CN109378366A - 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、应力释放层、多量子阱层和P型层，发光二极管外延片还包括设置在应力释放层和多量子阱层之间的第一插入层，第一插入层为AlGaN层。AlGaN层的能带较高，会阻挡部分移动较快的电子，则部分移动较快的电子到达能带较高的AlGaN层时会横向扩展，最终与部分移动较慢的电子一起均匀注入多量子阱层。同时P型层提供的空穴也移动至多量子阱层，电子和空穴在多量子阱层进行辐射复合发光，提高了电子和空穴的辐射复合发光效率，从而提升了发光二极管的发光亮度。
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外延片包括衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型层、应力释放层、多量子阱层和P型层。其中，N型层中掺有Si，提供电子；P型层中掺有Mg，提供空穴；当有电流通过时，N型层提供的电子和P型层提供的空穴进入多量子阱层复合发光。
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：
由于电子的移动能力远远高于空穴，因此电子可以快速进入多量子阱层，部分移动较快的电子到达多量子阱层后，空穴还未移动至多量子阱层，则部分移动较快的电子会越过多量子阱层与空穴在P型层发生非辐射复合，从而导致LED芯片发热量增加，LED的光效下降。
发明内容
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，可以使得更多的电子与空穴在多量子阱层辐射复合发光，提高LED的光效。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例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、应力释放层、多量子阱层和P型层，
所述发光二极管外延片还包括设置在所述应力释放层和所述多量子阱层之间的第一插入层，所述第一插入层为AlGaN层。
进一步地，所述第一插入层的厚度为1～10nm。
进一步地，所述发光二极管外延片还包括设置在所述未掺杂的GaN层和所述N型层之间的第二插入层，或者所述发光二极管外延片还包括设置在所述N型层和所述应力释放层之间的第二插入层，所述第二插入层为掺Si的AlGaN层。
进一步地，所述第二插入层的厚度为50～80nm。
另一方面，本发明实施例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、N型层和应力释放层；
在所述应力释放层上生长第一插入层，所述第一插入层为AlGaN层；
在所述第一插入层上依次生长多量子阱层和P型层。
进一步地，所述在所述应力释放层上生长第一插入层包括：
生长厚度为1～10nm的第一插入层。
进一步地，所述第一插入层的生长温度为800～900℃。
进一步地，所述第一插入层的生长压力为100～400torr。
进一步地，所述制造方法还包括：
在所述未掺杂的GaN层和所述N型层之间生长第二插入层，或者，在所述N型层和所述应力释放层之间生长第二插入层，所述第二插入层为掺Si的AlGaN层。
进一步地，所述第二插入层的厚度为50～80nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在应力释放层和多量子阱层之间生长第一插入层，第一插入层为AlGaN层，AlGaN层的能带较高，会阻挡部分移动较快的电子，则部分移动较快的电子到达能带较高的AlGaN层时会横向扩展，最终与部分移动较慢的电子一起均匀注入多量子阱层。同时P型层提供的空穴也移动至多量子阱层，电子和空穴在多量子阱层进行辐射复合发光，提高了电子和空穴的辐射复合发光效率，从而提升了发光二极管的发光亮度。
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；
图3是本发明实施例提供的一种电流-电压曲线图；
图4是本发明实施例提供的一种电流-亮度曲线图。
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
本发明实施例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、应力释放层5、多量子阱层7和P型层8。
发光二极管外延片还包括设置在应力释放层5和多量子阱层7之间的第一插入层6，第一插入层6为AlGaN层。
本发明实施例通过在应力释放层和多量子阱层之间生长第一插入层，第一插入层为AlGaN层，AlGaN层的能带较高，会阻挡部分移动较快的电子，则部分移动较快的电子到达能带较高的AlGaN层时会横向扩展，最终与部分移动较慢的电子一起均匀注入多量子阱层。同时P型层提供的空穴也移动至多量子阱层，电子和空穴在多量子阱层进行辐射复合发光，提高了电子和空穴的辐射复合发光效率，从而提升了发光二极管的发光亮度。
进一步地，第一插入层6的厚度为1～10nm。若第一插入层6的厚度小于1nm，则起不到阻挡电子，使电子均匀注入多量子阱层7的作用。若第一插入层6的厚度大于10nm，则第一插入层6的厚度过厚，会导致第一插入层6的晶体质量变差，影响二极管的发光效率。
优选地，第一插入层6的厚度为6nm。此时第一插入层6的晶体质量较好，同时可以起到较好的扩展以及阻挡电子的效果。
在本实施例中，第一插入层6是在生长温度为800～900℃，生长压力为100～400torr的环境下生长而成的。
若第一插入层6的生长温度低于800℃，则生长出的第一插入层6的晶体质量会较差，影响二极管的发光效率。若第一插入层6的生长温度高于900℃，则高温会对应力释放层产生破坏从而影响外延片的生长。
