CN109671816B - 一种发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，属于发光二极管制造领域。在N型GaN层与多量子阱层之间依次插入AlN层、N型GaN应力释放层，插入的AlN层可起到阻挡电子的作用，使得进入多量子阱层的电子的移动速率较低，有效避免出现电子因移动速率过快导致电子溢出多量子阱层的情况，电流得到拓展，使得更多的电子可在多量子阱层中与空穴进行复合；同时N型GaN应力释放层也可减小AlN层与多量子阱层之间的晶格失配，保证多量子阱层的生长质量，最终使得发光二极管的发光效率提升。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管制造领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及依次生长在衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层。
但在这种外延片中，由于电子的移动速率较快，导致部分电子可能会溢出多量子阱层进入P型GaN层，使得在多量子阱层中与空穴进行复合的电子数量减少，使得发光二极管的发光效率较低。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法，能够提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、AlN层、N型GaN应力释放层、多量子阱层及P型GaN层。
可选地，所述AlN层的厚度为10～30nm。
可选地，所述N型GaN应力释放层的厚度为50～80nm。
可选地，所述N型GaN层的厚度为2～3μm。
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长AlN层；
在所述AlN层上生长N型GaN应力释放层；
在所述N型GaN应力释放层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型GaN层，
其中，所述AlN层的生长温度为650～850℃，所述AlN层的生长温度低于所述N型GaN应力释放层。
可选地，所述AlN层的生长压力为100～150Torr。
可选地，所述N型GaN应力释放层的生长温度为850～900℃。
可选地，所述N型GaN应力释放层的生长压力为150～200Torr。
可选地，所述方法还包括：在所述多量子阱层上生长完P型GaN层之后，在氮气气氛中对所述外延片进行退火处理。
可选地，退火温度为650～850℃，退火时间为5～15min。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在N型GaN层与多量子阱层之间依次插入AlN层、N型GaN应力释放层，插入的AlN层可起到阻挡电子的作用，使得进入多量子阱层的电子的移动速率较低，有效避免出现电子因移动速率过快导致电子溢出多量子阱层的情况，电流得到拓展，使得更多的电子可在多量子阱层中与空穴进行复合；同时N型GaN应力释放层也可减小AlN层与多量子阱层之间的晶格失配，保证多量子阱层的生长质量，最终使得发光二极管的发光效率提升较大。
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的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的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的外延片的制备方法流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图。
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的外延片的结构示意图，如图1所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、AlN层5、N型GaN应力释放层6、多量子阱层7及P型GaN层8。
在N型GaN层4与多量子阱层7之间依次插入AlN层5、N型GaN应力释放层6，插入的AlN层5可起到阻挡电子的作用，使得进入多量子阱层7的电子的移动速率较低，有效避免出现电子因移动速率过快导致电子溢出多量子阱层7的情况，使得更多的电子可在多量子阱层7中与空穴进行复合，同时也使得电子进入多量子阱层7的面积变大，电流得到拓展，均可起到最终提高发光二极管的发光效率的作用；进一步地，同时N型GaN应力释放层6也可减小AlN层5与多量子阱层7之间的晶格失配，保证多量子阱层7的生长质量，最终使得发光二极管的发光效率提升较大。
图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图2所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、AlN层5、N型GaN应力释放层6、多量子阱层7、电子阻挡层9、P型GaN层8及P型接触层10。
可选地，衬底1可为蓝宝石衬底。
