CN109360878A - 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。N型GaN层与有源层之间设置有材料为掺杂Si的AlGaN层的电流扩展层。该电流扩展层中的Al组分沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，电流扩展层的势垒逐渐升高，对进入有源层的电子起到一定的阻挡作用的同时，也便于电子进入电流扩展层，电流扩展层的势垒不会过高，起到有效扩展电流的同时而也不会影响进入有源层与空穴进行复合的电子数量。与之结合的电流扩展层中Si元素的掺杂浓度沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，保证电流得到有效扩展的同时，同时增加电流扩展层在靠近有源层的一侧的电子数量，可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、AlGaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层。
N型GaN层与有源层之间的AlGaN层能够起到阻挡电子的作用，进而使得电子在进入有源层之前可横向移动，起到扩展电流的作用，但AlGaN层的设置同时也会影响进入有源层与空穴复合发光的电子的数量，进而降低发光二极管的发光效率。
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，能够降低发光二极管的工作电压，延长发光二极管的工作寿命。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、电流扩展层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，
所述电流扩展层为掺杂Si的AlGaN层，所述电流阻挡层中Si元素的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐增加，所述电流扩展层中的Al组分的含量沿所述AlxGa1-xN层的生长方向逐渐增加。
可选地，所述电流扩展层为AlxGa1-xN层，其中，0.1<x<0.5。
可选地，所述电流扩展层中，所述Si元素的掺杂浓度为1*1017～1*1018cm-3。
可选地，所述电子阻挡层包括铝铟镓氮层，所述铝铟镓氮层中的铝组分在所述铝铟镓氮层的生长方向上逐渐减小，所述铝铟镓氮层中的铟组分在所述铝铟镓氮层的生长方向上逐渐减小。
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层上生长电流扩展层；
在所述电流扩展层上生长有源层；
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，所述电流扩展层为掺杂Si的AlGaN层，所述电流阻挡层中Si元素的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐增加，所述电流扩展层中的Al组分的含量沿所述AlxGa1-xN层的生长方向逐渐增加。
可选地，在所述N型GaN层上生长电流扩展层时，
向反应腔内通入气态Al，所述气态Al的流量由50～200sccm逐渐渐变至200～400sccm。
可选地，在所述N型GaN层上生长电流扩展层时，
向反应腔内通入气态SiH4，所述气态SiH4的流量由5～50sccm逐渐渐变至60～120sccm。
可选地，所述电流扩展层的生长温度为900℃-1100℃。
可选地，所述电流扩展层的生长压力为100Torr～300Torr。
可选地，所述制备方法还包括：
在所述缓冲层上生长N型GaN层之前，对所述缓冲层进行10～15分钟的热处理。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：N型GaN层与有源层之间设置有材料为掺杂Si的AlGaN层的电流扩展层。该电流扩展层中的Al组分沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，电流扩展层的势垒逐渐升高，对进入有源层的电子起到一定的阻挡作用的同时，也便于电子进入电流扩展层，电流扩展层的势垒不会过高，起到有效扩展电流的同时而也不会影响进入有源层与空穴进行复合的电子数量。与之结合的电流扩展层中Si元素的掺杂浓度沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，保证电流得到有效扩展的同时，同时增加电流扩展层在靠近有源层的一侧的电子数量，可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、电流扩展层4、有源层5、电子阻挡层6及P型GaN层7。
电流扩展层4为掺杂Si的AlGaN层，电流扩展层4的掺杂元素包括Si元素，Si元素的掺杂浓度沿电流扩展层4的生长方向逐渐增加，电流扩展层4中的Al组分的含量沿电流扩展层4的生长方向逐渐增加。
N型GaN层与有源层之间设置有材料为掺杂Si的AlGaN层的电流扩展层。该电流扩展层中的Al组分沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，电流扩展层的势垒逐渐升高，对进入有源层的电子起到一定的阻挡作用的同时，也便于电子进入电流扩展层，电流扩展层的势垒不会过高，起到有效扩展电流的同时而也不会影响进入有源层与空穴进行复合的电子数量。与之结合的电流扩展层中Si元素的掺杂浓度沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，保证电流得到有效扩展的同时，同时增加电流扩展层在靠近有源层的一侧的电子数量，可提高发光二极管的发光效率。
