CN109256444B - 一种发光二极管的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的外延片及其制备方法，属于发光二极管制造领域。由于设置在靠近N型GaN层一侧的第一超晶格结构中的AlGaN垒层的势垒高于第一超晶格结构与电子阻挡层之间的第二超晶格结构中的GaN垒层的势垒，AlGaN垒层可将大部分电子阻挡在第一超晶格结构中的InGaN阱层中。这种情况下部分来自P型GaN层的空穴在进入有源层时，不会立刻与电子复合发光，在空穴的迁移速率不变的情况下，空穴能够进入有源层的深度增加，空穴除了可与被阻挡在第一超晶格结构中的InGaN阱层中的电子进行复合发光之外，部分空穴还可与部分已迁移至第二超晶格结构中的电子进行复合发光，在有源层中有机会与电子进行复合发光的空穴的数量增加，最终提高了发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管制造领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及在衬底上生长出的外延层。其中，外延层的结构主要包括：依次生长在衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层。
通常有源层包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。由于有源层中的电子的移动速度快于有源层中的空穴的移动速度，因此在这种有源层结构中，来自P型GaN层的空穴在通过电子阻挡层进入有源层时，来自N型GaN层的电子已经在有源层中移动到靠近电子阻挡层的量子阱中。这些集中在靠近电子阻挡层的量子阱中的电子与进入有源层的空穴在靠近电子阻挡层的量子阱中进行复合发光，使得来自P型GaN层的空穴无法深入到有源层中与电子进行复合发光。有源层中进行复合发光的区域集中在靠近电子阻挡层的个别量子阱中，有源层的量子阱没有被充分利用，发光二极管的发光效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法，能够提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底及依次层叠设置在所述衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，
所述有源层包括依次层叠的第一超晶格结构和第二超晶格结构，所述第一超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第二超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格结构中GaN垒的数量。
可选地，所述第一超晶格结构中的AlGaN垒层为AlxGa1-xN垒层，所述有源层还包括第三超晶格结构，所述第三超晶格结构设置在所述第一超晶格结构与所述第二超晶格结构之间，所述第三超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第三超晶格结构中的AlGaN垒层为AlyGa1-yN垒层，0＜x＜y＜1。
可选地，0.05＜x＜0.3，0.1＜y＜0.4。
可选地，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量和所述第三超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格结构中GaN垒的数量。
可选地，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于所述第三超晶格结构中AlGaN垒层的数量。
可选地，所述电子阻挡层包括AlzGa1-zN层，z＜y。
可选地，z与y的比值的范围为1:1～1:3。
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长低温GaN缓冲层；
在所述低温GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层；
在所述有源层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型GaN层，
其中，所述有源层包括依次层叠的第一超晶格结构和第二超晶格结构，所述第一超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第二超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格结构中GaN垒的数量。
可选地，所述AlGaN垒层的生长温度与所述GaN垒层的生长温度相同。
可选地，所述AlGaN垒层的生长温度为850～950℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：由于设置在靠近N型GaN层一侧的第一超晶格结构中的AlGaN垒层的势垒高于第一超晶格结构与电子阻挡层之间的第二超晶格结构中的GaN垒层的势垒，AlGaN垒层可将大部分电子阻挡在第一超晶格结构中的InGaN阱层中。这种情况下部分来自P型GaN层的空穴在进入有源层时，不会立刻与电子复合发光，在空穴的迁移速率不变的情况下，空穴能够进入有源层的深度增加，空穴除了可与被阻挡在第一超晶格结构中的InGaN阱层中的电子进行复合发光之外，部分空穴还可与部分已迁移至第二超晶格结构中的电子进行复合发光，在有源层中有机会与电子进行复合发光的空穴的数量增加，最终提高了发光二极管的发光效率。
