属于后阱的量子阱层的厚度的1.1～1.3倍。
可选地，属于前阱的量子阱层的层数、属于中阱的量子阱层的层数、属于后阱的量子阱层的层数可以均为多量子阱层中量子阱层的层数的1/3。
可选地，多量子阱层中量子阱层的层数可以为3～15层。
具体地，蓝宝石衬底可以采用(0001)晶向蓝宝石。
可选地，GaN缓冲层的厚度可以为15～35nm。
可选地，未掺杂GaN层的厚度可以为1～5μm。
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。
具体地，P型AlGaN层为AlxGa1-xN层，0.1＜x＜0.5。
可选地，P型AlGaN层的厚度可以为50～150nm。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
可选地，如图1所示，该外延片还包括设置在P型GaN层上的P型接触层8，P型接触层的厚度可以为5～300nm。
本发明实施例通过将组成多量子阱层的多层量子阱层沿其层叠方向分成前阱、中阱、后阱三种类型，属于前阱的量子阱层的厚度、属于中阱的量子阱层的厚度、属于后阱的量子阱层的厚度依次减小，属于前阱的量子阱层的In组分含量、属于中阱的量子阱层的In组分含量、属于后阱的量子阱层的In组分含量依次增大，属于前阱的量子阱层的Al掺杂浓度、属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度、属于后阱的量子阱层的Al掺杂浓度依次减小，有效调整了多量子阱层内电子的分布，将尽量多的电子限制在最靠近P型AlGaN层的几层(一般为2～5层)量子阱层中，同时保证了多量子阱层和P型GaN层的能级匹配，方便空穴注入多量子阱层，提高电子和空穴的有效复合，提高发光二极管的发光效率。而且掺杂和厚度的变化没有在多量子阱层内引入更多的缺陷和位错，保证了较好的生长质量。
实施例二
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法，适用于制作实施例一提供的外延片，参见图2，该制作方法包括：
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层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，量子阱层为掺有Al的InGaN层，量子垒层为GaN层。多层量子阱层沿多层量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的量子阱层的厚度大于属于中阱的量子阱层的厚度，属于中阱的量子阱层的厚度大于属于后阱的量子阱层的厚度；属于前阱的量子阱层的In组分含量小于属于中阱的量子阱层的In组分含量，属于中阱的量子阱层的In组分含量小于属于后阱的量子阱层的In组分含量；属于前阱的量子阱层的Al掺杂浓度大于属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度，属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度大于属于后阱的量子阱层的Al掺杂浓度。
可选地，属于前阱的量子阱层的厚度可以为属于后阱的量子阱层的厚度的1.3～1.5倍，属于中阱的量子阱层的厚度可以为属于后阱的量子阱层的厚度的1.1～1.3倍。
可选地，属于前阱的量子阱层的层数、属于中阱的量子阱层的层数、属于后阱的量子阱层的层数可以均为多量子阱层中量子阱层的层数的1/3。
可选地，可选地，多量子阱层中量子阱层的层数可以为3～15层。
例如，多量子阱层中量子阱层的层数为5～15层；量子阱层的厚度为3nm，生长温度为720～829℃，生长压力为100～500Torr；量子垒层的厚度为9～20nm，生长温度为850～959℃，生长压力为100～500Torr。
步骤205：控制温度为850～1080℃，压力为200～500Torr，在多量子阱层上生长P型AlGaN层。
具体地，P型AlGaN层为AlxGa1-xN层，0.1＜x＜0.5。
可选地，P型AlGaN层的厚度可以为50～150nm。
步骤206：控制温度为850～1080℃，压力为100～300Torr，在P型AlGaN层上生长P型GaN层。
可选地，P型GaN层的厚度可以为100～800nm。
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。
本发明实施例通过将组成多量子阱层的多层量子阱层沿其层叠方向分成前阱、中阱、后阱三种类型，属于前阱的量子阱层的厚度、属于中阱的量子阱层的厚度、属于后阱的量子阱层的厚度依次减小，属于前阱的量子阱层的In组分含量、属于中阱的量子阱层的In组分含量、属于后阱的量子阱层的In组分含量依次增大，属于前阱的量子阱层的Al掺杂浓度、属于中阱的量子阱层的Al掺杂浓度、属于后阱的量子阱层的Al掺杂浓度依次减小，有效调整了多量子阱层内电子的分布，将尽量多的电子限制在最靠近P型AlGaN层的几层(一般为2～5层)量子阱层中，同时保证了多量子阱层和P型GaN层的能级匹配，方便空穴注入多量子阱层，提高电子和空穴的有效复合，提高发光二极管的发光效率。而且掺杂和厚度的变化没有在多量子阱层内引入更多的缺陷和位错，保证了较好的生长质量。另外，属于前阱的量子阱层的生长温度、属于中阱的量子阱层的生长温度、属于后阱的量子阱层的生长温度依次降低，属于前阱的量子阱层的生长温度较高，易于形成具有较高Al掺杂浓度的前阱，属于后阱的量子阱层的生长温度较低，易于形成具有较高In组分含量的后阱。
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)
1.一种氮化镓基发光二极管的外延片，所述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、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层，其特征在于，所述多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，所述量子阱层为掺有Al的InGaN层，所述量子垒层为GaN层；多层所述量子阱层沿多层所述量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的所述量子阱层的厚度大于属于中阱的所述量子阱层的厚度，属于中阱的所述量子阱层的厚度大于属于后阱的所述量子阱层的厚度；属于前阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于中阱的所述量子阱层的In组分含量，属于中阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于后阱的所述量子阱层的In组分含量；属于前阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度，属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于后阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，属于前阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.3～1.5倍，属于中阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.1～1.3倍。
3.一种氮化镓基发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在蓝宝石衬底上依次外延生长GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层；
其中，所述多量子阱层由多层量子阱层和多层量子垒层交替层叠而成，所述量子阱层为掺有Al的InGaN层，所述量子垒层为GaN层；多层所述量子阱层沿多层所述量子阱层的层叠方向依次属于前阱、中阱、后阱，属于前阱的所述量子阱层的厚度大于属于中阱的所述量子阱层的厚度，属于中阱的所述量子阱层的厚度大于属于后阱的所述量子阱层的厚度；属于前阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于中阱的所述量子阱层的In组分含量，属于中阱的所述量子阱层的In组分含量小于属于后阱的所述量子阱层的In组分含量；属于前阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度，属于中阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度大于属于后阱的所述量子阱层的Al掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，属于前阱的所述量子阱层的生长温度比属于中阱的所述量子阱层的生长温度高，属于中阱的所述量子阱层的生长温度比属于后阱的所述量子阱层的生长温度高。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，属于前阱的所述量子阱层的生长温度比属于后阱的所述量子阱层的生长温度高20～50℃，属于中阱的所述量子阱层的生长温度比属于后阱的所述量子阱层的生长温度高10～30℃。
6.根据权利要求3～5任一项所述的制作方法，其特征在于，属于前阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.3～1.5倍，属于中阱的所述量子阱层的厚度为属于后阱的所述量子阱层的厚度的1.1～1.3倍。
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