CN109786522A - 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

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GaN基发光二极管领域。所述发光二极管外延片包括：衬底、在所述衬底上顺次沉积的低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，所述复合垒层包括超晶格子层，所述超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，所述电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

Description

一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及GaN基发光二极管领域，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)基LED(LightEmitting Diode，发光二极管)，也称GaN基LED芯片，一般包括外延片和在外延片上制备的电极。外延片通常包括：衬底、以及顺次层叠在衬底上的低温GaN层、N型GaN层、MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)层、电子阻挡层、和P型掺杂GaN层。当有电流注入GaN基LED时，N型GaN层等N型区的电子和P型掺杂GaN层等P型区的空穴进入MQW有源区并且复合，发出可见光。其中，MQW层一般是InGaN量子阱层和GaN量子垒层交替生长的周期性结构，电子阻挡层的材质一般是采用AlGaN。

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：虽然AlGaN电子阻挡层可以阻挡大部分电子的泄露，但是由于电子的数量和移动速度较快，仍会有较多的电子从MQW层溢出到P型掺杂GaN层，这增强了droop效应(发光效率衰减效应)，最终影响LED芯片的内量子效率。

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，能够降低电子溢流，改善droop效应。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括：

衬底、在所述衬底上顺次沉积的低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，所述复合垒层包括超晶格子层，所述超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，所述电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

示例性地，所述复合垒层还包括与所述超晶格子层层叠的AlGaInN子层，同一复合垒层中，所述AlGaInN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

示例性地，所述复合垒层还包括InGaN子层，所述复合垒层中的AlGaInN子层位于同一所述复合垒层中的超晶格子层与InGaN子层之间，同一复合垒层中，所述InGaN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

示例性地，所述超晶格子层中的Al组分含量为所述电子阻挡层中的Al组分含量的1/20～1/5，所述超晶格子层中的Al组分含量与所述AlGaInN子层中的Al组分含量相同。

示例性地，所述InGaN子层中的In组分含量为InGaN阱层中的In组分含量的1/10～1/5。

示例性地，所述InGaN阱层的厚度为2.5～20nm，所述超晶格子层的厚度为4～6nm，所述AlGaInN子层的厚度为4～6nm，所述InGaN子层的厚度为所述InGaN阱层的厚度的1/5～1/2。

第二方面，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；

在所述衬底上顺次沉积低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，所述复合垒层包括超晶格子层，所述超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，所述电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

示例性地，所述复合垒层还包括与所述超晶格子层层叠的AlGaInN子层，同一复合垒层中，所述AlGaInN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

示例性地，所述复合垒层还包括InGaN子层，所述复合垒层中的AlGaInN子层位于同一所述复合垒层中的超晶格子层与InGaN子层之间，同一复合垒层中，所述InGaN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

示例性地，所述InGaN阱层的生长温度为760～780℃，所述InGaN子层的生长温度比所述InGaN阱层的生长温度高20～40℃，所述AlGaInN子层的生长温度比所述InGaN子层的生长温度高10～30℃，所述超晶格子层的生长温度比所述AlGaInN子层的生长温度高5～20℃。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，而阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，复合垒层包括超晶格子层，超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，由于AlInN子层的势垒比传统的GaN垒层高，不仅能够起到更强的限制电子的作用，而且由于是超晶格结构，能够对电子进行多次阻挡，所以对电子的限制作用更强；此种结构的多量子阱层与AlGaN电子阻挡层相配合，最终减少了较多电子的溢流，因而大大降低了大电流密度下的droop效应(发光效率衰减效应)，由于droop效应降低，因此增强了内量子效率。

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结构示意图；

图2-图4是本发明实施例提供的多量子阱层的结构示意图；

图5和图6均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。

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。参见图1，该发光二极管外延片包括：衬底1、以及在衬底1上顺次沉积的低温GaN层2、高温GaN层3、N型掺杂GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、以及P型掺杂GaN层7。其中，参见图2，多量子阱层5包括若干层叠的阱垒层50。阱垒层50包括层叠的InGaN阱层51和复合垒层52。复合垒层52包括超晶格子层521。超晶格子层521为AlInN子层521a和GaN子层521b周期性交替生长的超晶格结构。电子阻挡层6为AlGaN电子阻挡层。

