CN106972085A - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - 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造方法，属于发光二极管领域。所述发光二极管外延片包括：衬底，依次层叠设置在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述多量子阱层包括交叠生长的多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子垒层均为AlxGa1‑xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1‑xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个为P型掺杂的量子垒层，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。该发光二极管外延片能够提高发光二极管发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管(英文Light Emitting Diodes，简称LED)作为新型高效固体光源，是照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一飞跃，引发了第三次照明革命，因具有节能环保、可靠性高、使用寿命长等优点而受到社会广泛的关注。
近年来，越来越多的研究者们投入到提高发光二极管发光效率的研究中，研究出通过降低极化效应，增加空穴浓度，防止电子溢流等等提高发光二极管的发光效率的方法。种种研究表明：多量子阱层中的空穴浓度是制约发光二极管的发光效率提升的关键所在，因为电子的有效质量远远小于空穴，其具有较高的载流子迁移率，电子很快越过多量子阱层进入P型氮化镓层与空穴进行非辐射复合，形成漏电流，降低了发光二极管的发光效率和抗静电能力。为避免此种情况，常常在多量子阱层生长完成后，再生长一电子阻挡层，大量实验证明该电子阻挡层确实可以有效的减少电子越过多量子阱层到达P型氮化镓层与空穴复合，从而减少了电子溢流，但是同时由于电子阻挡层的势垒较高，同样阻挡了空穴进入到多量子阱层中，所以这样做对于改善发光二极管发光效率方面并未起到良好效果。
发明内容
为了解决现有技术电子阻挡层的势垒较高，阻挡了空穴进入到多量子阱层中，造成发光效率不高的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法。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：衬底，依次层叠设置在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述多量子阱层包括交叠生长的多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子垒层均为AlxGa1-xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个为P型掺杂的量子垒层，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层为所述多个量子垒层中厚度最小的三个量子垒层。
在本发明实施例的另一种实现方式中，0＜x＜0.5。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述多个量子垒层中的x的取值沿着所述发光二极管外延片的生长方向逐渐降低。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述多个量子垒层中最靠近所述N型氮化镓层的量子垒层的x的取值为：0.2＜x＜0.5。
第二方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述多量子阱层包括交叠生长的多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子垒层均为AlxGa1-xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个为P型掺杂的量子垒层，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层为所述多个量子垒层中厚度最小的三个量子垒层。
在本发明实施例的另一种实现方式中，0＜x＜0.5。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述多个量子垒层中的x的取值沿着所述发光二极管外延片的生长方向逐渐降低。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述多个量子垒层中最靠近所述N型氮化镓层的量子垒层的x的取值为：0.2＜x＜0.5。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过采用铝镓氮层、铟铝镓氮层、或者铝镓氮层和铟铝镓氮层构成的超晶格结构形成量子垒层，掺铝的量子垒层由于势垒较高可以对电子起到充分阻挡作用，减少电子越过多量子阱层到达P型氮化镓层与空穴复合，从而减少了电子溢流；在靠近P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个中进行P型掺杂，可以为电子空穴复合提供空穴，提高量子阱中的空穴浓度，从而提高电子和空穴的辐射复合，同时该P型掺杂的量子垒层靠近P型氮化镓层设置，避免靠近N型层设置造成电子和空穴的非辐射复合；同时，该外延片去掉多量子阱层和P型氮化镓层之间的电子阻挡层，可以进一步的提高了空穴注入到量子阱中的浓度，从而使电子和空穴在量子阱内充分复合，提高发光二极管发光效率。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图；