缓冲层2可包括依次层叠的AlN缓冲层21与AlGaN缓冲层22。缓冲层2包括依次层叠的AlN缓冲层21与AlGaN缓冲层22可有效减小在缓冲层2上生长的未掺杂GaN层3与衬底1之间的晶格失配，保证未掺杂GaN层3的质量，进而保证在未掺杂GaN层3上生长的外延薄膜的质量，最终使得发光二极管的发光效率有效提高。
其中，AlN缓冲层21的厚度可为10～30nm，AlGaN缓冲层22的厚度可为10～20nm。在此条件下可得到晶体质量较好的外延片。
示例性地，未掺杂GaN层3的厚度可为1～5μm，能够有效提高外延片的晶体质量。
可选地，N型GaN层4的厚度可为1～5μm，能够保证N型GaN层4提供充足的电子。
进一步地，N型GaN层4的厚度可为2～3μm，在保证N型GaN层4提供的电子数量的同时还可减小外延片所需的制作成本。
可选地，AlN层5的厚度可为10～30nm。AlN层5的厚度在此范围时能够起到电子阻挡作用的同时也可保证有足够的电子可进入多量子阱层7，最终得到的发光二极管的发光效率较好。
可选地，N型GaN应力释放层6的厚度为50～80nm。N型GaN应力释放层6的厚度在以上范围时能够保证在N型GaN应力释放层6上生长的多量子阱层7的质量较好，也能够提供充足的电子进入多量子阱层7，有利于提高发光二极管的发光效率。
示例性地，多量子阱层7可包括交替层叠的InGaN阱层71与GaN垒层72。InGaN阱层71的厚度可为2～3nm，GaN垒层72的厚度可为9～20nm。
电子阻挡层9的厚度、P型GaN层8的厚度可分别为20～100nm、100～800nm。此时得到的发光二极管的发光效率较小。
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图3所示，该方法包括：
S101：提供一衬底。
S102：在衬底上生长缓冲层。
S103：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
S104：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
S105：在N型GaN层上生长AlN层。
S106：在AlN层上生长N型GaN应力释放层。
S107：在N型GaN应力释放层上生长多量子阱层。
S108：在多量子阱层上生长P型GaN层。
其中，AlN层的生长温度为650～850℃，AlN层的生长温度低于N型GaN应力释放层。
在N型GaN层上生长的生长温度为650～850℃AlN层的质量较好，能够起到有效连接N型GaN层与N型GaN应力释放层的作用，也可保证在AlN层上生长的N型GaN应力释放层的质量进而保证进入多量子阱层的电子数量，AlN层还可起到阻挡电子的作用，使得进入多量子阱层的电子的移动速率较低，有效避免出现电子因移动速率过快导致电子溢出多量子阱层的情况，使得更多的电子可在多量子阱层中与空穴进行复合，同时也使得电子进入多量子阱层的面积变大，电流得到拓展，均可起到最终提高发光二极管的发光效率的作用；而AlN层的生长温度低于N型GaN应力释放层，可使得N型GaN应力释放层的生长质量得到保证，最终保证在N型GaN应力释放层上生长的多量子阱层的作用，同时N型GaN应力释放层也可减小AlN层与多量子阱层之间的晶格失配，保证多量子阱层的生长质量，最终使得发光二极管的发光效率提升较大。
执行完步骤S108之后的外延片结构可参见图1。
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图4所示，该方法包括：
S201：提供一衬底。
衬底可为蓝宝石衬底。
S202：在衬底上生长缓冲层。
步骤S202可包括在衬底上依次生长AlN缓冲层与AlGaN缓冲层。
其中AlN缓冲层可采用物理气相沉积PVD(physical vapor deposi-tion)的方式进行生长，这种生长方式得到的AlN缓冲层的表面质量较好，有利于提高外延片的整体质量。
其中，AlN缓冲层可通过磁控溅射生长。较容易实现。
可选地，在AlN缓冲层生长完成之后，可将生长有AlN缓冲层的衬底放入金属有机化合物化学气相淀积MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)系统中，并在氢气气氛中热处理10～15分钟。以保证在AlN缓冲层上生长的AlGaN缓冲层的质量。
可选地，AlGaN缓冲层的生长温度可为800～1000℃，AlGaN缓冲层的生长压力可为100～200Torr，AlGaN缓冲层的生长厚度可为10～20nm。在此条件下生长得到的AlGaN缓冲层可有效保证在其上生长的外延结构的质量，保证最终得到的外延片的质量。
S203：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。
未掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，未掺杂GaN层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下能够得到质量较好的未掺杂GaN层。
可选地，未掺杂GaN层的生长厚度可为1～5μm。
S204：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。
