CN109461802A - 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管技术领域。所述方法包括：提供衬底；顺次在衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层；在多量子阱层上沉积电子阻挡层，电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力；在电子阻挡层上沉积P型层。本发明能够在对电子阻挡作用较强时减弱对空穴的阻挡作用，进而提高电子空穴在量子阱中的复合发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
GaN(氮化镓)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特型，被广泛应用于制作蓝、绿、以及紫外发光二极管。GaN基发光二极管通常包括外延片和设于外延片上的电极。
现有的一种GaN基发光二极管的外延片，其包括衬底、以及依次生长在衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱层(又称有源层)、EBL(Electron Blocking Layer，电子阻挡层)和P型层。当有电流通过时，N型层的电子和P型层的空穴进入多量子阱层阱区并且复合，发出可见光。其中，EBL为P型AlGaN层，其通过抑制电子溢流出多量子阱层，提高载流子的注入效率。
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：
现有的EBL其结构为bulk(整体)结构，Al组分一般是恒定掺杂。Al组分恒定时，不光对电子阻挡起作用，也对空穴的阻挡起一定作用。如何增强EBL的电子阻挡作用并减弱EBL的空穴阻挡作用成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，能够在对电子阻挡作用较强时减弱对空穴的阻挡作用，进而提高电子空穴在量子阱中的复合发光效率。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：
提供衬底；
顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层；
在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力小于所述第二AlGaN层的生长压力；
在所述电子阻挡层上沉积P型层。
可选地，所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：
在所述多量子阱层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；
在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
可选地，所述电子阻挡层还包括AlN层，所述AlN层位于所述多量子阱层和所述第一AlGaN层之间，
所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：
在所述多量子阱层上沉积所述AlN层，所述AlN层的生长压力为50～100Torr；
在所述AlN层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；
在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
可选地，所述AlN层、所述第一AlGaN层和所述第二AlGaN层的生长温度均为850～1080℃。
可选地，所述AlN层的厚度为5～10nm，所述第一AlGaN层的厚度为40～130nm，所述第二AlGaN层的厚度为5～10nm。
可选地，所述第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，所述第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。
可选地，所述衬底为图形化蓝宝石衬底。
另一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片，所述外延片包括：衬底、顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力小于所述第二AlGaN层的生长压力。
可选地，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
可选地，所述电子阻挡层还包括AlN层，所述AlN层位于所述多量子阱层和所述第一AlGaN层之间，所述AlN层的生长压力为50～100Torr，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在多量子阱层上沉积电子阻挡层，并在电子阻挡层上沉积P型层；电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，并且，第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力；由于生长压力越大，Al组分并入GaN层中越难，因此，第一AlGaN层中的Al组分含量高于第二AlGaN层中的Al组分含量；第一AlGaN层中的Al组分含量较高时，第一AlGaN层的带宽较大，对量子阱中的电子有较强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱；第二AlGaN层中的Al组分含量较低时，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。
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GaN基发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图。
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示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法。参见图1，该方法流程包括如下步骤。
步骤101、提供衬底。
步骤102、顺次在衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层。
步骤103、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。
其中，电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层。第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力。
示例性地，第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
示例性地，第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5。第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。
示例性地，第一AlGaN层和第二AlGaN层的生长温度均为850～1080℃。
示例性地，第一AlGaN层的厚度为40～130nm，第二AlGaN层的厚度为5～10nm。
步骤104、在电子阻挡层上沉积P型层。
本发明实施例通过在多量子阱层上沉积电子阻挡层，并在电子阻挡层上沉积P型层；电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，并且，第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力；由于生长压力越大，Al组分并入GaN层中越难，因此，第一AlGaN层中的Al组分含量高于第二AlGaN层中的Al组分含量；第一AlGaN层中的Al组分含量较高时，第一AlGaN层的带宽较大，对量子阱中的电子有较强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱；第二AlGaN层中的Al组分含量较低时，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。
