CN109473520A - 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。外延片的有源层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，InGaN量子阱层包括沿有源层的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层和多个第二量子阱层，多个第一量子阱层和多个第二量子阱层之间设有多个交替设置的第三量子阱层和第四量子阱层。第一量子阱层的厚度小于等于第三量子阱层的厚度，第一量子阱层的厚度小于第四量子阱层的厚度，第三量子阱层的厚度小于等于第四量子阱层的厚度，第四量子阱层的厚度小于等于第二量子阱层的厚度。该结构可以减少有源层内的极化效应，使得更多的电子和空穴能够在有源层中辐射复合发光，从而提高LED的发光效率。
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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层和P型层。N型层为掺Si的GaN层，可以提供电子，P型层为掺Mg的GaN层，可以提供空穴。有源层由多个周期的超晶格结构组成，每个周期的超晶格结构均包括InGaN阱层和GaN垒层。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，向有源层迁移，并在有源层中辐射复合发光。
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：
InGaN阱层和GaN垒层之间存在极化电场，会产生极化效应。极化效应会减小电子波函数和空穴波函数的重叠区域，进而影响到电子和空穴的辐射复合效率。阱层的厚度越厚，阱层和垒层之间的极化效应会越大。随着阱层个数增多，各阱层与垒层之间的极化效应会累积，使得有源层中靠近P型层的几个阱层与垒层之间的极化效应较大，而靠近P型层的几个阱层为主要的发光层，因此会导致LED的发光效率较低。
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，可以减小有源层中的极化效应，从而提高LED的发光效率。所述技术方案如下：
一方面，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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，
所述InGaN量子阱层包括沿所述有源层的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层和多个第二量子阱层，所述多个第一量子阱层和所述多个第二量子阱层之间设有多个交替设置的第三量子阱层和第四量子阱层；
所述有源层中的每个量子阱层的厚度均为0.5～3nm，所述第一量子阱层的厚度小于等于所述第三量子阱层的厚度，所述第一量子阱层的厚度小于所述第四量子阱层的厚度，所述第三量子阱层的厚度小于等于所述第四量子阱层的厚度，所述第四量子阱层的厚度小于等于所述第二量子阱层的厚度。
进一步地，每个所述第一量子阱层的厚度为0.5～1nm。
进一步地，每个所述第二量子阱层的厚度为3～5nm。
进一步地，每个所述第三量子阱层的厚度为1～2nm。
进一步地，每个所述第四量子阱层的厚度为2～3nm。
进一步地，所述多个第一量子阱层中的In的含量大于所述多个第三量子阱层中的In的含量，所述多个第三量子阱层中的In的含量大于所述多个第四量子阱层中的In的含量，所述多个第四量子阱层中的In的含量大于所述多个第二量子阱层中的In的含量。
另一方面，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低温缓冲层、高温缓冲层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层包括沿所述有源层的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层和多个第二量子阱层，所述多个第一量子阱层和所述多个第二量子阱层之间设有多个交替设置的第三量子阱层和第四量子阱层；所述有源层中的每个量子阱层的厚度均为0.5～3nm，所述第一量子阱层的厚度小于等于所述第三量子阱层的厚度，所述第一量子阱层的厚度小于所述第四量子阱层的厚度，所述第三量子阱层的厚度小于等于所述第四量子阱层的厚度，所述第四量子阱层的厚度小于等于所述第二量子阱层的厚度；
在所述有源层上生长P型层。
