CN109326690A - 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。在N型GaN层与有源层之间设置超晶格结构，由于该超晶格结构中的AlxGa1‑xN层与AlyGa1‑yN层的势垒较高，电子在由N型GaN层进入有源层时，会受到AlxGa1‑xN层与AlyGa1‑yN层的阻挡，进而使得电子在进入有源层时能够横向扩展，电子进入有源层的面积增大，而AlxGa1‑xN层的势垒相较AlyGa1‑yN层的势垒低，使得电子被AlxGa1‑xN层与AlyGa1‑yN层分流阻挡，电子不会拥堵在AlxGa1‑xN层处或AlyGa1‑yN层处，电子能够更为均匀地进入有源层。这种超晶格结构能够实现对发光二极管中的电流进行良好且均匀地扩展，进而提高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缓冲层、N型GaN层、应力释放层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层。其中，应力释放层通常可起到释放外延层中的应力与位错的作用，保证外延层整体的晶体质量，进而保证发光二极管的发光效率。
常用的应力释放层为InGaN/GaN的周期性结构，但这种应力释放层主要起到的是释放外延片中的应力的作用，由于GaN层的势垒较低，这种结构并不能对外延层中的电子起到良好的阻挡作用，进而不能良好地扩展电流，使得发光二极管的发光效率仍然较低。
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缓冲层、N型GaN层、超晶格结构、有源层及P型GaN层，所述超晶格结构包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层，其中，0＜x＜y≤1。
可选地，0＜x＜0.5。
可选地，0.5＜y≤1。
可选地，所述InGaN层的厚度为1～4nm，所述AlxGa1-xN层的厚度与所述AlyGa1-yN层的厚度之和为30～60nm。
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；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长超晶格结构；
在所述超晶格结构上生长有源层；
在所述有源层上生长P型GaN层，
其中，所述超晶格结构包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层，其中，0＜x＜y≤1。
可选地，所述超晶格结构的生长温度为800～900℃。
可选地，所述超晶格结构的生长压力为200～300℃。
可选地，在生长所述AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层时，
向反映腔内通入的气态Al的流量为10～100sccm。
可选地，在生长所述InGaN层时，
向反映腔内通入的气态In的流量为800～1600sccm。
可选地，所述方法还包括：
在所述衬底上生长缓冲层之前，在氢气气氛中对所述衬底进行退火处理。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在N型GaN层与有源层之间设置超晶格结构，由于该超晶格结构中的AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的势垒较高，电子在由N型GaN层进入有源层时，会受到AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的阻挡，进而使得电子在进入有源层时能够横向扩展，电子进入有源层的面积增大，而AlxGa1-xN层的势垒相较AlyGa1-yN层的势垒低，使得电子被AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层分流阻挡，电子不会拥堵在AlxGa1-xN层处或AlyGa1-yN层处，电子能够更为均匀地进入有源层。这种超晶格结构能够实现对发光二极管中的电流进行良好且均匀地扩展，进而提高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示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图3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4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程。
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示意图。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上的缓冲层2、N型GaN层3、超晶格结构4、有源层5及P型GaN层6，超晶格结构4包括交替层叠的InGaN层41、AlxGa1-xN层42与AlyGa1-yN层43，其中，0＜x＜y≤1。
在N型GaN层与有源层之间设置超晶格结构，由于该超晶格结构中的AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的势垒较高，电子在由N型GaN层进入有源层时，会受到AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的阻挡，进而使得电子在进入有源层时能够横向扩展，电子进入有源层的面积增大，而AlxGa1-xN层的势垒相较AlyGa1-yN层的势垒低，使得电子被AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层分流阻挡，电子不会拥堵在AlxGa1-xN层处或AlyGa1-yN层处，电子能够更为均匀地进入有源层。这种超晶格结构能够实现对发光二极管中的电流进行良好且均匀地扩展，进而提高发光二极管的发光效率。