通过多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，而阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，复合垒层包括超晶格子层，超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，由于AlInN子层的势垒比传统的GaN垒层高，不仅能够起到更强的限制电子的作用，而且由于是超晶格结构，能够对电子进行多次阻挡，所以对电子的限制作用更强；此种结构的多量子阱层与AlGaN电子阻挡层相配合，最终减少了较多电子的溢流，因而大大降低了大电流密度下的droop效应(发光效率衰减效应)，由于droop效应降低，因此增强了内量子效率。

示例性地，衬底1可以是可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(Al₂O₃)。

示例性地，低温GaN层2的厚度可以是15至30nm。

示例性地，高温GaN层3的厚度为2至3.5微米。

示例性地，N型掺杂GaN层4的厚度为2至3微米。

示例性地，参见图3，除超晶格子层521外，复合垒层52还包括与超晶格子层521层叠的AlGaInN子层522。同一复合垒层52中，AlGaInN子层522比超晶格子层521更加靠近N型掺杂GaN层4。其中，AlGaInN子层522由于含有Al和In，因此既与InGaN阱层51的晶格相近又可增加复合垒层52势垒高度限制电子的移动速度和限制电子溢流。

示例性地，参见图4，除超晶格子层521和AlGaInN子层522外，复合垒层52还包括InGaN子层523。复合垒层52中的AlGaInN子层522位于同一复合垒层52中的超晶格子层521与InGaN子层523之间。同一复合垒层52中，InGaN子层523比超晶格子层521更加靠近N型掺杂GaN层4。其中，由于同一复合垒层52中InGaN子层523比超晶格子层521更加靠近N型掺杂GaN层4，因此，按照外延片的生长顺次，在InGaN阱层51之后生长的必定是InGaN子层523，这样，InGaN子层523与InGaN阱层51形成了直接的、较优的晶格匹配，利于提升晶体质量。

示例性地，超晶格子层521中的Al组分含量为电子阻挡层6中的Al组分含量的1/20～1/5，超晶格子层521中的Al组分含量与AlGaInN子层522中的Al组分含量相同。当超晶格子层521中的Al组分含量、以及AlGaInN子层522中的Al组分含量均为电子阻挡层6中的Al组分含量的1/20～1/5时，超晶格子层521中的Al含量较为合适，使得复合垒层52具有足够的势垒高度(Al含量越大，势垒越高)，能够提供足够的电子限制作用；并且，能够将多量子阱层5中的杂质(Al)控制在一定范围，避免影响垒层晶格的完整性。优选地，超晶格子层521中的Al组分含量为电子阻挡层6中的Al组分含量的1/20～1/8。

示例性地，InGaN子层523中的In组分含量为InGaN阱层51中的In组分含量的1/10～1/5。若小于1/10，会因为In含量太少而影响到晶格匹配的形成。若大于1/5，又会因为In含量太高也会影响到极化效应。

优选地，InGaN子层523中的In组分含量为InGaN阱层51中的In组分含量的1/10～1/6。

示例性地，InGaN阱层51的厚度为2.5～20nm，超晶格子层521的厚度为4～6nm，AlGaInN子层522的厚度为4～6nm，InGaN子层523的厚度为InGaN阱层51的厚度的1/5～1/2(0.5～2nm)。当InGaN子层523的厚度为InGaN阱层51的厚度的1/5-1/2时，InGaN子层523的厚度不太薄，能与InGaN阱层51形成较优的晶格匹配，并且，InGaN子层523的厚度不太厚，避免因厚度较厚而导致垒层的极化效应增强。优选地，InGaN子层523的厚度为InGaN阱层51的厚度的1/5～1/3(0.5～1.5nm)；此时，可保证晶格匹配和正常范围的极化效应。而AlGaInN子层522和超晶格子层521是分别起到限制大部分电子和多次限制电子的作用，所以厚度要相对厚度，较合适的厚度范围是4～6nm。优选地，AlGaInN子层522和超晶格子层521的厚度分别为4～5.5nm。

示例性地，超晶格子层521中，AlInN子层521a和GaN子层521b的生长周期为2～6。若小于2个，会因为循环数较少而影响到对电子多次限制的作用效果。若大于6个，可能会由于循环数较多，对空穴的移动也会产生负影响。优选地，AlInN子层521a和GaN子层521b的生长周期为2～4，可保证对电子的限制作用和减少对空穴的移动产生阻碍。