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的外延片的结构图；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图3～图4为本发明实施例提供的一种实施例的外延片结构流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构图。如图1所示，该外延片包括衬底1及依次层叠设置在衬底1上的低温GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6及P型GaN层7。
第一超晶格结构51设置在靠近N型GaN层4的一侧，第一超晶格结构51包括交替层叠的InGaN阱层511与AlGaN垒层512，第二超晶格结构52包括交替层叠的InGaN阱层521与GaN垒层522。第一超晶格结构51中AlGaN垒层512的数量小于或等于第二超晶格结构52中GaN垒522的数量。
由于设置在靠近N型GaN层4一侧的第一超晶格结构51中的AlGaN垒层512512的势垒高于第一超晶格结构51与电子阻挡层6之间的第二超晶格结构52中的GaN垒层522的势垒，AlGaN垒层512可将大部分电子阻挡在InGaN阱层511中。这种情况下部分来自P型GaN层7的空穴在进入有源层5时，不会立刻与电子复合发光，在空穴的迁移速率不变的情况下，空穴能够进入有源层5的深度增加，空穴除了可与被阻挡在InGaN阱层511中的电子进行复合发光之外，部分空穴还可与部分已迁移至InGaN阱层521中的电子进行复合发光，在有源层5中有机会与电子进行复合发光的空穴的数量增加，最终提高了发光二极管的发光效率。
可选地，低温GaN缓冲层2的厚度可为15～35nm，未掺杂GaN层3的厚度可为0.1至2.0μm。这种设置可减小衬底1与在未掺杂GaN层3上生长的外延层之间的晶格失配，保证外延层的成膜质量。
其中，N型GaN层4中的掺杂元素可为Si，Si的掺杂浓度可为1018cm-3-1019cm-3。
进一步地，N型GaN层4的厚度可为1～5μm。
示例性地，第一超晶格结构51中的AlGaN垒层512为AlxGa1-xN垒层，有源层5还包括第三超晶格结构53，第三超晶格结构53设置在第一超晶格结构51与第二超晶格结构52之间。第三超晶格结构53包括交替层叠的多个InGaN阱层531与多个AlyGa1-yN垒层532，其中，0＜x＜y＜1。靠近N型GaN层一侧的AlxGa1-xN垒层中的Al组分含量低于靠近GaN垒层一侧的AlyGa1-yN垒层中Al组分的含量，可将电子部分阻挡在AlxGa1-xN垒层中、部分阻挡在AlyGa1-yN垒层中，调整电子在有源层中的分布，避免出现电子集中在某几个量子阱中的情况出现，可使得发光二极管的发光更加均匀。
可选地，第一超晶格结构51中AlGaN垒层512的数量和第三超晶格结构53中AlGaN垒层532的数量小于或等于第二超晶格结构52中GaN垒522的数量。这种设置可在通过AlGaN垒层能够限制电子的移动的同时保证进入有源层中的空穴的数量足够，空穴进入有源层的深度足够，有利于提高发光二极管的发光效率。
其中，0.05＜x＜0.3，0.1＜y＜0.4。将AlxGa1-xN垒层及AlyGa1-yN垒层中的Al组分含量分别设置在以上范围，可保证AlxGa1-xN垒层与AlyGa1-yN垒层在保证足够的电进入有源层的同时有效起到阻挡电的作用。
进一步地，第一超晶格结构51中AlGaN垒层512的数量小于第三超晶格结构53中AlGaN垒层532的数量。这种设置可使得第一超晶格结构51中AlGaN垒层512在初步阻挡电后，使第三超晶格结构53中AlGaN垒层532能够阻挡大部分电，使发光二极管的发光更加均匀。且也可降低制作发光二极管整体所需的成本。
示例性地，InGaN阱层511的厚度、第二超晶格结构阱层521的厚度以及第三超晶格结构531的厚度均可为3nm。在本发明的其他情况中，阱层的厚度也可为4nm、3.5nm或者其他厚度，本发明对此不做限制。
可选地，AlxGa1-xN垒层512的厚度、AlyGa1-yN垒层532的厚度以及GaN垒层的厚度均可相同，GaN垒层的厚度可为8～20nm。
可选地，InGaN阱层511的层数、InGaN阱层521的层数、InGaN阱层531的层数之和为8～15。
AlxGa1-xN层512的层数、AlyGa1-yN层532的层数及GaN垒层522的层数之和为8～15。
在本发明实施例中，电子阻挡层6可包括AlzGa1-zN层，其中z＜y。由于有源层中的AlxGa1-xN子垒层及AlyGa1-yN子垒层起到了阻挡电子迁移过快进入P型GaN层中的作用，因此可适当降低AlzGa1-zN电子阻挡层的势垒，使得更多的空穴可移动至有源层中与电子复合发光，提高发光二极管的发光效率。
