CN109786519A - 一种发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents

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。设置在多量子阱层与低温P型GaN层之间的第一MgAlGaN层较高的势垒可以起到限制电子由多量子阱层溢流至低温P型GaN层的作用，保证更多的电子可在多量子阱层内与空穴复合发光。而第一MgAlGaN层本身可起到提供空穴的作用，增加进入多量子阱层的空穴数量，在多量子阱层内复合发光的电子与空穴数量增加，发光二极管的发光效率能够得到进一步提高。

Description

一种发光二极管的外延片及其制备方法

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、GaN/AlGaN超晶格结构电子阻挡层、低温P型GaN层、AlGaN电子阻挡层及P型GaN层。

当前设置在多量子阱层与低温P型GaN层之间的GaN/AlGaN超晶格结构电子阻挡层可以起到阻挡电子由多量子阱层溢流至低温P型GaN层的作用，将更多的电子限制在多量子阱层中与空穴进行复合发光。但GaN/AlGaN超晶格结构电子阻挡层本身的势垒较低，其限制电子溢流的作用有限，最终得到的发光二极管的发光效率仍然较低。

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、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层、第一MgAlGaN层、低温P型GaN层、第二MgAlGaN层及P型GaN层。

可选地，所述第一MgAlGaN层中Mg的组分为0.1～0.3。

可选地，所述第一MgAlGaN层中Al的组分为0.2～0.7。

可选地，所述第一MgAlGaN层的厚度为1～10nm。

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层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长第一MgAlGaN层；

在所述第一MgAlGaN层上生长低温P型GaN层；

在所述低温P型GaN层上生长第二MgAlGaN层；

在所述第二MgAlGaN层上生长P型GaN层。

可选地，所述第一MgAlGaN层的生长温度为800～880℃。

可选地，所述第一MgAlGaN层的生长压力为80～120Torr。

可选地，所述第一MgAlGaN层的生长时间为1～2min。

可选地，所述第一MgAlGaN层的生长转速为800～1200r/min。

可选地，在所述多量子阱层上生长第一MgAlGaN层时，向反应腔内通入100～300sccm的Mg源。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：设置在多量子阱层与低温P型GaN层之间的第一MgAlGaN层较高的势垒可以起到限制电子由多量子阱层溢流至低温P型GaN层的作用，保证更多的电子可在多量子阱层内与空穴复合发光。而第一MgAlGaN层本身可起到提供空穴的作用，增加进入多量子阱层的空穴数量，在多量子阱层内复合发光的电子与空穴数量增加，发光二极管的发光效率能够得到进一步提高。

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、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、第一MgAlGaN层6、低温P型GaN层7、第二MgAlGaN层8及P型GaN层9。

设置在多量子阱层5与低温P型GaN层7之间的第一MgAlGaN层6较高的势垒可以起到限制电子由多量子阱层5溢流至低温P型GaN层7的作用，保证更多的电子可在多量子阱层5内与空穴复合发光。而第一MgAlGaN层6本身可起到提供空穴的作用，增加进入多量子阱层5的空穴数量，在多量子阱层5内复合发光的电子与空穴数量增加，发光二极管的发光效率能够得到进一步提高。

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、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、N型Al掺杂复合层10、多量子阱层5、第一MgAlGaN层6、低温P型GaN层7、第二MgAlGaN层8及P型GaN层9、P型接触层11。

相对图1中本发明实施例提供的外延片结构，图2中本发明实施例在N型GaN层4与多量子阱层5之间增加了N型Al掺杂复合层10，N型Al掺杂复合层10包括AlGaN层，其可起到释放应力的作用。

N型Al掺杂复合层10的厚度可为50～180nm。此条件下得到的外延片的质量较好。

而P型GaN层9上生长的P型接触层11则可为外延片的后续制备过程做准备。

示例性地，P型接触层11的厚度可为50～300nm，可保证发光二极管的外延片的质量。

本发明实施例中，衬底1可为图形化蓝宝石衬底。在本发明实施例提供的其他情况中，衬底1也可为硅衬底或者其他材料的衬底，本发明对此不做限制。

可选地，缓冲层2可包括AlN缓冲层21与三维小岛氮化层22。这种设置能够较好地提高在缓冲层2上生长的未掺杂的GaN层的生长质量。

其中，AlN缓冲层21的厚度可为10～30nm。三维小岛氮化层22的厚度可为0.6～1.2μm。此时能够得到晶体质量较好的外延片。

可选地，未掺杂的GaN层3的厚度可为1～3μm。

示例性地，N型GaN层4的厚度可为2～3.5μm。

示例性地，多量子阱层5可包括交替层叠的InGaN阱层51与GaN垒层52。InGaN阱层51的厚度可为2～3nm，GaN垒层52的厚度可为5～15nm。

其中，其中一个InGaN阱层51的厚度与其中一个GaN垒层52的厚度之后为8～18nm。得到的外延片的整体质量较好，发光效率也较好。

可选地，多量子阱层5中InGaN阱层51的层数与GaN垒层52的层数均可为10～15，能够得到质量较好的多量子阱层5。

可选地，第一MgAlGaN层6中Mg的组分可为0.1～0.3。第一MgAlGaN层6中Mg的组分在此范围内时，第一MgAlGaN层6可提供足够的空穴的同时保证第一MgAlGaN层6的生长质量较好，能够有效提升发光二极管的发光效率。

