CN107170864A - 一种led外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电材料制备领域，特别是一种LED外延片，包括依次叠置的衬底、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、铝镓氮/氮化镓多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层、P型接触层、P型电极；所述的P型铝镓氮层为Mg掺杂的多层极化诱导AlxGa1‑xN层，x＝0.3→0.05。本发明的目的在于解决现有技术中由LED中由于自发和压电极化引起的电子泄漏、辐射复合几率较低导致的发光效率低、内量子效率低等技术问题，本发明具有结构简单、工艺简便，生产方便，适于工业化生产的需要的优点。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，具体的说是一种LED外延片及其制备方法。
背景技术
二十世纪九十年代以来，由于紫外光在各个领域和行业都具有重大应用价值，因此LED(发光二极管)研究重点逐渐向短波长的紫外光转移。在紫外灯的诸多应用领域中紫外固化市场份额最高，约占紫外灯市场的三分之一，更是占据目前紫外LED市场的80％以上，而紫外固化所需的是约365nm附近的紫外光。紫外固化是液态紫外材料在紫外光的中、短波辐射下致使其中的光引发剂转变成自由基或者阳离子，从而让树脂聚合成不溶不熔的固体涂膜的过程，是上世纪60年代兴起的一项新技术，后来在我国得以迅速发展。它具有干燥迅速、成本低、品质更好、所占空间小、清洁高效等特点。虽然紫外LED相对其他紫外光源的成本较高，但是LED的使用会使系统的其他部分也相应的小型化，从而降低了总体的成本。另外，LED不含有毒的汞，且寿命是汞灯的10倍。所以，21世纪紫外固化大都采用新型的紫外LED固化，有紫外LED点光源、线光源、面光源。而之前的汞灯的、卤素灯的都在慢慢淘汰。
然而，AlGaN材料是目前紫外LED发光技术中不可缺少的合金材料，其禁带宽度适合紫外波段器件的生长，并且随Al组分的变化而变化，所以可通过改变Al组分的大小使对应的光谱波长在200nm-400nm内变化。此外，量子阱结构或者异质结是整个发光器件的核心部分，而在紫外LED中这些核心部位AlGaN 层占了十分重要的地位。但是在目前，高Al组分Ⅲ族氮化物材料的高缺陷密度、强大的自发和压电极化导致的严重的非辐射复合，这些因素导致了电子泄漏、空穴注入效率低、载流子分布不均等现象，所以AlGaN基紫外LED的发光功率和外量子效率还不能达到普遍应用的水平。但是，近些年来极化诱导掺杂技术的发现使高空穴浓度的AlGaN成为可能，它在紫外LED上的应用也值得我们去深入研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种LED外延片，以解决现有技术中由LED中由于自发和压电极化引起的电子泄漏、辐射复合几率较低导致的发光效率低、内量子效率低等技术问题。
本发明提供的技术方案为：一种LED外延片，包括依次叠置的衬底、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、铝镓氮/氮化镓多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层、P型接触层、P型电极；
所述的P型铝镓氮层为Si掺杂的多层极化诱导AlxGa1-xN层，x＝0.3→0.05。
在上述的LED外延片中，所述的AlxGa1-xN层的总厚度为90nm。
在上述的LED外延片中，所述的AlxGa1-xN层的Si掺杂浓度为1-2×1018cm-3。
在上述的LED外延片中，所述的AlxGa1-xN层的极化层数为2-3层。
同时，本发明还公开了一种如上所述的LED外延片的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，将蓝宝石衬底，在氢气气氛、 1280℃、反应室压力100torr下，Bake处理5分钟；然后降低温度，在625℃、反应室压力650torr、H2气氛下，三维生长低温GaN成衬底；
步骤二，在1240℃左右、反应室压力为600torr、H2气氛下，生长2.5-3 微米厚的高温非掺杂GaN缓冲层；
步骤三，在1240℃左右、反应室压力为250-300torr下,生长n型GaN层，电子掺杂浓度为2×1018cm-3。