进一步地，所述第一量子阱层、所述第二量子阱层、所述第三量子阱层和所述第四量子阱层的生长温度相等。
进一步地，所述第一量子阱层、所述第二量子阱层、所述第三量子阱层和所述第四量子阱层的生长压力相等。
进一步地，所述多个第一量子阱层中的In的含量大于所述多个第三量子阱层中的In的含量，所述多个第三量子阱层中的In的含量大于所述多个第四量子阱层中的In的含量，所述多个第四量子阱层中的In的含量大于所述多个第二量子阱层中的In的含量。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将靠近N型层的多个第一量子阱层的厚度设置的较薄，可以使得第一量子阱层与量子垒层之间产生的极化效应较小，则多个第一量子阱层与量子垒层之间累积的极化效应较小。由于第三量子阱层的厚度小于第四量子阱层的厚度，因此多个厚度较薄的第三量子阱层和多个厚度较厚的第四量子阱层交替设置。薄厚相间的量子阱层与量子垒层间会产生不同强度的极化效应，即厚度较薄的第三量子阱层的极化效应较小，厚度较厚的第四量子阱层的极化效应较大。不同强度的极化效应会产生不同扭曲程度、以及不同方向的能带，而不在同一水平线方向上的能带会互相抵消掉，从而释放掉一部分极化效应，使得多个第二量子阱层处最终累积的极化效应较小。由于多个第二量子阱层靠近P型层，因此多个第二量子阱层为主要的发光层，将多个第二量子阱层设置的较厚，可以使得更多的电子和空穴能够在多个第二量子阱层中辐射复合发光，从而提高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有源层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图。
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外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型层4、有源层5和P型接触层6。
图2是本发明实施例提供的一种有源层的结构示意图，如图2所示，有源层5包括N个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层52。
InGaN量子阱层包括沿有源层5的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层511和多个第二量子阱层512，多个第一量子阱层511和多个第二量子阱层512之间设有多个交替设置的第三量子阱层513和第四量子阱层514。
有源层5中的每个量子阱层的厚度均为0.5～3nm，第一量子阱层511的厚度小于等于第三量子阱层513的厚度，第一量子阱层511的厚度小于第四量子阱层514的厚度，第三量子阱层513的厚度小于等于第四量子阱层514的厚度，第四量子阱层514的厚度小于等于第二量子阱层512的厚度。
本发明实施例通过将靠近N型层的多个第一量子阱层的厚度设置的较薄，可以使得第一量子阱层与量子垒层之间产生的极化效应较小，则多个第一量子阱层与量子垒层之间累积的极化效应较小。由于第三量子阱层的厚度小于第四量子阱层的厚度，因此多个厚度较薄的第三量子阱层和多个厚度较厚的第四量子阱层交替设置。薄厚相间的量子阱层与量子垒层间会产生不同强度的极化效应，即厚度较薄的第三量子阱层的极化效应较小，厚度较厚的第四量子阱层的极化效应较大。不同强度的极化效应会产生不同扭曲程度、以及不同方向的能带，而不在同一水平线方向上的能带会互相抵消掉，从而释放掉一部分极化效应，使得多个第二量子阱层处最终累积的极化效应较小。由于多个第二量子阱层靠近P型层，因此多个第二量子阱层为主要的发光层，将多个第二量子阱层设置的较厚，可以使得更多的电子和空穴能够在多个第二量子阱层中辐射复合发光，从而提高LED的发光效率。
可选地，8≤N≤18。若有源层5中阱层和垒层的周期数过少，会因为生长循环较少而影响到电子和空穴复合的辐射几率。若有源层5中阱层和垒层的周期数过多，有源层5中累积的极化效应就会越强，同时还会增加生产成本。
优选地，8≤N≤16，既可保证电子和空穴的辐射复合几率，又可减小极化效应的累积，降低生产成本。
进一步地，每个第一量子阱层511的厚度为0.5～1nm。若第一量子阱层511的厚度过薄，会影响LED的发光效率。第一量子阱层511的厚度过厚，又会造成有源层5内极化效应累积过大。
优选地，每个第一量子阱层511的厚度为0.5～0.8nm，既可保证LED的发光效率和又可减小极化效应的累积。
可选地，有源层包括n1个第一量子阱层511，2≤n1≤5。若第一量子阱层511的个数太少，则无法起到减少极化效应的累积的作用。若第一量子阱层511的个数太多，会增加生产成本和生长效率。
