CN109545924B - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

一种发光二极管外延片及其制造方法 Download PDF

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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、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述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，所述多个InGaN量子阱层包括靠近所述P型层的多个第一InGaN量子阱层，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且所述多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减，可以降低多量子阱层中InGaN量子阱层和GaN量子垒层之间的极化效应，从而提高LED的发光效率。

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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和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会不断积聚，InGaN量子阱层和GaN量子垒层间的极化效应也会越来越强，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，可以降低InGaN量子阱层和GaN量子垒层之间的极化效应，从而提高LED的发光效率。所述技术方案如下：
一方面，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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述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，
所述多个InGaN量子阱层包括靠近所述P型层的多个第一InGaN量子阱层，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且所述多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减。
进一步地，所述多个第一InGaN量子阱层的个数为n，2≤n≤5。
进一步地，所述多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层的厚度相差0.2～0.5nm。
进一步地，所述多个第一InGaN量子阱层中最靠近所述N型层的第一InGaN量子阱层的厚度为3～4nm。
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低温缓冲层、高温缓冲层、N型层；
在所述N型层上生长多量子阱层，所述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，所述多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且所述多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减；
在所述多量子阱层上依次生长电子阻挡层和所述P型层。
进一步地，生长相邻的两个第一InGaN层时，反应室内通入的In源的流量相差100～500sccm。
进一步地，生长最靠近所述N型层的第一InGaN量子阱层时，反应室内通入的In源的流量为2000～2500sccm。
进一步地，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的生长温度逐渐降低。
进一步地，所述多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层中的温度相差5～10℃。
进一步地，所述多个InGaN量子阱层中除所述第一InGaN量子阱层之外的其它InGaN量子阱层的生长温度为760～780℃。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
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，其中多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从N型层到P型层方向上，多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减，因此多个第一InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配程度逐渐减小，应力逐渐减小，极化效应也逐渐减弱，多量子阱层中电子和空穴的空间分离程度逐渐减轻，即电子和空穴的波函数重叠程度增加，因此电子和空穴发生辐射复合的效率提高，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另一种发光二极管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，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、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型层7，多量子阱层5包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52。
多个InGaN量子阱层51包括靠近P型层7的多个第一InGaN量子阱层511，从N型层4到P型层7方向上，多个第一InGaN量子阱层511的厚度逐层递减，且多个第一InGaN量子阱层511中In的含量逐层递减。
进一步地，多个第一InGaN量子阱层511的个数为n，2≤n≤5。若n小于2，则起不到降低多量子阱层5的极化效应的效果。若n大于5，则会因为多个第一InGaN量子阱层511的厚度和In的含量减少较多而降低载流子的利用率，影响LED的发光效率。
优选地，3≤n≤5，此时既可减弱多量子阱层5的极化效应又可使载流子的利用率达到最佳。
进一步地，多个第一InGaN量子阱层511中相邻的两个第一InGaN量子阱层511的厚度相差0.2～0.5nm。若差值小于0.2nm，会因为厚度减薄较少而影响减弱极化效应的效果。若差值大于0.5nm，又会因为减薄厚度较多而影响载流子的利用率。
优选地，多个第一InGaN量子阱层511中相邻的两个第一InGaN量子阱层511的厚度相差0.25～0.45nm，此时即可减弱多量子阱层5的极化效应又可使载流子的利用率达到最佳。
可选地，多个第一InGaN量子阱层511中最靠近N型层4的第一InGaN量子阱层511的厚度为3～4nm。
进一步地，生长相邻的两个第一InGaN量子阱层511时，反应室内通入的In源的流量相差100～500sccm。若差值小于100sccm，则会导致相邻的两个第一InGaN量子阱层中In含量相差较小，而起不到降低多量子阱层5的极化效应的效果。若差值大于500sccm，则会导致相邻的两个第一InGaN量子阱层中In含量相差较大，In含量相差较大会影响载流子的局域化，从而影响LED的发光效率。
优选地，生长相邻的两个第一InGaN量子阱层511时，反应室内通入的In源的流量相差140～400sccm。此时即可保证对多量子阱层5的极化效应的减弱效果又可以保证LED的发光效率。
可选地，生长最靠近N型层4的第一InGaN量子阱层511时，反应室内通入的In源的流量为2000～2500sccm。
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GaN层，厚度为15～30nm。
可选地，高温缓冲层3可以为不掺杂的GaN层，厚度为2～3.5um。
可选地，N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为2～3um。
可选地，电子阻挡层6可以为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)，厚度为30～50nm。
可选地，P型层7可以为掺Mg的GaN层，厚度为50～80nm。
本发明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，其中多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从N型层到P型层方向上，多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减，因此多个第一InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配程度逐渐减小，应力逐渐减小，极化效应也逐渐减弱，多量子阱层中电子和空穴的空间分离程度逐渐减轻，即电子和空穴的波函数重叠程度增加，因此电子和空穴发生辐射复合的效率提高，最终提高了LED的发光效率。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图，如图2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、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型层7，多量子阱层5包括多个周期交替生长的InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52。
多个InGaN量子阱层51包括靠近P型层7的3个第一InGaN量子阱层511，3个第一InGaN量子阱层511分别为第一InGaN量子阱层511a、第一InGaN量子阱层511b和第一InGaN量子阱层511c。
其中，第一InGaN量子阱层511a至P型层7的距离大于第一InGaN量子阱层511b至P型层7的距离，第一InGaN量子阱层511b至P型层7的距离大于第一InGaN量子阱层511c至P型层7的距离。
在本实施例中，第一InGaN量子阱层511a的厚度为3～4nm，第一InGaN量子阱层511b的厚度为2.5～3.5nm，第一InGaN量子阱层511c的厚度为2～3nm。
生长第一InGaN量子阱层511a时，反应室内通入的In源的流量为2000～2500sccm，生长第一InGaN量子阱层511b时，反应室内通入的In源的流量为1500～2000sccm，生长第一InGaN量子阱层511c时，反应室内通入的In源的流量为1000～1500sccm。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。低温缓冲层2可以为GaN层，厚度为15～30nm。高温缓冲层3可以为不掺杂的GaN层，厚度为2～3.5um。N型层4可以为掺Si的GaN层，厚度为2～3um。电子阻挡层6可以为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)，厚度为30～50nm。P型层7可以为掺Mg的GaN层，厚度为50～80nm。
将本发明实施例提供的LED外延片经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成单颗9*27mil的LED芯片。
经过测试后发现，现有技术制成的10*30mil的LED芯片，在150mA驱动电流下的光强为300mW，采用本发明实施例提供LED芯片，在150mA驱动电流下的光强为315.5W，发光效率约提升了5.17％。
本发明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，其中多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从N型层到P型层方向上，多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减，因此多个第一InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配程度逐渐减小，应力逐渐减小，极化效应也逐渐减弱，多量子阱层中电子和空穴的空间分离程度逐渐减轻，即电子和空穴的波函数重叠程度增加，因此电子和空穴发生辐射复合的效率提高，最终提高了LED的发光效率。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，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的方法流程图，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。
步骤301还可以包括：
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5～6min，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302、在衬底上生长低温缓冲层。
具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石衬底的[0001]面上。
在本实施例中，低温GaN层即低温缓冲层，厚度为15～30nm。生长低温缓冲层时，反应室温度为530～560℃，反应室压力控制在200～500torr。
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GaN层即高温缓冲层，高温缓冲层可以为不掺杂的GaN层，厚度为2～3.5um。生长高温缓冲层时，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～600torr。
步骤304、在高温缓冲层上生长N型层。
具体地，N型层可以为掺Si的GaN层，厚度为2～3um。生长N型层时，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～300torr。
步骤305、在N型层上生长多量子阱层。
具体地，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。多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从N型层到P型层方向上，多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减。
在本实施例中，多个第一InGaN量子阱层的个数为n，2≤n≤5。
在本实施例中，多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层的厚度相差0.2～0.5nm。
在本实施例中，生长相邻的两个第一InGaN层时，反应室内通入的In源的流量相差100～500sccm。
其中，生长最靠近N型层的第一InGaN量子阱层时，反应室内通入的In源的流量为2000～2500sccm。
具体地，生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层时，反应室压力控制在200torr，生长GaN量子垒层时，反应室温度控制在860～890℃。
生长除第一InGaN量子阱层之外的其它InGaN量子阱层时，反应室温度为760～780℃，反应室内通入的In源的流量为2000～2500sccm。
从N型层到P型层方向上，多个第一InGaN量子阱层的生长温度逐渐降低，且多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层中的温度相差5～10℃。
在本实施例中，多个第一InGaN量子阱层中最靠近N型层的第一InGaN量子阱层的生长温度为760～780℃。
步骤306、在多量子阱层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层为掺Al、掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)，电子阻挡层的厚度为30～50nm。
具体地，生长电子阻挡层时，反应室温度为930～970℃，反应室压力控制在100torr。
步骤307、在电子阻挡层上生长P型层。
在本实施例中，P型层为掺Mg的GaN层，厚度为50～80nm。
具体地，生长P型层时，反应室温度为940～980℃，反应室压力控制在200～600torr。
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，其中多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从N型层到P型层方向上，多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减，因此多个第一InGaN量子阱层与GaN量子垒层之间的晶格失配程度逐渐减小，应力逐渐减小，极化效应也逐渐减弱，多量子阱层中电子和空穴的空间分离程度逐渐减轻，即电子和空穴的波函数重叠程度增加，因此电子和空穴发生辐射复合的效率提高，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 (8)