步骤四，在1200℃左右、氮气(N2)气氛下，反应室压力100torr,接着生长6周期的Al0.15Ga0.85N/GaN多量子阱有源层；Al0.15Ga0.85N垒层厚度为9nm左右，肼层厚度为3nm左右得到铝镓氮/氮化镓多量子阱层；
步骤五，在1200℃、N2气氛下，反应室压力100-200torr,在有源层上，生长电子阻挡层，电子阻挡层的厚度为15nm。其中，电子阻挡层的空穴浓度为1.0-2.0×1017cm-3；
步骤六，在1200℃、N2气氛下，反应室压力100torr,生长90nm的p型 AlxGa1-xN多重极化诱导掺杂层；其中，空穴浓度为1-2×1017cm-3；
步骤七，在800℃、H2气氛下，反应室压力200-300torr,生长10nm的p 型GaN接触层；其中，空穴浓度为1.0-2.0×1018cm-3。。
有益效果：
本发明提供的LED外延片主要利用多层极化诱导掺杂铝镓氮材料能够利用其极化效应来形成一个内建电场，在外延片内的异质界面上由大的极化差诱导产生高浓度的二维空穴气，由于二维空穴气具有高的空穴浓度和高的迁移率，可以提高空穴在N型氮化镓层的横向运动，从而提高载流子的注入效率，同时也在一定程度上可以防止电子的泄漏，进而提高LED的发光效率和内量子效率。且本发明提供的LED外延片结构简单、工艺简便，生产方便，适于工业化生产的需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-3以及对比例1的P型层的结构示意图。
图2为实施例1-3以及对比例1的电流-电压曲线图。
图3为实施例1-3以及对比例1的输出功率-电流曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
对比例1：
LED外延片的制备方法包括以下步骤：
(1)在MOCVD反应室中把晶型为(0001)面的蓝宝石衬底加热，氢气气氛下去除表面H2O和O2；
(2)按常规方法生长不掺杂氮化镓缓冲层；
(3)按常规方法生长n型掺杂的氮化镓；掺杂元素为Si原子，掺杂浓度为 2×1018cm-3。
(4)按常规方法生长6个周期的Al0.15Ga0.85N/GaN多量子阱结构，其中阱层厚度为3nm，垒层厚度为9nm，掺杂元素为Si原子掺杂浓度为1.0-2.0×1017cm-3
(5)按常规方法生长电子阻挡层，电子阻挡层厚度为15nm,掺杂元素为 Mg,Mg原子掺杂浓度为1.0-2.0×1017cm-3。
(6)按常规方法生长p型层,p型层厚度为90nmAl0.175Ga0.825N,掺杂元素为 Mg,Mg原子掺杂浓度为1.0-2.0×1018cm-3；
(7)最后生长按常规方法生长LED接触层,LED接触层为10nm的GaN，掺杂元素为Mg,Mg原子掺杂浓度为1.0-2.0×1018cm-3。
(8)采用极化诱导掺杂技术的实施例1则将对比例1的p型层改为Al组分由 0.3渐减至0.05的p型AlGaN，厚度也为90nm，且具有与对比例1相同的平均 Al组分。
(9)实施例2则将实施例1中Al组分由0.3渐变至0.05的p型AlGaN层拆分成两个45nm的p型AlGaN极化诱导掺杂渐变层，每一层的Al组分都是由0.3 渐变至0.05，因此平均Al组分与前两个实施例相同。
(10)而实施例3则将实施例1中Al组分由0.3渐变至0.05的p型AlGaN层拆分成三个30nm的p型AlGaN极化诱导掺杂渐变层,每一层的Al组分都是由 0.3渐变至0.05，因此实验中的四个实施例中的p型层具有相同的厚度和平均Al 组分。
(11)将四个实施例从MOCVD中取出，并制成芯片。
实施例1
与对比例1大体相同，不同的地方在于，采用极化诱导掺杂技术将对比例1 的p型层改为Al组分由0.3渐减至0.05的p型AlGaN，厚度也为90nm，且具有与对比例1相同的平均Al组分。
实施例2
与实施例1大体相同，不同的地方在于，将实施例1中Al组分由0.3渐变至0.05的p型AlGaN层拆分成两个45nm的p型AlGaN极化诱导掺杂渐变层，每一层的Al组分都是由0.3渐变至0.05，因此平均Al组分与前实施例1相同。
实施例3
与实施例1大体相同，不同的地方在于，将实施例1中Al组分由0.3渐变至0.05的p型AlGaN层拆分成三个30nm的p型AlGaN极化诱导掺杂渐变层, 每一层的Al组分都是由0.3渐变至0.05，因此平均Al组分与前实施例1相同。