若第一插入层6的生长压力低于100torr，则不利于第一插入层6中的Al的并入，生长出的第一插入层6起不到阻挡电子的效果。若第一插入层6的生长压力高于400torr，则会导致生长出的第一插入层6的晶体质量较差，影响二极管发光效率。
优选地，第一插入层6的生长温度为850℃，生长压力为200torr。此时生长出的第一插入层6可以起到最优的效果，使得更多的电子可以在多量子阱层中与空穴进行辐射复合发光，从而提高二极管的发光效率。
如图1所示，在本实施例中，发光二极管外延片还包括设置在N型层4和应力释放层5之间的第二插入层9。第二插入层9为掺Si的AlGaN层。通过设置第二插入层9可以阻挡晶格失配引起的缺陷，同时可以进一步阻挡电子，使电流均匀注入多量子阱层7。
在本发明实施例的另一种实现方式中，第二插入层9还可以设置在未掺杂的GaN层3和N型层4之间。
可选地，第二插入层9中Si的掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3。
优选地，第二插入层9的厚度为50～80nm。若第二插入层9的厚度小于50nm，则起不到阻挡缺陷的作用。若第二插入层9厚度大于80nm，则第二插入层9的厚度过厚，会导致第二插入层9的晶体质量变差，影响二极管的发光效率。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以为GaN层，厚度为15～35nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为800～1200nm。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为1～3um。
可选地，应力释放层5可以为InGaN层51和GaN层52交替生长的周期性结构，InGaN层51的厚度可以是2～4nm，GaN层52的厚度可以是8～10nm。
可选地，多量子阱层7可以为InGaN量子阱层71和GaN量子垒层72交替生长的周期性结构，InGaN量子阱层71的厚度可以是2～4nm，GaN量子垒层72的厚度可以是8～10nm。
可选地，P型层8包括第一P型层81、电子阻挡层82和第二P型层83。
第一P型层81可以为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3，第一P型层81的厚度可以为10～100nm。
电子阻挡层82可以为AlGaN层和GaN层交替生长的周期性结构，其中AlGaN层的厚度为3～5nm，GaN层的厚度为1～3nm。AlGaN层和GaN层的总层数可以为10～14层。
第二P型层83可以为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3，第二P型层83厚度为80～200nm。
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，用于制造实施例一提供的发光二极管外延片，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。
在本实施例中，衬底为蓝宝石。
步骤202、在衬底上生长缓冲层。
在本实施例中，可以采用Veeco K465i or C4 MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，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)及三乙基镓(TEGa)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，缓冲层生长在蓝宝石衬底的[0001]面上。
在本实施例中，缓冲层为GaN层，厚度为15～30nm，生长温度为500～600℃，反应室压力控制在300～800torr。
步骤203、在缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
在本实施例中，未掺杂的GaN层的厚度为800～1200nm，生长高温缓冲层时，反应室温度为1050～1150℃，反应室压力控制在100～400torr。
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1～3um。生长N型层时，反应室温度为1050～1150℃，反应室压力控制在100～400torr。
步骤205、在N型层上生长第二插入层。
在本实施例中，第二插入层为掺Si的AlGaN层，Si的掺杂浓度为1×1018～5×1018cm-3，厚度为50～80nm。生长第二插入层时，反应室温度为1050～1150℃，反应室压力控制在100～400torr。
需要说明的是，在本发明实施例的另一实现方式中，还可以在未掺杂的GaN层和N型层之间生长第二插入层，第二插入层的生长条件与步骤205中的生长条件相同。
步骤206、在第二插入层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括多个周期交替生长的InGaN层和GaN层。其中，InGaN层的厚度为2～4nm，GaN层的厚度为8～10nm。InGaN层和GaN层的层数为6～12层。生长应力释放层时，反应室温度为800～900℃，反应室压力控制在100～400torr。
步骤207、在应力释放层上生长第一插入层。
在本实施例中，第一插入层为AlGaN层，厚度为1～10nm。生长第一插入层时，反应室温度为800～900℃，反应室压力控制在100～400torr。