并且电流扩展层中的Al组分沿电流扩展层的生长方向逐渐增加也可避免电流扩展层与N型GaN层之间的晶格失配、以及电流扩展层与有源层之间的晶格失配过大，保证外延片整体的晶体质量，提高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、电流扩展层4、有源层5、电子阻挡层6及P型GaN层7，P型接触层8。
其中，缓冲层2可包括低温GaN缓冲层21与未掺杂GaN层22。低温GaN缓冲层21的厚度可为15～35nm，未掺杂GaN层22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22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3中的掺杂元素可为Si，Si的掺杂浓度可为1018～1019cm-3。
进一步地，N型GaN层3的厚度可为1～5μm。
可选地，电流扩展层4可为AlxGa1-xN层，其中，0.1<x<0.5。这种设置可保证电流扩展层的生长质量，并保证电流扩展层的电流扩展作用，进而保证发光二极管的工作电压可有效降低。
示例性地，电流扩展层4中，Si元素的掺杂浓度为1*1017～1*1018cm-3。这种设置可保证电流扩展层的生长质量，并保证在电流扩展层的势垒较高的地方能够提供足够多的电子进入有源层与空穴符合，保证发光二极管的发光效率，进而保证发光二极管的工作电压可有效降低。
可选地，电流扩展层4的厚度为100～300nm。电流扩展层的厚度设置为以上范围可保证电流扩展层的生长质量进而保证外延片整体的生长质量。
在本实施例中，有源层5可包括交替层叠的InGaN阱层51与GaN垒层52，InGaN阱层51的厚度可为2～3nm，GaN垒层52的厚度可为9～20nm。
其中InGaN阱层51的层数可为5～11，GaN垒层52与InGaN阱层51的层数相同。
在本发明实施例中，电子阻挡层6可包括铝铟镓氮层，铝铟镓氮层中的铝组分在铝铟镓氮层的生长方向上逐渐减小，铝铟镓氮层中的铟组分在铝铟镓氮层的生长方向上逐渐减小。电子阻挡层中的铝组分沿其生长方向逐渐减小，电子阻挡层靠近有源层一侧的势垒较高，有利于阻挡N型层注入有源层的电子跃迁到P型层与空穴进行非辐射复合，同时电子阻挡层靠近P型层一侧的势垒较低，有利于P型层提供的空穴注入有源层与电子进行辐射复合发光。而且电子阻挡层中的铟组分与电子阻挡层中的铝组分一样变化，都是沿其生长方向逐渐减小，在有效阻挡有源层一侧的电子进入P型层的同时，也能够减小电子阻挡层对空穴的阻挡作用，进而保证大部分的电子和空穴均可在有源层进行复合，提高由该外延片制作得到的发光二极管的发光效率。
示例性地，P型GaN层7的厚度可为100～200nm。
可选地，P型接触层8的厚度可为5～300nm。
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21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。
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层上生长电流扩展层。
其中，所述电流扩展层为掺杂Si的AlGaN层，所述电流阻挡层中Si元素的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐增加，所述电流扩展层中的Al组分的含量沿所述电流扩展层的生长方向逐渐增加。
S15：在电流扩展层上生长有源层。
S16：在有源层上生长电子阻挡层。
S17：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
N型GaN层与有源层之间设置有材料为掺杂Si的AlGaN层的电流扩展层。该电流扩展层中的Al组分沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，电流扩展层的势垒逐渐升高，对进入有源层的电子起到一定的阻挡作用的同时，也便于电子进入电流扩展层，电流扩展层的势垒不会过高，起到有效扩展电流的同时而也不会影响进入有源层与空穴进行复合的电子数量。与之结合的电流扩展层中Si元素的掺杂浓度沿电流扩展层的生长方向逐渐增加，保证电流得到有效扩展的同时，同时增加电流扩展层在靠近有源层的一侧的电子数量，可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，衬底可使用蓝宝石衬底。
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，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。
可选地，在缓冲层生长完成之后，可对缓冲层进行10～15分钟的热处理。提高缓冲层整体的晶体质量，进而保证在缓冲层上生长的外延层的质量。
其中，热处理时间可为5～10min，热处理温度可为1000～2000℃。
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。
其中，N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，生长压力可为100～300Torr。
S24：在N型GaN层上生长电流扩展层。
其中，电流扩展层为掺杂Si的AlGaN层，电流阻挡层中Si元素的掺杂浓度沿外延片的层叠方向逐渐增加，电流扩展层中的Al组分的含量沿电流扩展层的生长方向逐渐增加。