图3是本发明实施例提供的多量子阱层的一种结构示意图；
图4是本发明实施例提供的多量子阱层的另一种结构示意图。
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。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，发光二极管外延片包括：衬底100，依次层叠设置在衬底100上的缓冲层101、非掺杂GaN氮化镓层102、N型氮化镓层103、多量子阱层104和P型氮化镓层105，多量子阱层104包括交叠生长的多个量子阱层141和多个量子垒层142，多个量子垒层142均为AlxGa1-xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，多个量子垒层142中最靠近P型氮化镓层的三个量子垒层142中的至少一个为P型掺杂的量子垒层142，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。其中，量子垒层142的P型掺杂具体可以是掺杂Mg。
本发明通过采用铝镓氮层、铟铝镓氮层、或者铝镓氮层和铟铝镓氮层构成的超晶格结构形成量子垒层，掺铝的量子垒层由于势垒较高可以对电子起到充分阻挡作用，减少电子越过多量子阱层到达P型氮化镓层与空穴复合，从而减少了电子溢流；在靠近P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个中进行P型掺杂，可以为电子空穴复合提供空穴，提高量子阱中的空穴浓度，从而提高电子和空穴的辐射复合，同时该P型掺杂的量子垒层靠近P型氮化镓层设置，避免靠近N型层设置造成电子和空穴的非辐射复合；同时，该外延片去掉多量子阱层和P型氮化镓层之间的电子阻挡层，可以进一步的提高了空穴注入到量子阱中的浓度，从而使电子和空穴在量子阱内充分复合，提高发光二极管发光效率。
如图1所示，多量子阱层104可以包括3个周期的超晶格结构，但图示仅为举例，多量子阱层104可以包括更多或更少周期的超晶格结构，例如3～6个。
在一种可能的实现方式中，衬底100可以为蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底。缓冲层102可以为氮化镓低温缓冲层。
在一种可能的实现方式中，量子阱层141可以为铟镓氮InGaN量子阱。
在本发明实施例的一种实现方式中，多个量子垒层142中最靠近P型氮化镓层105的三个量子垒层142为多个量子垒层142中厚度最小的三个量子垒层142。
在本发明实施例中，低温缓冲层121的厚度可以为25nm。非掺杂氮化镓层102的厚度可以为1μm。N型氮化镓层103的厚度可以为3μm。量子阱层141的厚度可以为3nm-6nm。量子垒层142的厚度可以在10nm-30nm之间。
在本发明实施例中，每个量子垒层142均中的x的取值均在0到0.5之间，保证Al对电子起到充分阻挡作用。y的取值可以为：0.2＜x＜0.5。
在本发明实施例中，多个量子垒层142的x的取值沿着发光二极管外延片的生长方向逐渐降低。
在本发明实施例中，多个量子垒层142中最靠近N型氮化镓层的量子垒层142的x的取值可以为：0.2＜x＜0.5，保证Al对电子起到充分阻挡作用。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图，参见图2，该制造方法包括：
步骤201：提供一衬底。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底。以蓝宝石衬底为例，提供蓝宝石衬底可以包括：首先将反应腔的温度控制在1100℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火15分钟，清洁衬底表面，然后进行氮化处理。
步骤202：在衬底上依次生成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，多量子阱层包括交叠生长的多个量子阱层和多个量子垒层，多个量子垒层均为AlxGa1-xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，多个量子垒层142中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个为P型掺杂的量子垒层，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。其中，量子垒层的P型掺杂具体可以是掺杂Mg。
具体地，步骤202可以包括：
第一步，将温度下降到500℃-600℃，生长氮化镓低温缓冲层，氮化镓低温缓冲层的厚度可以为25nm。其中，生长温度优选为550℃。
第二步，再将温度升温到1100℃-1300℃，对低温缓冲层进行退火处理，退火时间可以为6分钟。其中，生长温度优选为1200℃。
第三步，退火完成后在GaN成核层上生长厚度为1μm非掺杂的氮化镓层，温度控制在1100℃-1200℃。其中，退火温度优选为1150℃。
第四步，将温度控制在1100℃-1200℃，在非掺杂氮化镓层上生长厚度为3μm的N型掺杂氮化镓层。其中，生长温度优选为1150℃。