进一步地，电子阻挡层6中，0.1＜z＜0.5。这种设置在保证电子阻挡层能够有效阻挡电子的同时，也可保证发光二极管的发光效率。
可选地，在本实施例中，电子阻挡层6可为P型掺杂的电子阻挡层，P型掺杂的电子阻挡层可提供较多的空穴，提高进入有源层与电子复合的空穴数量。
进一步地，z与y的比值的范围为1:1～1:3。将y与z的比值设置在此范围内时，能较好地提高发光二极管发光的发光效率。
其中，电子阻挡层6的厚度可为50nm～150nm。
示例性地，P型GaN层7的厚度可为100～200nm。
可选地，在本发明实施例提供的其他外延层结构中，低温GaN缓冲层2与衬底1之间还可设置AlN缓冲层，以进一步减小衬底1与衬底1上生长的N型GaN层4之间的晶格失配。
且P型GaN层7上也可生长P型接触层，以为发光二极管的后续制作做准备。本发明对此不做限制。其中P型接触层的厚度可为5～300nm。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图2所示，该制备方法包括：
步骤S1：提供一衬底。
其中，衬底可使用蓝宝石衬底。
可选地，在衬底上生长外延层之前，还可将衬底在氢气气氛中退火8min，以清洁衬底的表面，保证在衬底上生长的外延层的质量。
衬底在氢气气氛中退火时，其退火温度为1000～2000℃。
步骤S2：在衬底上生长低温GaN缓冲层。
其中，低温GaN缓冲层的生长压力可控制在400～600torr，低温GaN缓冲层的生长温度可为400～600℃。
可选地，低温GaN缓冲层的生长厚度可为15～35nm。
示例性地，步骤S2还可包括对低温GaN缓冲层进行退火处理，低温GaN缓冲层的退火时间为5～10min，退火温度为1000～2000℃。以保证在低温GaN缓冲层上生长的外延层的质量。
步骤S3：在低温GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层。
未掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力可为100～300Torr。在此条件下生长得到的未掺杂GaN层的质量较好。
示例性地，未掺杂GaN层的厚度可为1～5μm。
步骤S4：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
N型GaN层的厚度可为1～5μm。
可选地，N型GaN层的掺杂元素为Si元素，Si元素的掺杂浓度为2×1017cm-3。
执行完步骤S4之后的外延层的结构示意图如图3所示，衬底1上依次层叠有低温GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4。
其中，N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，生长压力可为100～300Torr。
步骤S5：在N型GaN层上生长有源层。
其中，有源层包括依次层叠的第一超晶格结构和第二超晶格结构，第一超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，第二超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于第二超晶格结构中GaN垒的数量。可选地，AlGaN垒层的生长温度与GaN垒层的生长温度可相同。便于对AlGaN垒层与GaN垒层的生长进行控制。
进一步地，AlGaN垒层的生长温度为850～950℃。在这种温度下生长得到的AlGaN垒层与GaN垒层的生长质量较好，能够保证有源层的整体质量。
示例性地，第一超晶格结构中的AlGaN垒层为AlxGa-xN垒层，有源层还包括第三超晶格结构，第三超晶格结构设置在第一超晶格结构与第二超晶格结构之间。第三超晶格结构包括交替层叠的InGaN阱层与AlyGa-yN垒层，其中，x＜y。靠近N型GaN层一侧的AlxGa-xN垒层中的Al组分含量低于靠近GaN垒层一侧的AlyGa-yN垒层中Al组分的含量，可将电子部分阻挡在AlxGa-xN垒层中、部分阻挡在AlyGa-yN垒层中，调整电子在有源层中的分布，避免出现电子集中在某几个量子阱中的情况出现，可使得发光二极管的发光更加均匀。
可选地，InGaN阱层的厚度、第二超晶格结构阱层的厚度以及第三超晶格结构的厚度均可为3nm，InGaN阱层的温度、第二超晶格结构阱层的温度以及第三超晶格结构的温度均可为750～820℃间，InGaN阱层的生长压力、第二超晶格结构阱层的生长压力以及第三超晶格结构的生长压力均可为100Torr与300Torr之间。
可选地，AlxGa1-xN垒层的厚度、AlyGa1-yN垒层的厚度以及GaN垒层的厚度均可相同，GaN垒层的厚度可为8～20nm。
AlyGa1-yN垒层的生长温度也可与GaN垒层的生长温度相同。
执行完步骤S5之后的外延片的结构可如图4所示，包括衬底1及依次层叠设置在衬底1上的低温GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4及有源层5。有源层5包括依次层叠的第一超晶格结构51与第二超晶格结构52，第一超晶格结构51包括交替层叠的InGaN阱层511与AlGaN垒层512，第二超晶格结构52包括交替层叠的InGaN阱层521与GaN垒层522。