可选地，第一MgAlGaN层6中Al的组分为0.2～0.7。此时第一MgAlGaN层6可较为有效地阻挡电子由多量子阱层溢流至低温P型GaN层，提高最终得到的发光二极管的发光效率。

示例性地，第一MgAlGaN层6的厚度可为1～10nm。第一MgAlGaN层6的厚度在以上范围内时，第一MgAlGaN层6相对原有的GaN/AlGaN超晶格结构电子阻挡层，能更有效地阻挡电子，成本也可大大降低。

可选地，低温P型GaN层7的厚度可为20～100nm。

示例性地，第二MgAlGaN层8中Mg的组分可为0.1～0.2。第二MgAlGaN层8中Mg的组分在此范围内时，第二MgAlGaN层8可提供足够的空穴的同时保证第二MgAlGaN层8的生长质量较好，能够有效提升发光二极管的发光效率。

可选地，第二MgAlGaN层8中Al的组分可为0.4～0.6。此时第二MgAlGaN层8可较为有效地阻挡电子溢流，提高最终得到的发光二极管的发光效率。

可选地，第二MgAlGaN层8的厚度可为20～150nm。可较为有效地阻挡电子，也不会占用过多的成本。

可选地，P型GaN层9的厚度可为5～100nm，可保证发光二极管的外延片的质量。

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层上生长多量子阱层。

S106：在多量子阱层上生长第一MgAlGaN层。

S107：在第一MgAlGaN层上生长低温P型GaN层。

S108：在低温P型GaN层上生长第二MgAlGaN层。

S109：在第二MgAlGaN层上生长P型GaN层。

设置在多量子阱层与低温P型GaN层之间的第一MgAlGaN层较高的势垒可以起到限制电子由多量子阱层溢流至低温P型GaN层的作用，保证更多的电子可在多量子阱层内与空穴复合发光。而第一MgAlGaN层本身可起到提供空穴的作用，增加进入多量子阱层的空穴数量，在多量子阱层内复合发光的电子与空穴数量增加，发光二极管的发光效率能够得到进一步提高。

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。

衬底可为图形化蓝宝石衬底。

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缓冲层与三维小岛氮化层。

可选地，AlN缓冲层可使用物理气相沉积方式进行生长。得到的外延片的质量较好。

可选地，三维小岛氮化层的生长温度可为1000～1100℃，三维小岛氮化层的生长压力可为200～500Torr，三维小岛氮化层的生长厚度可为20～50nm。在此条件下生长得到的三维小岛氮化层可有效保证在其上生长的未掺杂GaN层的质量，保证最终得到的外延片的质量。

示例性地，三维小岛氮化层的生长时间可为10～30min。

S203：在缓冲层上生长未掺杂GaN层。

可选地，未掺杂的GaN层3的生长厚度可为1～3μm。

可选地，三维生长GaN成核层的生长温度可为1050～1150℃。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

示例性地，三维生长GaN成核层的生长压力可为100～400Torr。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

S204：在未掺杂GaN层上生长N型Al掺杂复合层。

可选地，N型Al掺杂复合层的生长厚度可为50～180nm。

可选地，N型Al掺杂复合层的生长温度可为1050～1150℃。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

示例性地，N型Al掺杂复合层的生长压力可为100～400Torr。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

N型Al掺杂复合层的材料可为掺硅的铝镓氮。

S205：在N型Al掺杂复合层上生长N型GaN层。

N型GaN层的生长温度可为1050～1150℃，N型GaN层的生长压力可为100～400Torr。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2～3.5μm。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。

S206：在N型GaN层上生长多量子阱层。

示例性地，多量子阱层可包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。InGaN阱层的厚度可为2～3nm，GaN垒层的厚度可为5～15nm。