N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，N型GaN层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下能够得到质量较好的N型GaN层。
N型GaN层的生长厚度可为2～3μm。在此条件下的N型GaN层能够提供足够的电子并且降低外延片的制作成本。
S205：在N型GaN层上生长AlN层。
其中，AlN层的生长温度为650～850℃。
进一步地，AlN层的生长压力可为100～150Torr。在此条件下生长得到的AlN层与N型GaN层之间的连接较为紧密，AlN层中会出现的缺陷较少。
AlN层的生长厚度可为10～30nm。能够有效提高发光二极管发光效率。
S206：在AlN层上生长N型GaN应力释放层。
AlN层的生长温度低于N型GaN应力释放层。
可选地，N型GaN应力释放层的生长温度可为850～900℃。N型GaN应力释放层的生长温度设置在此范围内时，可使得在AlN层上生长的N型GaN应力释放层的质量较好。
进一步地，N型GaN应力释放层的生长压力可为150～200Torr。在此条件下得到的N型GaN应力释放层的质量可得到进一步提高。
N型GaN应力释放层的生长厚度可为50～80nm。
S207：在N型GaN应力释放层上生长多量子阱层。
多量子阱层可包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。InGaN阱层的生长厚度可为2～3nm，GaN垒层的生长厚度可为9～20nm。
InGaN阱层的生长温度可为720～829℃，GaN垒层的生长温度可为850～959℃，InGaN阱层的生长压力与GaN垒层的生长压力均可为100～500Torr。此时得到的多量子阱层的质量较好。
S208：在多量子阱层上生长电子阻挡层。
电子阻挡层可为p型AlyGa1-yN电子阻挡层，其中，0.1<y<0.5，电子阻挡层的生长厚度可为20～100nm。
p型AlyGa1-yN电子阻挡层的生长温度可为200～1000℃，p型AlyGa1-yN电子阻挡层的生长压力可为50～500Torr。在此条件下可生长得到质量较好的p型AlyGa1-yN电子阻挡层。
S209：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
其中，P型GaN层的生长温度可为600～1000℃，P型GaN层的生长压力可为100～300Torr。
S210：在P型GaN层上生长P型接触层。
P型接触层可为外延片的后续制作做准备。
执行完步骤S210之后的外延片的结构可参见图2。外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、AlN层5、N型GaN应力释放层6、多量子阱层7、电子阻挡层9、P型GaN层8及P型接触层10。
可选地，本方法还可包括：在多量子阱层上生长完P型GaN层之后，在氮气气氛中对外延片进行退火处理。以消除部分外延片中存在的应力，保证外延片的晶体质量。
其中，退火温度可为650～850℃，退火时间可为5～15min。这种设置可大幅度消除应力。
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 (5)
1.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底，所述衬底为蓝宝石衬底；
在所述衬底上生长缓冲层，所述缓冲层包括由下至上依次生长物理气相沉积得到的AlN缓冲层与金属有机化合物化学气相淀积得到的厚度为10～20nm的AlGaN缓冲层，所述AlN缓冲层的厚度为10～30nm；
在所述缓冲层上生长未掺杂GaN层；
在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层，所述N型GaN层的生长温度为1000～1200℃；
在所述N型GaN层上生长AlN层；
在所述AlN层上生长N型GaN应力释放层；
在所述N型GaN应力释放层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长P型GaN层，
其中，所述AlN层的厚度为10～30nm，所述N型GaN应力释放层的厚度为50～80nm，所述N型GaN层的厚度为2～3μm，所述AlN层的生长温度为650～850℃，所述AlN层的生长温度低于所述N型GaN应力释放层，所述N型GaN应力释放层的生长温度为850～900℃。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述AlN层的生长压力为100～150Torr。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型GaN应力释放层的生长压力为150～200Torr。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述多量子阱层上生长完P型GaN层之后，在氮气气氛中对所述外延片进行退火处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，退火温度为650～850℃，退火时间为5～15min。
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