CN109449264A - 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。发光二极管外延片的多量子阱层为多周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括InGaN量子阱层和依次层叠在InGaN量子阱层上的过渡层和GaN量子垒层，过渡层包括第一子层和设置在第一子层上的第二子层，第一子层为AlInN层，第二子层为AlGaN层。AlInN材料与InGaN材料晶格比较匹配，AlGaN材料与GaN材料的晶格比较匹配，且AlInN材料与GaN材料的晶格也比较匹配，因此通过设置第一子层和第二子层可以减少InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配，从而减少缺陷的产生，提高电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。

Description

一种发光二极管外延片及其制造方法
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、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。当电流注入GaN基LED外延片中时，N型层提供的电子和P型层提供的空穴在电流的驱动下，向多量子阱层迁移，并在多量子阱层中辐射复合发光。
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：
由于多量子阱层是由多个周期交替设置的InGaN量子阱层和GaN量子垒层组成，InGaN量子阱层和GaN量子垒层因晶格失配会产生应力，随着量子阱层和量子垒层的周期不断增多，量子阱层和量子垒层之间的应力也不断积聚，在GaN外延层存在的部分线性位错会在量子阱生长过程中发展放大，形成V型缺陷，从而降低了电子和空穴在多量子阱层进行辐射复合发光的效率。同时InGaN量子阱层和GaN量子垒层因晶格失配会产生压电极化效应，导致电子和空穴的波函数在空间分布上分离，从而降低了LED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，提高了LED的发光效率。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、多量子阱层和P型层，
所述多量子阱层为多周期的超晶格结构，每个所述超晶格结构均包括InGaN量子阱层和依次层叠在所述InGaN量子阱层上的过渡层和GaN量子垒层，所述过渡层包括第一子层和设置在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlInN层，所述第二子层为AlGaN层。
进一步地，所述第一子层的厚度小于所述第二子层的厚度。
进一步地，所述第一子层的厚度为0.5～1nm。
进一步地，所述第二子层的厚度为1～2nm。
进一步地，所述多量子阱层的周期数为n，6＜n≤10且n为正整数。
进一步地，所述第一子层为AlyInxN层，所述第二子层为AlyGa1-yN层，0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3。
进一步地，所述第一子层中In的含量小于所述InGaN量子阱层中In的含量。
另一方面，本发明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型层上生长多量子阱层，所述多量子阱层为多周期的超晶格结构，每个所述超晶格结构均包括InGaN量子阱层和依次层叠在所述InGaN量子阱层上的过渡层和GaN量子垒层，所述过渡层包括第一子层和设置在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlInN层，所述第二子层为AlGaN层；
在所述多量子阱层上生长P型层。
进一步地，所述第一子层的生长压力与所述第二子层的生长压力相同。
进一步地，所述第一子层的生长温度小于所述第二子层的生长温度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在多量子阱层的超晶格结构中加入过渡层，其中过渡层包括第一子层和第二子层，第一子层为AlInN层，第二子层为AlGaN层，AlInN材料与InGaN材料晶格比较匹配，AlGaN材料与GaN材料的晶格比较匹配，且AlInN材料与GaN材料的晶格也比较匹配，因此通过设置第一子层和第二子层可以减少InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配，从而减少缺陷的产生，提高电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。且第一子层和第二子层中的Al组分可以阻断InGaN量子阱层中In的析出，提高多量子阱层中In的含量，从而进一步提高了电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。第二子层中的Al组分提供了更大的能带间隙，有利于抑制电子溢出、提高电流注入。第二子层还具有提升应力的作用，可以对多量子阱层中的应力进行补偿，减少压电极化效应，增加电子和空穴的波函数在空间分布上的交叠，最终提高了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。
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、多量子阱层5和P型层6。
多量子阱层5为多周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括InGaN量子阱层51和依次层叠在InGaN量子阱层51上的过渡层52和GaN量子垒层53。过渡层52包括第一子层521和设置在第一子层521上的第二子层522，第一子层521为AlInN层，第二子层522为AlGaN层。
本发明实施例通过在多量子阱层的超晶格结构中加入过渡层，其中过渡层包括第一子层和第二子层，第一子层为AlInN层，第二子层为AlGaN层，AlInN材料与InGaN材料晶格比较匹配，AlGaN材料与GaN材料的晶格比较匹配，且AlInN材料与GaN材料的晶格也比较匹配，因此通过设置第一子层和第二子层可以减少InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配，从而减少缺陷的产生，提高电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。且第一子层和第二子层中的Al组分可以阻断InGaN量子阱层中In的析出，提高多量子阱层中In的含量，从而进一步提高了电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。第二子层中的Al组分提供了更大的能带间隙，有利于抑制电子溢出、提高电流注入。第二子层还具有提升应力的作用，可以对多量子阱层中的应力进行补偿，减少压电极化效应，增加电子和空穴的波函数在空间分布上的交叠，最终提高了LED的发光效率。