可选地，多量子阱层中InGaN阱层的层数与GaN垒层的层数均可为10～15，能够得到质量较好的多量子阱层。

可选地，在生长多量子阱层时，GaN垒层的生长温度可为850～900℃，InGaN阱层的生长温度可为750～850℃。

可选地，InGaN阱层的生长压力与GaN垒层的生长压力均可为100～300Torr。此时得到的多量子阱层的质量较好。

S207：在多量子阱层上生长第一MgAlGaN层。

可选地，第一MgAlGaN层的生长温度可为800～880℃。在此温度范围下生长的第一MgAlGaN层的质量较好，第一MgAlGaN层内部的缺陷较少，能够较大幅度地提高外延片整体的晶体质量与抗静电能力。

可选地，第一MgAlGaN层的生长压力可为80～120Torr。在此压力范围下生长的第一MgAlGaN层的质量较好。

可选地，第一MgAlGaN层的生长转速为800～1200r/min。在此条件下生长的第一MgAlGaN层的表面质量较好，第一MgAlGaN层的表面较为平整。

示例性地，第一MgAlGaN层的生长时间可为1～2min。生长得到的第一MgAlGaN层能够较为有效地起到限制电子溢流并提供空穴的作用。

可选地，在多量子阱层上生长第一MgAlGaN层时，向反应腔内通入100～300sccm的Mg源。此时得到的第一MgAlGaN层的质量较好。

示例性地，在多量子阱层上生长第一MgAlGaN层时，向反应腔内通入60～120sccm的Al源。此时得到的第一MgAlGaN层的质量较好。

S208：在第一MgAlGaN层上生长低温P型GaN层。

可选地，低温P型GaN层的生长厚度可为20～100nm。

低温P型GaN层的生长温度可为740～780℃，低温P型GaN层的生长压力可为100～300Torr。在此条件下能够得到质量较好的低温P型GaN层。

S209：在低温P型GaN层上生长第二MgAlGaN层。

可选地，第二MgAlGaN层的生长温度可为950～980℃。此时得到的第二MgAlGaN层的质量较好，保证最终得到的外延片的晶体质量。

可选地，第二MgAlGaN层的生长压力可为100～200Torr。此时得到的第二MgAlGaN层的质量较好，保证最终得到的外延片的晶体质量。

示例性地，第二MgAlGaN层的生长厚度可为20～150nm。能够得到质量较好的第二MgAlGaN层。

进一步地，第二MgAlGaN层的生长转速可为800～1200r/min。在此条件下生长的第二MgAlGaN层的表面质量较好，第二MgAlGaN层的表面较为平整。

示例性地，第二MgAlGaN层的生长时间可为6～13min。此条件下生长得到的第二MgAlGaN层的质量较好。

可选地，在多量子阱层上生长第二MgAlGaN层时，可向反应腔内通入50～100sccm的Mg源。此时得到的第二MgAlGaN层的质量较好。

可选地，在多量子阱层上生长第二MgAlGaN层时，可向反应腔内通入80～150sccm的Al源。此时得到的第二MgAlGaN层的质量较好。

S210：在第二MgAlGaN层上生长P型GaN层。

可选地，P型GaN层的生长厚度可为5～100nm。

可选地，P型GaN层的生长温度可为950～980℃。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

示例性地，P型GaN层的生长压力可为300～600Torr。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

S211：在P型GaN层上生长P型接触层。

可选地，P型接触层的生长厚度可为50～300nm。

可选地，P型接触层的生长温度可为700～780℃。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

示例性地，P型接触层的生长压力可为100～300Torr。在此条件下生长得带的未掺杂的GaN层的质量较好。

需要说明的是，以上步骤中，除衬底与AlN缓冲层之外，外延片中的其他结构均采用金属有机化合物化学气相淀积的方式进行制备。

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。这一步骤可激活P型GaN层中的Mg原子，提高P型GaN层中空穴浓度，进而提高发光二极管的发光效率。

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)

1.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层、第一MgAlGaN层、低温P型GaN层、第二MgAlGaN层及P型GaN层。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一MgAlGaN层中Mg的组分为0.1～0.3。

3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一MgAlGaN层中Al的组分为0.2～0.7。

4.根据权利要求1～3任一项所述的外延片，其特征在于，所述第一MgAlGaN层的厚度为1～10nm。

5.一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；

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层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长第一MgAlGaN层；

在所述第一MgAlGaN层上生长低温P型GaN层；

在所述低温P型GaN层上生长第二MgAlGaN层；

在所述第二MgAlGaN层上生长P型GaN层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一MgAlGaN层的生长温度为800～880℃。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一MgAlGaN层的生长压力为80～120Torr。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第一MgAlGaN层的生长时间为1～2min。

9.根据权利要求5～8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一MgAlGaN层的生长转速为800～1200r/min。

10.根据权利要求5～8任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述多量子阱层上生长第一MgAlGaN层时，向反应腔内通入100～300sccm的Mg源。