图2示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法。该制备方法可以采用MOCVD(Metal～organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现。在该制备方法中，以高纯H2(氢气)、以及N2(氮气)作为载气，以TMGa(三甲基稼)或者TEGa(三乙基稼)作为Ga源，以TMAl(三甲基铝)作为Al源，以TMIn(三甲基铟)作为In源，以NH3(氨气)作为N源，用SiH4(硅烷)作为N型掺杂剂，用CP2Mg(二茂镁)作为P型掺杂剂。参见图2，该方法流程包括如下步骤。
步骤201、提供衬底。
示例性地，衬底可以为图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，简称PSS)。采用PSS生长GaN基发光二极管外延片，可以增强发光二极管的出射光亮度，同时反向漏电流减小，发光二极管的寿命也得到了延长。
步骤202、对衬底进行退火处理。
示例性地，可以在氢气气氛中对衬底进行退火处理，退火时间可以为8分钟，退火温度在1000℃与1200℃之间。通过退火处理可以清洁衬底表面。在退火完成后，还可以对衬底进行氮化处理。
步骤203、在衬底上沉积GaN缓冲层。
示例性地，GaN缓冲层(又称成核层)的生长温度可以是400℃～600℃，生长压力区间为400Torr～600Torr。GaN缓冲层的厚度可以是15至35nm。
示例性地，步骤203还可以包括：对GaN缓冲层进行退火处理。退火温度可以在1000℃～1200℃，退火时间可以在5分钟至10分钟之间，退火时压力可以是400Torr～600Torr。
步骤204、在GaN缓冲层上沉积未掺杂GaN层。
在完成GaN缓冲层的退火处理后，在GaN缓冲层上沉积未掺杂GaN层。示例性地，未掺杂GaN层的生长温度可以是1000℃～1100℃，生长压力可以是100Torr至500Torr之间。未掺杂GaN层的生长厚度可以是1.0至5.0微米。
步骤205、在未掺杂GaN层上沉积N型掺杂GaN层。
示例性地，N型掺杂GaN层的厚度在1～5微米之间，N型掺杂GaN层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力在100Torr至500Torr之间。N型掺杂GaN层为Si掺杂，Si掺杂浓度在1018cm-3～1019cm-3之间。
步骤206、在N型掺杂GaN层上沉积N型AlGaN层。
示例性地，N型AlGaN层的厚度在50～180nm，N型AlGaN层的生长温度为800℃～1100℃，生长压力在300Torr至500Torr之间。N型AlGaN层中Al的摩尔掺入量为0～0.3。
步骤207、在N型AlGaN层上沉积多量子阱层。
示例性地，多量子阱层可以由3到15个周期的量子阱垒层构成。量子阱垒层包括InxGa1-xN(0<x<1)量子阱和GaN量子垒，量子阱的厚度在3nm左右，生长温度的范围在720℃～829℃间，生长压力范围在100Torr与500Torr之间。量子垒的厚度在9nm至20nm间，生长温度在850℃～959℃之间，生长压力在100Torr到500Torr之间。
步骤208、在多量子阱层上沉积AlN层。
示例性地，AlN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为50～100Torr；AlN层的厚度为5～10nm。AlN层为P型掺杂AlN层，P型掺杂剂为CP2Mg，P型掺杂AlN层中Mg的掺杂浓度为2×1017cm-3～2×1018cm-3。
步骤209、在AlN层上沉积第一AlGaN层。
示例性地，第一AlGaN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为200～300Torr；第一AlGaN层的厚度为40～130nm。第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5。第一AlGaN层为P型掺杂第一AlGaN层，P型掺杂剂为CP2Mg，P型掺杂第一AlGaN层中Mg的掺杂浓度为2×1017cm-3～2×1018cm-3。
步骤210、在第一AlGaN层上沉积第二AlGaN层。
示例性地，第二AlGaN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为400～600Torr。第二AlGaN层的厚度为5～10nm。第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。第二AlGaN层为P型掺杂第二AlGaN层，P型掺杂剂为CP2Mg，P型掺杂第二AlGaN层中Mg的掺杂浓度为2×1017cm-3～2×1018cm-3。
通过步骤208～步骤210实现了，在多量子阱层上沉积电子阻挡层，电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层。
AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层中，AlN层的生长压力最低，Al组分含量最高，由于AlN层靠近量子阱，AlN层的带宽较大，相比于第一AlGaN层，对量子阱中的电子有更强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱。第二AlGaN层的生长压力最低，第二AlGaN层中的Al组分含量最低，由于第二AlGaN层靠近P型层，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至电子阻挡层中。由于电子阻挡层对空穴的阻挡作用在电子阻挡层与P型层的接触面最强，当空穴通过电子阻挡层与P型层的接触面跃迁至电子阻挡层后，电子阻挡层内部的阻挡作用小于电子阻挡层与P型层的接触面的阻挡作用，空穴能够克服电子阻挡层内部的阻挡作用跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。
步骤211、在第二AlGaN层上沉积P型掺杂GaN层。
P型掺杂GaN层的生长温度在850℃～1080℃之间，生长压力区间为200Torr～300Torr。P型掺杂GaN层的厚度在100nm至800nm之间。
步骤212、在P型掺杂GaN层上沉积P型复合接触层。
P型复合接触层的生长温度区间为850℃～1050℃，生长压力区间为100Torr～300Torr。P型复合接触层的厚度为5nm至300nm之间。
沉积P型复合接触层之后，可以将MOCVD的反应腔内温度降低，在氮气气氛中对外延片进行退火处理，退火温度可以为650℃～850℃，退火时间可以为5到15分钟，而后降至室温，结束外延片的生长。
图3示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片，参见图3，该外延片包括：衬底31、顺次在衬底31上沉积GaN缓冲层32、未掺杂GaN层33、N型掺杂GaN层34、N型AlGaN层35、多量子阱层36、电子阻挡层37和P型层38。电子阻挡层37包括顺次层叠在多量子阱层36上的第一AlGaN层372和第二AlGaN层373。第一AlGaN层372的生长压力小于第二AlGaN层373的生长压力。
通过电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层372和第二AlGaN层373，并且，第一AlGaN层372的生长压力小于第二AlGaN层373的生长压力；由于生长压力越大，Al组分并入GaN层中越难，因此，第一AlGaN372层中的Al组分含量高于第二AlGaN层373中的Al组分含量；第一AlGaN层372中的Al组分含量较高时，第一AlGaN层372的带宽较大，对量子阱中的电子有较强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱；第二AlGaN层372中的Al组分含量较低时，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。