图1为实施例1-3以及对比例1的P型层的结构示意图。
图2为三个实施例以及对比例1的电流-电压曲线图。我们可以发现实施例 1-3的正向电压低于对比例1。这结果显示出当采用极化诱导掺杂技术来制作p 型层可以显著地降低紫外LED的正向电压，表明了这种p型层相对于普通的p 型层具有更低的电阻率。而且由于四个实施例的p层具有相同的厚度以及相同的平均Al组分，所以实施例1中更低的电阻率是因为其极化诱导掺杂的p层中具有更高的空穴浓度。另一方面，实施例1-3的正向电压依次递减，而这个差别来源于实施例极化诱导掺杂层数。研究表明，极化诱导掺杂下的AlGaN中的空穴浓度正比于其渐变的程度Δx/d。层数越高，意味着渐变处的Δx/d越大，空穴浓度越大，从而影响到实施例的电阻率，因此实施例1-3的正向电压依次递减。
图3显示出对比例1和实施例1的输出功率基本相同，而实施例2、3的输出功率比实施例1、对比例1要高。以此可以推断出在拥有相同的P形层厚度和 Al组分相同的时候，发光功率随极化诱导掺杂p型层数量增加而提升，推测是由于渐变处的Δx/d增大，空穴浓度上升，间接影响了辐射复合效率，从而提升了发光功率。
除此之外当采用三个以上的极化诱导掺杂的AlxGa1-xN层时，每层的厚度相对较薄。在实际实验中，太薄的极化掺杂AlxGa1-xN层难以生长和成形，这将影响p型层的整体结构，对结构总体的发光功率和内量子效率造成很大破坏。因此，本发明没有选取3层以上的极化诱导掺杂AlxGa1-xN层。
结果表明，本发明中多层极化诱导掺杂p型层可明显提高LED光输出功率，降低其电阻率，其中3层多层极化诱导掺杂p型层的性能尤为突出。改进可归因于空穴注入的增加和电子泄漏的减少。这增强了辐射复合速率并降低了效率下降。三层极化诱导掺杂p型层可以应用于其他改进，并将在未来的UV LED的发展中发挥重要作用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种LED外延片，其特征在于：包括依次叠置的衬底、氮化镓缓冲层、N型氮化镓层、铝镓氮/氮化镓多量子阱层、电子阻挡层、P型铝镓氮层、P型接触层、P型电极；
所述的P型铝镓氮层为Mg掺杂的多层极化诱导AlxGa1-xN层，x＝0.3→0.05。
2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的AlxGa1-xN层的总厚度为90nm。
3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的AlxGa1-xN层的Mg掺杂浓度为1-2×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的AlxGa1-xN层的极化层数为2-3层。
5.一种如权利要求1-4任一所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，在金属有机化合物气相外延反应室中，将蓝宝石衬底，在氢气气氛、1280℃、反应室压力100torr下，Bake处理5分钟；然后降低温度，在625℃、反应室压力650torr、H2气氛下，三维生长低温GaN成衬底；
步骤二，在1240℃左右、反应室压力为600torr、H2气氛下，生长2.5-3微米厚的高温非掺杂GaN缓冲层；
步骤三，在1240℃左右、反应室压力为250-300torr下,生长n型GaN层，电子掺杂浓度为2×1018cm-3；
步骤四，在1200℃左右、氮气(N2)气氛下，反应室压力100torr,接着生长6周期的Al0.15Ga0.85N/GaN多量子阱有源层；Al0.15Ga0.85N垒层厚度为9nm左右，肼层厚度为3nm左右得到铝镓氮/氮化镓多量子阱层；
步骤五，在1200℃、N2气氛下，反应室压力100-200torr,在有源层(105)上，生长电子阻挡层，电子阻挡层的厚度为15nm；其中，电子阻挡层的空穴浓度为1.0-2.0×1017cm-3；
步骤六，在1200℃、N2气氛下，反应室压力100torr,生长90nm的p型AlxGa1-xN多重极化诱导掺杂层；其中，空穴浓度为1-2×1017cm-3；
步骤七，在800℃、H2气氛下，反应室压力200-300torr,生长10nm的p型GaN接触层；其中，空穴浓度为1.0-2.0×1018cm-3。
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