进一步地，第一子层521的厚度小于第二子层522的厚度。第一子层521的厚度设置的较薄，可以减小第一子层521对载流子(主要指电子)的阻挡作用。第二子层522为AlGaN层，AlGaN层具有较高的势能，可以形成较高的势垒，将电子限制在InGaN层中，因此第二子层522设置的较厚。
优选地，第一子层521和第二子层522的厚度小于InGaN量子阱层51的厚度，InGaN量子阱层51的厚度小于GaN量子垒层53的厚度。该厚度设置方式有利于载流子的带间迁跃，使得载流子能够在InGaN量子阱层中均匀分布。
优选地，第一子层521的厚度为0.5～1nm。若第一子层521的厚度小于0.5nm，则起不到阻断InGaN量子阱层51中In的析出的作用，若第一子层521的厚度大于1nm，则会阻挡载流子的移动，从而影响LED的发光效率。
更优选地，第一子层521的厚度为0.8nm，此时第一子层521即可以阻断InGaN量子阱层51中In的析出，又不会阻挡载流子的移动，影响LED的发光效率。
优选地，第二子层522的厚度为1～2nm。若第二子层522的厚度小于1nm，则起不到减少多量子阱层5中的压电极化效应的作用，若第二子层522的厚度大于2nm，同样会则会阻挡载流子的移动，从而影响LED的发光效率。
更优选地，第二子层522的厚度为1.5nm，此时第二子层522即可以减少多量子阱层5中的压电极化效应，又不会阻挡载流子的移动，影响LED的发光效率。
优选地，InGaN量子阱层51的厚度为1.5～2.5nm。若InGaN量子阱层51的厚度小于1.5nm，则阱垒界面会变差，不利于载流子的储存，若InGaN量子阱层51的厚度大于2.5nm，则InGaN量子阱层51中的压应力会越大，电子和空穴的空间分离程度就越严重，辐射复合效率也就越低。
优选地，GaN量子垒层53的厚度为8nm～10nm。若GaN量子垒层53的厚度小于8nm，则阱垒界面也会变差，且不利于将载流子限制在InGaN量子阱层51中，若GaN量子垒层53的厚度大于10nm，则不利于电子和空穴的辐射复合。
可选地，多量子阱层5的周期数为n，6＜n≤10且n为正整数。当n小于6时，则不能有效增加电子和空穴在多量子阱层5发生辐射复合发光的效率，当n大于10时，多量子阱层5较厚，晶体质量会逐渐变差，且InGaN阱的相分凝现象也会变得严重。另外由于InGaN量子阱层51与GaN量子垒层53间的晶格失配，随着多量子阱层5的周期数的增加，InGaN量子阱层51与GaN量子垒层53间的应力也会增加，伴随着应力的释放，大量的缺陷位错随即产生，不利于电子与空穴在多量子阱层5发生辐射复合。
在本实施例中，第一子层521的厚度之和可以为5nm～10nm，第二子层522的厚度之和可以为10nm～20nm。
优选地，第一子层521为AlyInxN层，第二子层522为AlyGa1-yN层，0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3。第一子层521和第二子层522中Al的含量较少，可以有效避免第一子层521和第二子层522对载流子的跃迁造成阻挡。
在本实施例中，第一子层521中的Al的含量可以先逐渐增大再逐渐减小，以与相邻的第二子层522形成较好的匹配。
进一步地，第一子层521中In的含量小于InGaN量子阱层51中In的含量。第一子层521中In的含量较低，有利于第一子层521中Al的并入。
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15nm～35nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为1um～3um。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为1um～2um。
可选地，多量子阱层5的总厚度可以为100nm～150nm。
可选地，P型层6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可以为掺Mg的GaN层，厚度为200nm～400nm。电子阻挡层62可以为掺Mg的AlGaN层，厚度为300nm～500nm。高温P型层63可以为掺Mg的GaN层，厚度为100nm～300nm。P型接触层64可以为重掺Mg的GaN层，厚度为50nm～100nm。
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，可以将衬底放在石墨托盘上送入反应腔中进行外延材料的生长。
步骤201还包括：
控制反应室温度为1000℃～1100℃，压力为200～500Torr，在纯氢气氛围对蓝宝石衬底进行退火处理10min，然后将蓝宝石衬底进行氮化处理。
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。
步骤202、在衬底上生长缓冲层。
具体地，将反应室温度控制在400℃～600℃，压力控制在400torr～600torr，生长厚度为15nm～35nm的GaN缓冲层。
可选地，在执行完步骤202后，该制造方法还可以包括：
将反应室温度升高至1000℃～1200℃，压力控制在400Torr～600Torr，对缓冲层在原位进行退火处理，退火处理时间为5～10分钟。
步骤203、在缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在1100℃～1150℃，压力控制在100torr～200torr，生长厚度为1um～3um的未掺杂的GaN层。
步骤204、在未掺杂的GaN层上生长N型层。
具体地，将反应室温度控制在1100℃～1150℃，压力控制在200torr，生长厚度为1um～2um的N型GaN层。
步骤205、在N型层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层为n个周期的超晶格结构，每个超晶格结构均包括InGaN量子阱层和依次层叠在InGaN量子阱层上的过渡层和GaN量子垒层。过渡层包括第一子层和设置在第一子层上的第二子层，第一子层521为AlInN层，第二子层为AlGaN层，其中，6＜n≤10且n为正整数。
优选地，第一子层的生长温度小于第二子层的生长温度。