示例性地，第一AlGaN层372的生长压力为200～300Torr；第二AlGaN层373的生长压力为400～600Torr。
下表1示出了第一AlGaN层和第二AlGaN层的生长压力变化对发光二极管的亮度的影响。
表1
参见表1，当第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr时，发光二极管的亮度达到最大值196.8mw，远超发光二极管的平均亮度，极大地提高了发光二极管的亮度。
示例性地，参见图4，电子阻挡层还包括AlN层371，AlN层371位于多量子阱层和第一AlGaN层372之间。AlN层371、第一AlGaN层372和第二AlGaN层373的生长压力逐层增大。
示例性地，AlN层371的生长压力为50～100Torr，第一AlGaN层372的生长压力为200～300Torr，第二AlGaN层373的生长压力为400～600Torr。
示例性地，第一AlGaN层372中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，第二AlGaN层373中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。
下表2示出了第一AlGaN层和第二AlGaN层的摩尔掺入量变化对发光二极管的亮度的影响。
表2
参见表2，当第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1时，发光二极管的亮度达到最大值195.7mw，远超发光二极管的平均亮度，极大地提高了发光二极管的亮度。
示例性地，AlN层371、第一AlGaN层372和第二AlGaN层373的生长温度均为850～1080℃。
示例性地，AlN层371的厚度为5～10nm，第一AlGaN层372的厚度为40～130nm，第二AlGaN层373的厚度为5～10nm。
表3示出了AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层的厚度变化对发光二极管的亮度的影响。参见表3，当AlN层的厚度为5～10nm，第一AlGaN层的厚度为40～130nm，第二AlGaN层的厚度为5～10nm时，即电子阻挡层为薄-厚-薄的复合层，发光二极管的亮度达到最大值196.6mw，远超平均亮度水平。
表3
| AlN层厚度(nm) | 第一AlGaN层厚度(nm) | 第二AlGaN层厚度(nm) | 亮度(mw) |
| 0～5 | 10～40 | 0～5 | 194.6 |
| 0～5 | 10～40 | 5～10 | 195.8 |
| 0～5 | 10～40 | 10～15 | 195.1 |
| 0～5 | 40～130 | 0～5 | 193.2 |
| 0～5 | 40～130 | 5～10 | 194.5 |
| 0～5 | 40～130 | 10～15 | 193.7 |
| 0～5 | 130～200 | 0～5 | 192.4 |
| 0～5 | 130～200 | 5～10 | 193.2 |
| 0～5 | 130～200 | 10～15 | 192.4 |
| 5～10 | 10～40 | 0～5 | 194.1 |
| 5～10 | 10～40 | 5～10 | 193.8 |
| 5～10 | 10～40 | 10～15 | 194.2 |
| 5～10 | 40～130 | 0～5 | 195.3 |
| 5～10 | 40～130 | 5～10 | 196.6 |
| 5～10 | 40～130 | 10～15 | 194.9 |
| 5～10 | 130～200 | 0～5 | 194.1 |
| 5～10 | 130～200 | 5～10 | 194.8 |
| 5～10 | 130～200 | 10～15 | 193.9 |
| 10～15 | 10～40 | 0～5 | 193.2 |
| 10～15 | 10～40 | 5～10 | 194.1 |
| 10～15 | 10～40 | 10～15 | 194.2 |
| 10～15 | 40～130 | 0～5 | 193.5 |
| 10～15 | 40～130 | 5～10 | 194.7 |
| 10～15 | 40～130 | 10～15 | 192.9 |
| 10～15 | 130～200 | 0～5 | 194.5 |
| 10～15 | 130～200 | 5～10 | 193.9 |
| 10～15 | 130～200 | 10～15 | 194 |
示例性地，衬底31为PSS。
示例性地，P型层38包括顺次层叠在电子阻挡层37上的P型掺杂GaN层381和P型复合接触层382。
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GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供衬底；
顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层；
在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力小于所述第二AlGaN层的生长压力；
在所述电子阻挡层上沉积P型层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：
在所述多量子阱层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；
在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电子阻挡层还包括AlN层，所述AlN层位于所述多量子阱层和所述第一AlGaN层之间，
所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：
在所述多量子阱层上沉积所述AlN层，所述AlN层的生长压力为50～100Torr；
在所述AlN层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；
在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述AlN层、所述第一AlGaN层和所述第二AlGaN层的生长温度均为850～1080℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为5～10nm，所述第一AlGaN层的厚度为40～130nm，所述第二AlGaN层的厚度为5～10nm。
6.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，所述第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底为图形化蓝宝石衬底。
8.一种GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括：衬底、顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力小于所述第二AlGaN层的生长压力。
9.根据权利要求8所述的外延片，其特征在于，
所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；
所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
10.根据权利要求8所述的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层还包括AlN层，所述AlN层位于所述多量子阱层和所述第一AlGaN层之间，所述AlN层的生长压力为50～100Torr，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。
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