步骤208、在第一插入层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其中，InGaN层的厚度为2～4nm，GaN层的厚度为8～10nm。InGaN层和GaN层的层数为11～13，InGaN层和GaN层的总厚度为130～160nm。
具体地，生长InGaN阱层时，反应室温度为750～850℃，应室压力控制在100～400torr。生长GaN垒层时，反应室温度为800～900℃，应室压力控制在100～400torr。
步骤209、在多量子阱层上生长第一P型层。
在本实施例中，第一P型层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3，厚度为10～100nm。生长第一P型层时，反应室温度为700～800℃，反应室压力控制在300～600torr。
步骤210、在第一P型层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层包括多个周期交替生长的AlGaN层和GaN层，电子阻挡层的厚度为20～60nm。其中AlGaN层的厚度为3～5nm，GaN层的厚度为1～3nm。AlGaN层和GaN层的总层数为10～14层。
具体的，生长AlGaN层时，反应室温度为900～1000℃，反应室压力控制在400～600torr。生长GaN层时，反应室温度为900～1000℃，反应室压力控制在400～600torr。
步骤211、在电子阻挡层上生长第二P型层。
在本实施例中，第二P型层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为5×1019～1×1020cm-3，厚度为80～200nm。生长第二P型层时，反应室温度为900～1000℃，反应室压力控制在400～600torr。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至600～850℃，在氮气气氛进行退火处理5～15min，而后逐渐降至室温，结束发光二极管的外延生长。
图3是本发明实施例提供的一种电流-电压曲线图，如图3所示，图3中的横坐标为测试电流，单位为mA，纵坐标为电压，单位为V。图中曲线A1表示采用本发明实施例提供的制造方法制造出来的发光二极管芯片的电流-电压曲线，在本发明实施例提供的制造方法中，第一插入层的厚度为6nm。B1表示采用现有的制造方法制造出来的发光二极管芯片的电流-电压曲线。由图3可以看出，在相同的测试电流下，曲线A1对应的二极管的电压始终小于曲线B1对应的二极管的电压，电压越低，二极管的发光效率越好。且随着测试电流的增大，曲线A1对应的二极管的电压与曲线B1对应的二极管的电压的差值越来越大。
图4是本发明实施例提供的一种电流-亮度曲线图，如图4所示，图4中的横坐标为测试电流，单位为mA，纵坐标为亮度，单位为mW。图中A2表示采用本发明实施例提供的制造方法制造出来的发光二极管芯片的电流-亮度曲线，在本发明实施例提供的制造方法中，第一插入层的厚度为6nm。B2表示采用现有的制造方法制造出来的发光二极管芯片的电流-亮度曲线。由图4可以看出，在相同的测试电流下，曲线A2对应的二极管的发光亮度始终大于曲线B2对应的二极管的发光亮度，且随着测试电流的增大，曲线A2对应的二极管的发光亮度与曲线B2对应的二极管的发光亮度的差值越来越大。
由此可知，采用本发明实施例提供的制造方法制造出来的发光二极管的发光效果更好。
以上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、应力释放层、多量子阱层和P型层，其特征在于，
所述发光二极管外延片还包括设置在所述应力释放层和所述多量子阱层之间的第一插入层，所述第一插入层为AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一插入层的厚度为1～10nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括设置在所述未掺杂的GaN层和所述N型层之间的第二插入层，或者所述发光二极管外延片还包括设置在所述N型层和所述应力释放层之间的第二插入层，所述第二插入层为掺Si的AlGaN层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二插入层的厚度为50～80nm。
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、N型层和应力释放层；
在所述应力释放层上生长第一插入层，所述第一插入层为AlGaN层；
在所述第一插入层上依次生长多量子阱层和P型层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在所述应力释放层上生长第一插入层包括：
生长厚度为1～10nm的第一插入层。
7.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述第一插入层的生长温度为800～900℃。
8.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述第一插入层的生长压力为100～400torr。
9.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述未掺杂的GaN层和所述N型层之间生长第二插入层，或者，在所述N型层和所述应力释放层之间生长第二插入层，所述第二插入层为掺Si的AlGaN层。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第二插入层的厚度为50～80nm。
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