示例性地，电子阻挡层6为掺Al、且掺Mg的Al_yGa_1-yN电子阻挡层6，y为0.15～0.25。电子阻挡层6的厚度为30～50nm。

示例性地，P型掺杂GaN层7的厚度为50nm～80nm。P型掺杂GaN层7中P型掺杂为Mg掺杂，Mg掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3～1×10²¹cm^-3，远远大于电子阻挡层6中的Mg掺杂浓度1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

图5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5，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

步骤102、在衬底上顺次沉积低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层。

其中，多量子阱层包括若干层叠的阱垒层。阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层。复合垒层包括超晶格子层。超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构。电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

本发明实施例通过多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，而阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，复合垒层包括超晶格子层，超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，由于AlInN子层的势垒比传统的GaN垒层高，不仅能够起到更强的限制电子的作用，而且由于是超晶格结构，能够对电子进行多次阻挡，所以对电子的限制作用更强；此种结构的多量子阱层与AlGaN电子阻挡层相配合，最终减少了较多电子的溢流，因而大大降低了大电流密度下的droop效应(发光效率衰减效应)，由于droop效应降低，因此增强了内量子效率。

图6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。可以采用图6示出的方法制备得到图1示出的发光二极管外延片。参见图6，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底。

示例性地，衬底可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(Al₂O₃)。

步骤202、对衬底进行退火处理。

示例性地，退火处理方式包括：将衬底放置到Veeco K465i or C4MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备的反应室内，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。

需要说明的是，外延层中的低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层，均可以采用MOCVD方法生长。生长过程中控制的温度和压力实际上是指反应室内的温度和压力。具体地，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203、在衬底上沉积低温GaN层。

示例性地，低温GaN层即低温缓冲层，厚度为15-30nm。反应室温度为530-560℃，反应室压力控制在200-500torr。

步骤204、在低温GaN层上沉积高温GaN层。

示例性地，高温GaN层可以为不掺杂的GaN层，其生长温度为1000℃-1100℃，生长厚度在2至3.5微米之间，生长压力在200Torr至600Torr之间。

步骤205、在高温GaN层上沉积N型掺杂GaN层。

示例性地，N型GaN层的厚度在2-3微米之间，生长温度在1000℃-1100℃，生长压力在200-300Torr左右，Si掺杂浓度在5×10¹⁸cm^-3-3×10¹⁹cm^-3之间。

步骤206、在N型掺杂GaN层上沉积多量子阱层。

其中，多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，复合垒层包括超晶格子层，超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

示例性地，除超晶格子层外，复合垒层还包括与超晶格子层层叠的AlGaInN子层，同一复合垒层中，AlGaInN子层比超晶格子层更加靠近N型掺杂GaN层。

示例性地，除超晶格子层和AlGaInN子层外，复合垒还包括InGaN子层。复合垒层中的AlGaInN子层位于同一复合垒层中的超晶格子层与InGaN子层之间。同一复合垒层中，InGaN子层比超晶格子层更加靠近N型掺杂GaN层。即，按照外延片的生长顺次，在InGaN阱层之后生长的必定是InGaN子层。

示例性地，InGaN阱层的生长温度为760～780℃。

其中，InGaN子层的生长温度比InGaN阱层的生长温度高20～40℃。若小于20℃，会因为温度太低而影响到整个垒层的晶体质量。若大于40℃，由于此层较接近阱层，又会因为温度偏高对InGaN阱层造成破坏。优选地，InGaN子层的生长温度比InGaN阱层的生长温度高20～30℃。可保证晶体质量。

其中，AlGaInN子层的生长温度比InGaN子层的生长温度高10～30℃。若小于10℃，同样会因为温度偏低而影响到整个垒层的晶体质量。若大于30℃，又会因为温度偏高，也会破坏InGaN阱层。优选地，AlGaInN子层的生长温度比InGaN子层的生长温度高15～30℃。

其中，超晶格子层的生长温度比AlGaInN子层的生长温度高5～20℃。若小于5℃，也是因为温度偏低而影响到整个垒层的晶体质量。若大于20℃，同样会破坏InGaN阱层。优选地，超晶格子层的生长温度比AlGaInN子层的生长温度高10～20℃。