可选地，在生长电流扩展层时，向反应腔内通入气态Al，气态Al的流量由50～200sccm逐渐渐变至200～400sccm。这种设置可保证生长完成之后的电流扩展层的质量，并且也可避免生长得到的电流扩展层的势垒过高，电流扩展层扩展电流的效果较好。
进一步地，在生长电流扩展层时，向反应腔内通入气态SiH4，气态SiH4的流量由5～50sccm逐渐渐变至60～120sccm。这种设置可保证生长完成之后的电流扩展层的质量，并且也可保证生长得到的电流扩展层能够提供较为充足的电子，发光二极管的发光效率较好。
示例性地，电流扩展层的生长温度为900℃-1100℃。在此条件下能够得到质量较好的电流扩展层，保证电流扩展层的晶体质量。
可选地，电流扩展层的生长压力为100Torr～300Torr。在此条件下能够得到质量较好的电流扩展层，保证电流扩展层的晶体质量。
可选地，电流扩展层的厚度为100～300nm。电流扩展层的厚度设置为以上范围可保证电流扩展层的生长质量进而保证外延片整体的生长质量。
S25：在电流扩展层上生长有源层。
有源层可包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。InGaN阱层的生长温度可为720～829℃，InGaN阱层的生长压力可为100～500Torr，InGaN阱层的生长厚度可为2～3nm；GaN垒层的生长温度可为850～959℃，GaN垒层的生长压力可为100～500Torr，GaN垒层的生长厚度可为9～20nm。
S26：在有源层上生长电子阻挡层。
在本发明实施例中，电子阻挡层可包括铝铟镓氮层。
其中，电子阻挡层的厚度可为200～1000nm。
可选地，电子阻挡层的生长温度为600℃～1000℃。在此温度条件下得到的电子阻挡层的质量较好，能够更有效地提高由该外延片制作得到的发光二极管的发光效率。
可选地，电子阻挡层的生长压力为50～500Torr。以得到质量较好的电子阻挡层。
S27：在电子阻挡层上生长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。
S28：在P型GaN层上生长P型接触层。
其中，P型接触层的厚度可为5nm至300nm之间，生长温度区间为850～1050℃，生长压力区间为100～600Torr。
执行完步骤S28之后的外延片的结构示意图可如图2所示，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、电流扩展层4、有源层5、电子阻挡层6及P型GaN层7，P型接触层8。
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，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、电流扩展层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，其特征在于，
所述电流扩展层为掺杂Si的AlGaN层，所述电流阻挡层中Si元素的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐增加，所述电流扩展层中的Al组分的含量沿所述AlxGa1-xN层的生长方向逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述电流扩展层为AlxGa1-xN层，其中，0.1<x<0.5。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述电流扩展层中，所述Si元素的掺杂浓度为1*1017～1*1018cm-3。
4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层包括铝铟镓氮层，所述铝铟镓氮层中的铝组分在所述铝铟镓氮层的生长方向上逐渐减小，所述铝铟镓氮层中的铟组分在所述铝铟镓氮层的生长方向上逐渐减小。
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层上生长电流扩展层；
在所述电流扩展层上生长有源层；
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，所述电流扩展层为掺杂Si的AlGaN层，所述电流阻挡层中Si元素的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向逐渐增加，所述电流扩展层中的Al组分的含量沿所述电流扩展层的生长方向逐渐增加。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述N型GaN层上生长电流扩展层时，
向反应腔内通入气态Al，所述气态Al的流量由50～200sccm逐渐渐变至200～400sccm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述N型GaN层上生长电流扩展层时，
向反应腔内通入气态SiH4，所述气态SiH4的流量由5～50sccm逐渐渐变至60～120sccm。
8.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电流扩展层的生长温度为900℃-1100℃。
9.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述电流扩展层的生长压力为100Torr～300Torr。
10.根据权利要求5～7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述缓冲层上生长N型GaN层之前，对所述缓冲层进行10～15分钟的热处理。
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