CN108831978A - 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，属于半导体技术领域。发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层，其中有源层包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1‑2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，BxIn1.5xGa1‑2.5xN阱层中B组分和In组分的比值为2:3，可以使得BxIn1.5xGa1‑2.5xN阱层和GaN垒层的晶格常数相匹配，提高有源层的晶体质量，同时每层BxIn1.5xGa1‑2.5xN阱层的厚度为4～20nm，相比于现有的厚度为2～4nm的InGaN阱层，厚度更厚，可以提高有源层中载流子的浓度，减轻LED的droop效应，从而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的GaN基LED外延片包括衬底和层叠设置在所述衬底上的缓冲层、不掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层。其中，有源层包括多个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。
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：
由于InGaN阱层和GaN垒层之间存在较大的晶格常数差异，在生长InGaN阱层时，随着InGaN阱层生长厚度的增加，InGaN阱层和GaN垒层之间会产生较大的适配应力，从而导致有源层的晶体质量严重下降，因此现有的InGaN阱层通常设置的较薄，一般在2～4nm之间。且随着电流密度的增加，现有的GaN基LED的光电转换效率也会严重下降，即产生droop效应(droop效应是指向芯片输入较大电流时LED的光效反而会降低的现象)。研究证明高载流子浓度下的俄歇复合(半导体中，载流子从高能级到低能级跃迁，电子与空穴复合时把能量通过碰撞而转移给另一个电子或者另一个空穴的复合过程叫俄歇复合)为产生droop效应的主要原因，而InGaN阱层设置的较薄，会限制有源层中载流子的浓度，载流子浓度越少，则俄歇复合现象越明显，从而会加剧LED的droop效应，降低LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术中InGaN阱层设置的较薄，会加剧LED的droop效应，降低LED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造方法。所述技术方案如下：
一方面，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、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，每层所述BxIn1.5xGa1- 2.5xN阱层的厚度为4～20nm。
进一步地，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为8nm。
进一步地，5≤N≤10。
进一步地，每层所述GaN垒层的厚度为10～30nm。
另一方面，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长缓冲层、未掺杂的GaN层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为4～20nm；
在所述有源层上生长P型层。
进一步地，在所述N型层上生长有源层，包括：
在生长温度为700-820℃，生长压力为150-300torr的环境下，以三乙基硼、三甲基铟和三乙基镓为原料，氮气为载气，生长所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层。
进一步地，在所述N型层上生长有源层，包括：
在生长温度为840-900℃，生长压力为150-300torr的环境下，生长所述GaN垒层。
进一步地，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为8nm。
进一步地，5≤N≤10。
进一步地，每层所述GaN垒层的厚度为10～30nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将有源层设置成包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，由于BGaN的晶格常数为2.53，InGaN的晶格常数为3.538，根据维加德定律，当BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层中B组分和In组分的比值为2:3时，可以使得BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层最终的晶格常数变为3.181，而GaN垒层的晶格常数为3.181，因此此时BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层的晶格常数相匹配，可以提高有源层的晶体质量，同时每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度可以为4～20nm，相比于现有的厚度为2～4nm的InGaN阱层，本发明中BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度更厚，使得有源层中载流子的浓度增加，提高了电子和空穴在有源层的复合发光率，减少了俄歇复合现象的发生，从而减轻了LED的droop效应，提高了LED的发光效率。
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的方法流程图。
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
本发明提供了一种发光二极管外延片，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，如图1所示，发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型层4、有源层5和P型层6。有源层5包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51和GaN垒层52，0＜x＜1，1≤N，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度为4～20nm。
本发明实施例通过将有源层设置成包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，由于BGaN的晶格常数为2.53，InGaN的晶格常数为3.538，根据维加德定律，当BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层中B组分和In组分的比值为2:3时，可以使得BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层最终的晶格常数变为3.181，而GaN垒层的晶格常数为3.181，因此此时BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层的晶格常数相匹配，可以提高有源层的晶体质量，同时每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度可以为4～20nm，相比于现有的厚度为2～4nm的InGaN阱层，本发明中BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度更厚，使得有源层中载流子的浓度增加，提高了电子和空穴在有源层的复合发光率，减少了俄歇复合现象的发生，从而减轻了LED的droop效应，提高了LED的发光效率。
优选地，1≤N≤15，若N的取值小于1，则电子和空穴无法在有源层复合发光，若N的取值大于15，则会导致有源层的厚度过厚，影响LED的发光效率。
更优选地，5≤N≤10，此时LED的发光效率最好。
其中，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度为4～20nm，若每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度小于4nm，会导致阱层太薄，限制有源层中载流子的浓度，从而影响LED的发光效率，若每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度大于20nm，会造成每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度过厚，造成浪费。
优选地，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度为8～12nm。