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、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述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，其特征在于，
所述多个InGaN量子阱层包括靠近所述P型层的多个第一InGaN量子阱层，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且所述多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减；
所述多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层的厚度相差0.2～0.5nm；
所述多个第一InGaN量子阱层中最靠近所述N型层的第一InGaN量子阱层的厚度为3～4nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多个第一InGaN量子阱层的个数为n，2≤n≤5。
3.一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、N型层；
在所述N型层上生长多量子阱层，所述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，所述多个InGaN量子阱层包括靠近P型层的多个第一InGaN量子阱层，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的厚度逐层递减，且所述多个第一InGaN量子阱层中In的含量逐层递减；所述多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层的厚度相差0.2～0.5nm；所述多个第一InGaN量子阱层中最靠近所述N型层的第一InGaN量子阱层的厚度为3～4nm；
在所述多量子阱层上依次生长电子阻挡层和所述P型层。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，生长相邻的两个第一InGaN层时，反应室内通入的In源的流量相差100～500sccm。
5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，生长最靠近所述N型层的第一InGaN量子阱层时，反应室内通入的In源的流量为2000～2500sccm。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，从所述N型层到所述P型层方向上，所述多个第一InGaN量子阱层的生长温度逐渐降低。
7.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述多个第一InGaN量子阱层中相邻的两个第一InGaN量子阱层中的温度相差5～10℃。
8.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述多个第一InGaN量子阱层中最靠近所述N型层的第一InGaN量子阱层的生长温度为760～780℃。
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