优选地，2≤n1≤4，既可减小有源层5内累积的极化效应，又可以降低生产成本，提高生长效率。
进一步地，每个第二量子阱层512的厚度为3～5nm。由于第二量子阱层512靠近P型层，因此第二量子阱层512为主要的发光层。若第二量子阱层512的厚度过薄，则电子和空穴进行辐射复合发光的区域减少，会导致LED的发光效率降低。若第二量子阱层512的厚度过厚，则第二量子阱层512与垒层之间会产生较大的极化效应，从而影响到LED发光效率。
优选地，每个第二量子阱层512的厚度为3.5～5nm，即可以保证电子和空穴能够有足够的区域进行辐射复合发光，又可以保证第二量子阱层512与垒层之之间的极化效应不会过大，提高了LED的发光效率。
可选地，有源层包括n2个第二量子阱层512，3≤n2≤5。若第二量子阱层512的个数太少，则无法起到减少极化效应的累积的作用。若第二量子阱层512的个数太多，会增加生产成本和生长效率。
优选地，3≤n2≤4，既可减小有源层5内累积的极化效应，又可以降低生产成本，提高生长效率。
进一步地，每个第三量子阱层513的厚度为1～2nm。由于第三量子阱层513位于有源层5的中部，部分电子和空穴也会在第三量子阱层513中进行辐射复合发光，若第三量子阱层513的厚度过薄，会影响LED的发光效率。若第三量子阱层513的厚度过厚，又会造成有源层5内极化效应累积过大。
优选地，每个第三量子阱层513的厚度为1～1.8nm，即可保证LED的发光效率和又可减小极化效应的累积。
进一步地，每个第四量子阱层514的厚度为2～3nm。由于第四量子阱层514位于有源层5的中部，部分电子和空穴也会在第四量子阱层514中进行辐射复合发光，若第四量子阱层514的厚度过薄，会影响LED的发光效率。若第四量子阱层514的厚度过厚，又会造成有源层5内极化效应累积过大。
优选地，每个第四量子阱层514的厚度为2～2.8nm，即可保证LED的发光效率和又可减小极化效应的累积。
可选地，有源层包括n3个第三量子阱层513和n4个第四量子阱层514，2≤n3＝n4≤8。若第三量子阱层513和第四量子阱层514的个数较少，则起不到释放极化效应的作用。若第三量子阱层513和第四量子阱层514的个数较多，会增加生产成本。
优选地，4≤n3＝n4≤6，即可起到释放极化效应的作用，又可降低生产成本。
进一步地，多个第一量子阱层511中的In的含量大于多个第三量子阱层513中的In的含量，多个第三量子阱层513中的In的含量大于多个第四量子阱层514中的In的含量，多个第四量子阱层514中的In的含量大于多个第二量子阱层512中的In的含量。则多个量子阱层中的In含量沿有源层5的层叠方向逐渐减少，靠近P型层的多个第二量子阱层512中的In含量最少，可以进一步降低多个第二量子阱层512与量子垒层52之间产生的极化效应，以进一步提高LED的发光效率。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，低温缓冲层2可以为厚度为15～30nm的GaN层。
可选地，高温缓冲层3可以为厚度为2～3.5um的GaN层。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为2～3um。
在本实施例中，发光二极管外延片还可以包括设置在有源层5和P型层6之间的电子阻挡层7，电子阻挡层7可以为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.15<y<0.25，厚度为30～50nm。
可选地，P型层6可以为高温高掺杂Mg的GaN层，厚度为50～80nm。
图3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流程图，如图3所示，该制造方法包括：
步骤301、提供一衬底。
在本实施例中，衬底为蓝宝石衬底。
具体地，步骤301还可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5～6min。其中，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～500torr。
步骤302、在衬底上生长低温缓冲层。
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。
具体地，将衬底放入MOCVD设备的反应室中，控制反应室温度为530～560℃，压力为200～500torr，在蓝宝石衬底的[0001]面上生长厚度为15～30nm的低温缓冲层。
步骤303、在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，高温缓冲层可以为不掺杂的GaN层。