同时，这种包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的超晶格结构也可起到释放外延层中的应力的作用，能够保证外延片整体的质量，进而保证发光二极管的发光效率。
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图。如图2所示，该外延片可包括衬底1及依次层叠设置在衬底1上的缓冲层2、N型GaN层3、N型电流扩展层7、超晶格结构4、有源层5、电子阻挡层8、P型GaN层6及欧姆接触层9，超晶格结构4包括交替层叠的InGaN层41、AlxGa1-xN层42与AlyGa1-yN层43，其中，0＜x＜y≤1。
如图2所示，缓冲层2可包括低温GaN缓冲层21与未掺杂GaN层22。
其中，低温GaN缓冲层21的厚度可为15～30nm，未掺杂GaN层22的厚度可为0.8至3.0μm。这种设置可减小衬底1与在N型GaN层4之间的晶格失配，保证外延层的成膜质量。
示例性地，N型GaN层3的厚度可为2～3μm。
其中，N型GaN层3中的掺杂元素可为Si，Si在N型GaN层3中的掺杂浓度可为5×1018cm-3。
可选地，N型电流扩展层7可采用GaN材料制作，由于N型电流扩展层中Si掺杂的浓度较低)，N型电流扩展层7的设置可起到扩展电流的作用，进一步提高发光二极管的发光效率。
其中，N型电流扩展层7的厚度可为100～300nm。N型电流扩展层7中的掺杂元素可为Si，Si在N型电流扩展层7中的掺杂浓度可为2×1017cm-3。
可选地，超晶格结构4的AlxGa1-xN层中，0＜x＜0.5。AlxGa1-xN层中的Al组分设置在以上范围可保证超晶格结构能够有效起到电流扩展作用的同时，不会影响可进入有源层与空穴进行复合发光的电子的数量，保证发光二极管的发光效率。
进一步地，超晶格结构4的AlyGa1-yN层中，0.5＜y≤1。AlyGa1-yN层中的Al组分设置在以上范围可保证超晶格结构能够有效起到电流扩展作用的同时，不会影响可进入有源层与空穴进行复合发光的电子的数量，保证发光二极管的发光效率。
在本实施例中，有源层5可包括依次层叠的浅阱层51与发光阱层52。
其中，浅阱层51可包括交替层叠的InGaN阱层511和GaN垒层512，InGaN阱层511的厚度可为1～3nm，GaN垒层512的厚度可为6～12nm。
可选地，InGaN阱层的层数与GaN垒层512的层数均可为5～10。浅阱层设置在发光阱层之前可起到一定的应力释放的效果，保证发光阱层的晶体质量进而保证发光二极管的发光效率。
发光阱层52均包括交替层叠的InGaN量子阱层521和GaN量子垒层522。
其中，InGaN量子阱层521的厚度可为2～4nm，GaN量子垒层522的厚度可为10～15nm。
可选地，InGaN量子阱层521的层数与GaN量子垒层522的层数均可为9～15。
需要说明的是，InGaN阱层511中铟组分的含量为10％～30％。InGaN量子阱层521中铟组分的含量可为50％～70％，正是由于浅阱层51中In组分的含量比发光阱层52中In组分的含量少，使得电子在发光阱层52中与空穴主要复合发光而不会在浅阱层51中与空穴复合发光，浅阱层51主要起到应力释放的作用。
在本实施例中，电子阻挡层8可为P型AlGaN层。
电子阻挡层8中的掺杂元素可为Mg，且电子阻挡层6中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3。
P型GaN层6的厚度可为60～100nm，其掺杂元素可为Mg，P型GaN层6中的Mg的掺杂浓度不低于5×1019cm-3。
欧姆接触层9的设置可为发光二极管的芯片的后续制作做准备，可以在欧姆接触层9上制作P电极。欧姆接触层可以降低P电极的工作电压，可防止P电极的工作电压过大，而产生过多的热量造成能量的浪费。
欧姆接触层9可以采用GaN材料或InGaN材料生长，还可以在欧姆接触层9中掺入Mg或者Si，以形成P型欧姆接触层或者N型欧姆接触层，本发明对比不做限制。
图3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3所示，该制备方法包括：
S11：提供一衬底。
S12：在衬底上生长缓冲层。
S13：在缓冲层上生长N型GaN层。
S14：在N型GaN层上生长超晶格结构。
其中，超晶格结构包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层，其中，0＜x＜y≤1。
S15：在超晶格结构上生长有源层。
S16：在有源层上生长P型GaN层。
在N型GaN层与有源层之间设置超晶格结构，由于该超晶格结构中的AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的势垒较高，电子在由N型GaN层进入有源层时，会受到AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层的阻挡，进而使得电子在进入有源层时能够横向扩展，电子进入有源层的面积增大，而AlxGa1-xN层的势垒相较AlyGa1-yN层的势垒低，使得电子被AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层分流阻挡，电子不会拥堵在AlxGa1-xN层处或AlyGa1-yN层处，电子能够更为均匀地进入有源层。这种超晶格结构能够实现对发光二极管中的电流进行良好且均匀地扩展，进而提高发光二极管的发光效率。