优选地，第一子层的生长温度与InGaN量子阱层的生长温度相同，第二子层的生长温度与GaN量子垒层的生长温度相同。
由于第一子层靠近InGaN量子阱层，而InGaN量子阱层的生长温度较低，因此第一子层与InGaN量子阱层的生长温度相同，有利于第一子层中Al的生长，从而有利于阻断多量子阱层中In的扩散，同时还可以避免第一子层的温度较高对InGaN量子阱层造成破坏。第二子层为AlGaN层，因此第二子层需要较高的生长温度提高GaN材料的质量，减少缺陷的产生。
优选地，第一子层的生长压力与第二子层的生长压力相同。
优选地，第一子层的生长压力小于InGaN量子阱层的生长压力，InGaN量子阱层的生长压力与GaN量子垒层的生长压力相同。
由于低压生长环境有利于Al的并入，因此第一子层和第二子层可以获得较高的晶体质量，有利于获得较好的突变异质界面，使得InGaN量子阱层和GaN量子垒层之间的界面更加清晰，从而可以提升电子和空穴的辐射复合效率。
具体地，步骤205可以包括：
将反应室温度控制在700℃～800℃，压力控制在100～200torr，生长厚度为1.5nm～2.5nm的InGaN量子阱层。
将反应室温度控制在700℃～800℃，压力控制在20～50torr，生长厚度为0.5nm～1nm的AlInN层。
将反应室温度控制在850℃～900℃，压力控制在20～50torr，生长厚度为1nm～2nm的AlGaN层。
将反应室温度控制在850℃～900℃，压力控制在100～200torr，生长厚度为8nm～10nm的GaN量子垒层。
在本实施例中，P型层包括低温P型层、电子阻挡层、高温P型层和P型接触层，则该制造方法还包括：
步骤206、在多量子阱层上生长低温P型层。
在本实施例中，低温P型层为掺Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在700℃～800℃，压力控制在200torr，生长厚度为200nm～400nm的低温P型层。
步骤207、在低温P型层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺Mg的AlGaN层。
具体地，将反应室温度控制在950℃～1000℃，压力控制在200torr，生长厚度为300nm～500nm的电子阻挡层。
步骤208、在电子阻挡层上生长高温P型层。
在本实施例中，高温P型层为掺Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在950℃～1000℃，压力控制在200torr，生长厚度为100nm～300nm的高温P型层。
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Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在950℃～1000℃，压力控制在200torr，生长厚度为50nm～100nm的P型接触层。
在上述步骤完成之后，将反应室的温度降至650℃～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。
本发明实施例通过在多量子阱层的超晶格结构中加入过渡层，其中过渡层包括第一子层和第二子层，第一子层为AlInN层，第二子层为AlGaN层，AlInN材料与InGaN材料晶格比较匹配，AlGaN材料与GaN材料的晶格比较匹配，且AlInN材料与GaN材料的晶格也比较匹配，因此通过设置第一子层和第二子层可以减少InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配，从而减少缺陷的产生，提高电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。且第一子层和第二子层中的Al组分可以阻断InGaN量子阱层中In的析出，提高多量子阱层中In的含量，从而进一步提高了电子和空穴在多量子阱层的辐射复合发光效率。第二子层中的Al组分提供了更大的能带间隙，有利于抑制电子溢出、提高电流注入。第二子层还具有提升应力的作用，可以对多量子阱层中的应力进行补偿，减少压电极化效应，增加电子和空穴的波函数在空间分布上的交叠，最终提高了LED的发光效率。
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、多量子阱层和P型层，其特征在于，
所述多量子阱层为多周期的超晶格结构，每个所述超晶格结构均包括InGaN量子阱层和依次层叠在所述InGaN量子阱层上的过渡层和GaN量子垒层，所述过渡层包括第一子层和设置在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlInN层，所述第二子层为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，所述第一子层的厚度小于所述第二子层的厚度。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为0.5～1nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层的厚度为1～2nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多量子阱层的周期数为n，6＜n≤10且n为正整数。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层为AlyInxN层，所述第二子层为AlyGa1-yN层，0.3≤x≤0.5，0.1≤y≤0.3。
7.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层中In的含量小于所述InGaN量子阱层中In的含量。
8.一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型层上生长多量子阱层，所述多量子阱层为多周期的超晶格结构，每个所述超晶格结构均包括InGaN量子阱层和依次层叠在所述InGaN量子阱层上的过渡层和GaN量子垒层，所述过渡层包括第一子层和设置在所述第一子层上的第二子层，所述第一子层为AlInN层，所述第二子层为AlGaN层；
在所述多量子阱层上生长P型层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力与所述第二子层的生长压力相同。
10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度小于所述第二子层的生长温度。
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