具体地，控制反应室温度为1000～1100℃，压力为200～600torr，生长厚度为2～3.5um的高温缓冲层。
步骤304、在高温缓冲层上生长N型层。
在本实施例中，N型层为掺Si的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在1000～1100℃，压力控制在200～300torr，生长厚度为2～3um的N型层。
步骤305、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括N个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
可选地，8≤N≤18。若有源层中阱层和垒层的周期数过少，会因为生长循环较少而影响到电子和空穴复合的辐射几率。若有源层中阱层和垒层的周期数过多，有源层中累积的极化效应就会越强，同时还会增加生产成本。
优选地，8≤N≤16，即可以保证电子和空穴的辐射复合几率，又可以减小极化效应的累积，降低生产成本。
在本实施例中，有源层包括沿有源层的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层和多个第二量子阱层，多个第一量子阱层和多个第二量子阱层之间设有多个交替设置的第三量子阱层和第四量子阱层。
有源层中的每个量子阱层的厚度均为0.5～3nm。第一量子阱层的厚度小于等于第三量子阱层的厚度，第一量子阱层的厚度小于第四量子阱层的厚度，第三量子阱层的厚度小于等于第四量子阱层的厚度，第四量子阱层的厚度小于等于第二量子阱层的厚度。
进一步地，有源层包括n1个第一量子阱层，2≤n1≤5，每个第一量子阱层的厚度为0.5～1nm。
在本实施例中，有源层包括2～4个第一量子阱层，每个第一量子阱层的厚度为0.5～0.8nm。
进一步地，有源层包括n2个第二量子阱层，3≤n2≤5，每个第二量子阱层的厚度为3～5nm。
在本实施例中，有源层包括3～4个第二量子阱层，每个第二量子阱层的厚度为3.5～5nm。
进一步地，有源层包括n3个第三量子阱层和n4个第四量子阱层，2≤n3＝n4≤8，每个第三量子阱层的厚度为1～2nm，每个第四量子阱层的厚度为2～3nm。
在本实施例中，有源层包括4～6个第三量子阱层和4～6个第四量子阱层，每个第三量子阱层的厚度为1～2nm，每个第四量子阱层的厚度为2～3nm。
在本实施例中，多个第一量子阱层中的In的含量大于多个第三量子阱层中的In的含量，多个第三量子阱层中的In的含量大于多个第四量子阱层中的In的含量，多个第四量子阱层中的In的含量大于多个第二量子阱层中的In的含量。则多个量子阱层中的In含量沿有源层的层叠方向逐渐减少，靠近P型层的多个第二量子阱层中的In含量最少，可以进一步降低多个第二量子阱层与量子垒层之间产生的极化效应，以进一步提高LED的发光效率。
在本实施例中，第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层和第四量子阱层的生长温度和生长压力均相等。
具体地，在生长第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层和第四量子阱层时，控制反应室温度为750～800℃。若生长温度过高，会使得量子阱层中In析出严重，影响LED的发光强度。若生长温度过低，虽然In的含量可保证，但生长出的量子阱层的缺陷较多，晶体质量差，同样会导致非辐射复合的发生，进而影响LED的发光强度。
在生长第一量子阱层、第二量子阱层、第三量子阱层和第四量子阱层时，控制反应室压力为150～200torr。若生长压力过高，会导致量子阱层向三维生长的方向发展，不利于量子阱层的晶体生长。若生长压力过低，会导致外延片的生长效率较低，且不利于量子阱层中In的并入。
进一步地，将反应室的温度控制在850～950℃，压力控制在150～200torr，生长厚度为6～15nm的GaN量子垒层。
步骤306、在有源层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层可以为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.15<y<0.25。
具体地，将反应室温度控制在930℃～970℃，压力控制在100～500torr，生长厚度为30～50nm的电子阻挡层。
步骤307、在电子阻挡层上生长P型层。
在本实施例中，P型层为高温高掺杂Mg的GaN层。
具体地，将反应室温度控制在940℃～980℃，压力控制在200～600torr，生长厚度为50～80nm的掺Mg的P型GaN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。