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图4所示，该制备方法包括：
S21：提供一衬底。
其中，衬底的材料可为氮化镓单晶、蓝宝石、单晶硅、碳化硅单晶等。
在衬底上生长缓冲层之前，可在氢气气氛中对衬底进行退火处理。以对衬底的表面进行清洁处理，保证在衬底上生长的外延层的质量。
退火温度可为1040～1180℃。
进一步地，在对衬底进行退火处理之后还可对衬底进行氮化处理，即在衬底的表面生长AlN层，减小衬底与N型外延层之间的晶格失配。
S22：在衬底上生长缓冲层。
其中，缓冲层可包括低温GaN缓冲层与未掺杂GaN缓冲层。
可选地，低温GaN缓冲层的生长压力可控制在100～200torr，低温GaN缓冲层的生长温度可为500～600℃。
可选地，低温GaN缓冲层的生长厚度可为15～30nm。
示例性地，未掺杂GaN层的生长温度可为1100～1200℃，生长压力可为100～200Torr。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0.8～3μm。
S23：在缓冲层上生长N型GaN层。
示例性地，N型GaN层的厚度可为30～80nm。
可选地，N型GaN层的掺杂元素为Si元素，Si元素的掺杂浓度可为2×1017cm-3。
其中，N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，生长压力可为100～200Torr。
S24：在N型GaN层上生长N型电流扩展层。
N型电流扩展层可采用GaN材料制作。
示例性地，N型电流扩展层的厚度可为100～300nm。
可选地，N型电流扩展层的掺杂元素为Si元素，Si元素的掺杂浓度可为5×1018cm-3。
其中，N型电流扩展层的生长温度可为1000～1200℃，生长压力可为100～200Torr。
S25：在N型电流扩展层上生长超晶格结构。
其中，超晶格结构包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层，其中，0＜x＜y≤1。
可选地，超晶格结构的生长温度为800～900℃。在此温度条件下得到的超晶格结构的质量较好，能够减小外延片中的晶体缺陷。
可选地，超晶格结构的生长压力为200～300℃。在此生长条件下得到的超晶格结构的质量较好，能够减小外延片中的晶体缺陷。
示例性地，在生长AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层时，向反映腔内通入的气态Al的流量可为10～100sccm。在此条件下生长得到的超晶格结构能够在有效起到电流扩展作用的同时，不会影响可进入有源层与空穴进行复合发光的电子的数量，保证发光二极管的发光效率。
可选地，在生长超晶格结构中的InGaN层时，向反映腔内通入的气态In的流量可为800～1600sccm。在此条件下生长得到的超晶格结构能够在有效起到电流扩展作用的同时，不会影响可进入有源层与空穴进行复合发光的电子的数量，保证发光二极管的发光效率。
S26：在超晶格结构上生长有源层。
有源层可包括依次层叠的浅阱层与发光阱层。
其中，浅阱层可包括交替层叠的InGaN阱层和GaN垒层，InGaN阱层的厚度可为1～3nm，GaN垒层的厚度可为6)～12nm。
InGaN阱层的生长温度可为850～900℃，GaN垒层的生长温度可为850～900℃。InGaN阱层的生长压力可为100～300Torr，GaN垒层的生长压力可为100～300Torr。
发光阱层均包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
其中，InGaN量子阱层的厚度可为2～4nm，GaN量子垒层的厚度可为10～15nm。
InGaN量子阱层的生长温度可为800～850℃，GaN量子垒层的生长温度可为850～900℃。InGaN量子阱层的生长压力可为100～300Torr，GaN量子垒层的生长压力可为100～300Torr。
S27：在有源层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层可为P型AlGaN层。
电子阻挡层8中的掺杂元素可为Mg，且电子阻挡层6中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3。
S28：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
P型GaN层6的厚度可为60～100nm，其掺杂元素可为Mg，P型GaN层6中的Mg的掺杂浓度不低于5×1019cm-3。
高温P型层为生长温度在900～1000℃，其生长压力可为100～300Torr。
S29：在P型GaN层上生长欧姆接触层。
欧姆接触层9的设置可为发光二极管的芯片的后续制作做准备，可以在欧姆接触层9上制作P电极。欧姆接触层可以降低P电极的工作电压，可防止P电极的工作电压过大，而产生过多的热量造成能量的浪费。
可选地，在欧姆接触层9生长结束后，可将反映腔内的温度调至600～900℃，在纯氮气氛围下对外延片退火处理10～20分钟，并冷却至室温，结束外延片的生长。这种处理可激活外延层中的Mg原子，提高外延层中的空穴数量。
上述生长过程可以采用MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相淀积)法在MOCVD设备的反应腔中进行。
采用本发明实施例提供的另一种外延片结构，在本发明实施例提供的一种情况中，N型GaN层的生长温度为1100℃、Si的掺杂浓度为5×1018cm-3，N型GaN电流扩展层的生长温度为1100℃、Si的掺杂浓度为2×1017cm-3。