第五步，N型掺杂氮化镓层生长结束后，开始生长多量子阱层。其中：InGaN量子阱层的厚度在3nm至6nm之间，量子阱层的生长温度可以为800℃，量子垒层的厚度在10nm至30nm之间，量子垒层的生长温度高于量子阱层的生长温度。
在第一种实现方式中，所有的量子垒层均为AlxGa1-xN层，0<x<0.5，靠近掺杂的N型氮化镓层的量子垒层中x介于0.2至0.5之间，且多个量子垒层的x的取值沿着发光二极管外延片的生长方向逐渐降低。
如图3所示：11为量子阱层，12、13、14、15为量子垒层，量子垒层Al的掺杂浓度(也即x的取值)为：12≥13≥14＞15，靠近掺杂N型氮化镓层的量子垒层12的Al的掺杂浓度介于0.2～0.5之间，且大于靠近P型氮化镓层量子垒层中Al的掺杂浓度。
其中，多个量子垒层中最靠近P型氮化镓层的三个量子垒层为多个量子垒层中厚度最小的三个量子垒层。
其中，靠近P型氮化镓层的三个量子垒层的厚度可以相同，也可以不同。如图4所示：21为量子阱层，22、23、24、25为量子垒层，量子垒层的厚度在10至30nm之间，靠近掺杂N型氮化镓层的量子垒层的厚度介于20～30nm之间，靠近P型氮化镓层的量子垒层的厚度介于5～20nm之间，量子垒层厚度为：22≥23＞24≥25≥26。这样做的好处是，因靠近P型氮化镓层的厚度较薄，可以使P型氮化镓层中的空穴易进入到量子阱中与电子复合，从而提高发光效率。
在第二种实现方式中，与第一种实现方式的区别在于：量子垒层均为InyAlxGaN层，InGaN量子阱层生长完后，继续通In源，同时通入Al源，生成得到InyAlxGaN层，0＜y＜0.2，0＜x＜0.5。通过在AlGaN量子垒中掺入In，可以与InGaN量子阱层进行更好的晶格匹配，能够有效减小量子阱区因晶格失配造成的晶格缺陷造成的应力，减小能带弯曲，使电子和空穴的波函数尽量重叠，提高电子空穴复合的几率，提高发光效率。
在第三种实现方式中，量子垒层为AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，该超晶格结构中AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层可以分别参照第一种实现方式和第二种实现方式形成。该超晶格结构的周期可以为1-3，避免周期过多造成多量子阱层的厚度过大。
第六步，在多量子阱层上生长0.4μm的P型层。
第七步，所有外延生长结束后，将反应腔的温度降至700至800℃之间，在纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延生长。
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：衬底，依次层叠设置在所述衬底上的缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，其特征在于，
所述多量子阱层包括交叠生长的多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子垒层均为AlxGa1-xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个为P型掺杂的量子垒层，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层为所述多个量子垒层中厚度最小的三个量子垒层。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，0＜x＜0.5。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多个量子垒层中的x的取值沿着所述发光二极管外延片的生长方向逐渐降低。
5.根据权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多个量子垒层中最靠近所述N型氮化镓层的量子垒层的x的取值为：0.2＜x＜0.5。
6.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生成缓冲层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述多量子阱层包括交叠生长的多个量子阱层和多个量子垒层，所述多个量子垒层均为AlxGa1-xN层、InyAlxGaN层、或者AlxGa1-xN层和InyAlxGaN层构成的超晶格结构，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层中的至少一个为P型掺杂的量子垒层，其中，0＜x＜1，0＜y＜1。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述多个量子垒层中最靠近所述P型氮化镓层的三个量子垒层为所述多个量子垒层中厚度最小的三个量子垒层。
8.根据权利要求6或7所述的制造方法，其特征在于，0＜x＜0.5。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述多个量子垒层中的x的取值沿着所述发光二极管外延片的生长方向逐渐降低。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述多个量子垒层中最靠近所述N型氮化镓层的量子垒层的x的取值为：0.2＜x＜0.5。
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