步骤S6：在有源层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层的生长温度可为850～1050℃，生长压力可为100～500Torr。
电子阻挡层的生长厚度可为50～150nm。
电子阻挡层可包括AlzGa1-zN电子阻挡层，其中z＜y，0.1＜z＜0.5。
步骤S7：在有源层上生长P型GaN层。
在本实施例中，P型GaN层的生长温度可为750～1050℃，生长压力可为200～600Torr。
P型GaN层的生长厚度可为5～300nm。
执行完步骤S7之后的外延片的结构示意图可如图1所示，有源层5上还依次生长有电子阻挡层6与P型GaN层7。
可选地，在执行完步骤S7之后可在氮气气氛中对外延片进行退火处理，退火温度可为650～850℃，退火时长可为5～15min。
示例性地，在本发明的其他实施例中，还可在低温GaN缓冲层与衬底之间生长一层AlN缓冲层，以减小衬底与衬底上生长的N型GaN层之间的晶格失配。
示例性地，在本发明的其他实施例中，P型GaN层7上还可生长P型接触层，厚度为5nm至300nm之间，生长温度区间为850～1050℃，生长压力区间为100～600Torr。
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 (9)
1.一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底及依次层叠设置在所述衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，其特征在于，
所述有源层包括依次层叠的第一超晶格结构和第二超晶格结构，所述第一超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第二超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格结构中GaN垒的数量，所述第一超晶格结构中的AlGaN垒层为AlxGa1-xN垒层，所述有源层还包括第三超晶格结构，所述第三超晶格结构设置在所述第一超晶格结构与所述第二超晶格结构之间，所述第三超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第三超晶格结构中的AlGaN垒层为AlyGa1-yN垒层，0＜x＜y＜1。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，0.05＜x＜0.3，0.1＜y＜0.4。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量和所述第三超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格结构中GaN垒的数量。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于所述第三超晶格结构中AlGaN垒层的数量。
5.根据权利要求1～4任一项所述的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层包括AlzGa1-zN层，z＜y。
6.根据权利要求5所述的外延片，其特征在于，z与y的比值的范围为1:1～1:3。
7.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长低温GaN缓冲层；
在所述低温GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长有源层；
在所述有源层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型GaN层，
其中，所述有源层包括依次层叠的第一超晶格结构和第二超晶格结构，所述第一超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第二超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个GaN垒层，所述第一超晶格结构中AlGaN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格结构中GaN垒的数量，所述第一超晶格结构中的AlGaN垒层为AlxGa1-xN垒层，所述有源层还包括第三超晶格结构，所述第三超晶格结构设置在所述第一超晶格结构与所述第二超晶格结构之间，所述第三超晶格结构包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层，所述第三超晶格结构中的AlGaN垒层为AlyGa1-yN垒层，0＜x＜y＜1。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述AlGaN垒层的生长温度与所述GaN垒层的生长温度相同。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述AlGaN垒层的生长温度为850～950℃。
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