示例性地，多量子阱层的生长压力为200torr。

示例性地，超晶格子层中的Al组分含量为电子阻挡层中的Al组分含量的1/20～1/5，超晶格子层中的Al组分含量与AlGaInN子层中的Al组分含量相同。优选地，超晶格子层中的Al组分含量为电子阻挡层中的Al组分含量的1/20～1/8。

示例性地，InGaN子层中的In组分含量为InGaN阱层中的In组分含量的1/10～1/5。优选地，InGaN子层中的In组分含量为InGaN阱层中的In组分含量的1/10～1/6。

示例性地，InGaN阱层的厚度为2.5～20nm，超晶格子层的厚度为4～6nm，AlGaInN子层的厚度为4～6nm，InGaN子层的厚度为InGaN阱层的厚度的1/5～1/2(0.5～2nm)。

优选地，InGaN阱层的厚度为2.5～3.5nm。

优选地，InGaN子层的厚度为InGaN阱层的厚度的1/5～1/3(0.5～1.5nm)；此时，可保证晶格匹配和正常范围的极化效应。而AlGaInN子层和超晶格子层是分别起到限制大部分电子和多次限制电子的作用，所以厚度要相对厚度，较合适的厚度范围是4～6nm。优选地，AlGaInN子层和超晶格子层的厚度分别为4～5.5nm。

示例性地，超晶格子层中，AlInN子层和GaN子层的生长周期为2～6。若小于2个，会因为循环数较少而影响到对电子多次限制的作用效果。若大于6个，可能会由于循环数较多，对空穴的移动也会产生负影响。优选地，AlInN子层和GaN子层的生长周期为2～4，可保证对电子的限制作用和减少对空穴的移动产生阻碍。

步骤207、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为掺Al、且掺Mg的Al_yGa_1-yN电子阻挡层，y为0.15～0.25。电子阻挡层的生长温度在930℃与970℃之间，生长压力为100Torr。电子阻挡层的厚度在20nm至50nm之间。

步骤208、在电子阻挡层上沉积P型掺杂GaN层。

示例性地，P型掺杂GaN层的生长温度为940℃～980℃，生长压力为200-600torr，P型掺杂GaN层的厚度可以为50nm～80nm。

示例性地，外延生长结束后，将MOCVD设备的反应室内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-800℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

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，其特征在于，所述发光二极管外延片包括：

衬底、在所述衬底上顺次沉积的低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，所述复合垒层包括超晶格子层，所述超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，所述电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述复合垒层还包括与所述超晶格子层层叠的AlGaInN子层，同一所述复合垒层中，所述AlGaInN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述复合垒层还包括InGaN子层，所述复合垒层中的AlGaInN子层位于同一所述复合垒层中的超晶格子层与InGaN子层之间，同一所述复合垒层中，所述InGaN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

4.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述超晶格子层中的Al组分含量为所述电子阻挡层中的Al组分含量的1/20～1/5，所述超晶格子层中的Al组分含量与所述AlGaInN子层中的Al组分含量相同。

5.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述InGaN子层中的In组分含量为InGaN阱层中的In组分含量的1/10～1/5。

6.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述InGaN阱层的厚度为2.5～20nm，所述超晶格子层的厚度为4～6nm，所述AlGaInN子层的厚度为4～6nm，所述InGaN子层的厚度为所述InGaN阱层的厚度的1/5～1/2。

7.一种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；

在所述衬底上顺次沉积低温GaN层、高温GaN层、N型掺杂GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、以及P型掺杂GaN层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括层叠的InGaN阱层和复合垒层，所述复合垒层包括超晶格子层，所述超晶格子层为AlInN子层和GaN子层周期性交替生长的超晶格结构，所述电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述复合垒层还包括与所述超晶格子层层叠的AlGaInN子层，同一所述复合垒层中，所述AlGaInN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述复合垒层还包括InGaN子层，所述复合垒层中的AlGaInN子层位于同一所述复合垒层中的超晶格子层与InGaN子层之间，同一所述复合垒层中，所述InGaN子层比所述超晶格子层更加靠近所述N型掺杂GaN层。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述InGaN阱层的生长温度为760～780℃，所述InGaN子层的生长温度比所述InGaN阱层的生长温度高20～40℃，所述AlGaInN子层的生长温度比所述InGaN子层的生长温度高10～30℃，所述超晶格子层的生长温度比所述AlGaInN子层的生长温度高5～20℃。