浅阱层包括6个2nm的InGaN阱层及6个70nm的GaN垒层，发光阱层组成由15个3nm的In0.18Ga0.82N量子阱层和15个10.5nm的GaN量子垒层组合成，P型电子阻挡层是P型Al0.16Ga0.84N层，P型Al0.16Ga0.84N层中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3，P型GaN层的生长温度为900～1000℃，P型GaN层的厚度为60～100nm，P型GaN层中Mg的掺杂浓度不低于5×1019cm-3。
超晶格结构的生长压力为200torr，超晶格结构中的InGaN层生长时向反映腔内通入的TEGa的流量为200sccm，超晶格结构中的InGaN层生长时向反映腔内通入的气态In的流量1000sccm，AlxGa1-xN层与AlxGa1-xN层生长时向反映腔内通入的TEGa的流量为160sccm。AlxGa1-xN层生长时向反映腔内通入的气态Al的流量为30sccm，AlyGa1-yNAl生长时向反映腔内通入的气态Al的流量为50sccm。超晶格结构中InGaN层的层数、AlxGa1-xN层的层数与AlxGa1-xN层的层数均为3。
对在此条件下得到的外延片进行清洗、沉积、光刻等半导体加工工艺，进而得到单颗芯片尺寸为10×25mil的发光二极管芯片，对该发光二极管芯片进行测试后得到的结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.09V、亮度为198mw、4KV抗静电能力为95％。
常规发光二极管芯片(即除采用设置在N型GaN层与有源层之间的结构为InGaN/GaN的周期性结构的应力释放层，其他结构与生长条件均相同的条件下生长的外延片)的测试结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.12V、亮度为196mw、4KV抗静电能力为92％。
与常规发光二极管芯片的外延片相比，本实施例中发光二极管芯片的发光效率提高了1％，工作电压降低0.03V，抗静电能力由4KV的92％提高到4KV的95％。发光效率得到较大提高。
采用本发明实施例提供的另一种外延片结构，在本发明实施例提供的另一种情况中，其他生长条件相同，超晶格结构中的AlxGa1-xN层中的气态Al的流量为30sccm，超晶格结构中的AlyGa1-yN层中的气态Al的流量为60sccm，超晶格结构中InGaN层的层数、AlxGa1-xN层的层数与AlxGa1-xN层的层数均为3。
同样，在结束外延片的生长之后，对该外延片进行清洗、沉积、光刻等半导体加工工艺制成单颗芯片尺寸为10×25mil的发光二极管芯片，对该发光二极管芯片进行实施例二中相同条件的测试，得到的结果为：测试电流为120mA、工作电压为3.08V、亮度为198.5mw、4KV抗静电能力为95％，与常规发光二极管芯片的外延片相比，本实施例中发光二极管芯片的发光效率提高了1.3％，工作电压降低0.04V抗静电能力由4KV的92％提高到4KV的95％。
因此，本发明中的外延片结构相对现有技术中使用InGaN/GaN的周期性结构作为应力释放层的外延层结构确实能够提高发光二极管的发光效率。
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)
1.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底及依次层叠设置在所述衬底上的缓冲层、N型GaN层、超晶格结构、有源层及P型GaN层，所述超晶格结构包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层，其中，0＜x＜y≤1。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，0＜x＜0.5。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，0.5＜y≤1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述InGaN层的厚度为1～4nm，所述AlxGa1-xN层的厚度与所述AlyGa1-yN层的厚度之和为30～60nm。
5.一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；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长超晶格结构；
在所述超晶格结构上生长有源层；
在所述有源层上生长P型GaN层，
其中，所述超晶格结构包括交替层叠的InGaN层、AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层，0＜x＜y≤1。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超晶格结构的生长温度为800～900℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超晶格结构的生长压力为200～300℃。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在生长所述AlxGa1-xN层与AlyGa1-yN层时，
向反映腔内通入的气态Al的流量为10～100sccm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在生长所述InGaN层时，
向反映腔内通入的气态In的流量为800～1600sccm。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述衬底上生长缓冲层之前，在氢气气氛中对所述衬底进行退火处理。
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