本发明实施例通过将靠近N型层的多个第一量子阱层的厚度设置的较薄，可以使得第一量子阱层与量子垒层之间产生的极化效应较小，则多个第一量子阱层与量子垒层之间累积的极化效应较小。由于第三量子阱层的厚度小于第四量子阱层的厚度，因此多个厚度较薄的第三量子阱层和多个厚度较厚的第四量子阱层交替设置。薄厚相间的量子阱层与量子垒层间会产生不同强度的极化效应，即厚度较薄的第三量子阱层的极化效应较小，厚度较厚的第四量子阱层的极化效应较大。不同强度的极化效应会产生不同扭曲程度、以及不同方向的能带，而不在同一水平线方向上的能带会互相抵消掉，从而释放掉一部分极化效应，使得多个第二量子阱层处最终累积的极化效应较小。由于多个第二量子阱层靠近P型层，因此多个第二量子阱层为主要的发光层，将多个第二量子阱层设置的较厚，可以使得更多的电子和空穴能够在多个第二量子阱层中辐射复合发光，从而提高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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其特征在于，
所述InGaN量子阱层包括沿所述有源层的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层和多个第二量子阱层，所述多个第一量子阱层和所述多个第二量子阱层之间设有多个交替设置的第三量子阱层和第四量子阱层；
所述有源层中的每个量子阱层的厚度均为0.5～3nm，所述第一量子阱层的厚度小于等于所述第三量子阱层的厚度，所述第一量子阱层的厚度小于所述第四量子阱层的厚度，所述第三量子阱层的厚度小于等于所述第四量子阱层的厚度，所述第四量子阱层的厚度小于等于所述第二量子阱层的厚度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每个所述第一量子阱层的厚度为0.5～1nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每个所述第二量子阱层的厚度为3～5nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每个所述第三量子阱层的厚度为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，每个所述第四量子阱层的厚度为2～3nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多个第一量子阱层中的In的含量大于所述多个第三量子阱层中的In的含量，所述多个第三量子阱层中的In的含量大于所述多个第四量子阱层中的In的含量，所述多个第四量子阱层中的In的含量大于所述多个第二量子阱层中的In的含量。
7.一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低温缓冲层、高温缓冲层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述InGaN量子阱层包括沿所述有源层的层叠方向依次设置的多个第一量子阱层和多个第二量子阱层，所述多个第一量子阱层和所述多个第二量子阱层之间设有多个交替设置的第三量子阱层和第四量子阱层；所述有源层中的每个量子阱层的厚度均为0.5～3nm，所述第一量子阱层的厚度小于等于所述第三量子阱层的厚度，所述第一量子阱层的厚度小于所述第四量子阱层的厚度，所述第三量子阱层的厚度小于等于所述第四量子阱层的厚度，所述第四量子阱层的厚度小于等于所述第二量子阱层的厚度；
在所述有源层上生长P型层。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第一量子阱层、所述第二量子阱层、所述第三量子阱层和所述第四量子阱层的生长温度相等。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第一量子阱层、所述第二量子阱层、所述第三量子阱层和所述第四量子阱层的生长压力相等。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述多个第一量子阱层中的In的含量大于所述多个第三量子阱层中的In的含量，所述多个第三量子阱层中的In的含量大于所述多个第四量子阱层中的In的含量，所述多个第四量子阱层中的In的含量大于所述多个第二量子阱层中的In的含量。
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