更优选地，BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度为8nm。此时可以较好的实现LED的大电流注入特性。
进一步地，每层GaN垒层52的厚度为10～30nm。GaN垒层52的厚度相比于BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层51的厚度较厚，可以抑制载流子泄露，从而提高LED的发光效率。
在本实施例中，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以为AlN层，厚度为5～40nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为1-2um。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为1.5-3.5um。
可选地，P型层6可以包括低温P型层61、电子阻挡层62、高温P型层63和P型接触层64。低温P型层61为厚度为20-100nm的GaN层，电子阻挡层62为厚度为20-100nm的AlGaN层，高温P型层63为厚度为8-50nm的GaN层，P型接触层64为厚度为1.5nm的重掺杂Mg的GaN层。
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造方法，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方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一衬底。
可选地，衬底为蓝宝石衬底。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)及三乙基硼(TEB)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100-600torr。
具体地，该步骤201包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5-20min。其中，反应室温度为1000-1200℃，反应室压力控制在200-500torr，对衬底进行氮化处理。
步骤202、在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，缓冲层为5～40nmAlN缓冲层。
具体地，将蓝宝石衬底在PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉淀)溅射炉内溅射一层5～40nm厚的AlN缓冲层。
步骤203、在缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
在缓冲层生长结束后，将溅射有AlN缓冲层的衬底放入MOCVD设备内，将反应室温度升高至1040°，生长厚度为1um的高温不掺杂的GaN层。
步骤204、在未掺杂的GaN层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层，厚度为2um。生长N型层时，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～300torr。
步骤205、在N型层上生长有源层。
在本实施例中，有源层包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为4～20nm，每层GaN垒层的厚度为10～30nm。
优选地，1≤N≤15，若N的取值小于1，则电子和空穴无法在有源层复合发光，若N的取值大于15，则会导致有源层的厚度过厚，影响LED的发光效率。
在本实施例中，5≤N≤10。
其中，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为4～20nm。若每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度小于4nm，会导致阱层太薄，限制有源层中载流子的浓度，从而影响LED的发光效率，若每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度大于20nm，会造成每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度过厚，造成浪费。
每层GaN垒层的厚度为10～30nm。GaN垒层的厚度相比于BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度较厚，可以抑制载流子泄露，从而提高LED的发光效率。
优选地，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为8～12nm。
更优选地，每层BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为8nm。此时可以较好的实现LED的大电流注入特性。
具体地，步骤205可以包括：
在生长温度为700-820℃，生长压力为150-300torr的环境下，以三甲基硼(TEB)、三甲基铟(TMIn)和三乙基镓(TEGa)为原料，氮气为载气，生长BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层。
在生长温度为840-900℃，生长压力为150-300torr的环境下，生长GaN垒层。
步骤206、在有源层上生长低温P型层。
在本实施例中，低温P型层为GaN层，厚度为30nm。生长温度为700～900℃，生长压力为150～250torr。
步骤207、在低温P型层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为AlGaN层，厚度为25nm。生长温度为900～1000℃，生长压力为100～600torr。
步骤208、在电子阻挡层上生长高温P型层。
可选地，高温P型层为GaN层，厚度为20nm。生长温度为980℃，生长压力为100～600torr。
步骤209、在高温P型层上生长P型接触层。
在本实施例中，P型接触层为重掺杂Mg的GaN层，厚度为1.5nm。生长温度为700～800℃，生长压力为300～600torr。
在结束氮化镓基发光二极管外延片的生长之后，将反应室的温度降至800℃，在纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延工艺生长。
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、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层，其特征在于，所述有源层包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为4～20nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为8nm。
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，5≤N≤10。
4.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，每层所述GaN垒层的厚度为10～30nm。
5.一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长缓冲层、未掺杂的GaN层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括N个周期交替生长的BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层和GaN垒层，0＜x＜1，1≤N，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为4～20nm；
在所述有源层上生长P型层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，在所述N型层上生长有源层，包括：
在生长温度为700-820℃，生长压力为150-300torr的环境下，以三乙基硼、三甲基铟和三乙基镓为原料，氮气为载气，生长所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，在所述N型层上生长有源层，包括：
在生长温度为840-900℃，生长压力为150-300torr的环境下，生长所述GaN垒层。
8.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，每层所述BxIn1.5xGa1-2.5xN阱层的厚度为8nm。
9.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，5≤N≤10。
10.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，每层所述GaN垒层的厚度为10～30nm。
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