CN109860351B - 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缓冲层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层，所述高温P型GaN层包括至少一个复合层，所述复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近所述电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近所述电子阻挡层，所述AlInN层为Al_1‑xIn_xN层，0<X<0.5。

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(Light Emitting Diode，发光二极管)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缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)层、电子阻挡层、P型GaN层和欧姆接触层。当有电流通过时，N型GaN层等N型区的电子和P型GaN层等P型区的空穴进入MQW有源区并且复合，发出可见光。

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：P型GaN层一般为高浓Mg掺杂，由于Mg活化性能不高，高浓Mg掺杂不利于空穴横向扩展，因此，P型GaN层的有效掺杂效率很低，使得LED中电流扩展不足。

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Mg掺杂浓度，提高空穴横向扩展能力。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缓冲层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层，所述高温P型GaN层包括至少一个复合层，所述复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近所述电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近所述电子阻挡层，所述AlInN层为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。

可选地，所述AlInN层的厚度为0.5～5nm，所述第一P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

可选地，所述高温P型GaN层包括n个层叠的复合层，3≤n≤5。

可选地，所述高温P型GaN层还包括第二P型掺杂GaN层，所述第二P型掺杂GaN层位于所述电子阻挡层与所述至少一个复合层之间，所述第二P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

可选地，所述高温P型GaN层包括m个层叠的复合层，1≤m≤5。

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缓冲层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层，所述高温P型GaN层包括至少一个复合层，所述复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近所述电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近所述电子阻挡层，所述AlInN层为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。

可选地，所述AlInN层的生长温度为800℃～950℃，所述AlInN层的生长压力为50torr～600torr，所述AlInN层的厚度为0.5～5nm，所述第一P型掺杂GaN层的生长温度为900℃～950℃，所述第一P型掺杂GaN层的生长压力为100torr～500torr，所述第一P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

可选地，所述高温P型GaN层包括n个层叠的复合层，3≤n≤5。

可选地，所述高温P型GaN层还包括第二P型掺杂GaN层，所述第二P型掺杂GaN层位于所述电子阻挡层与所述至少一个复合层之间，所述第二P型掺杂GaN层的生长温度为900℃～950℃，所述第二P型掺杂GaN层的生长压力为100torr～500torr，所述第二P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

可选地，所述高温P型GaN层包括m个层叠的复合层，1≤m≤5。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过高温P型GaN层包括至少一个复合层，复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，这样，在高温P型GaN层中引入AlInN，一方面，高温P型GaN层中不是整个层进行P型掺杂，例如Mg掺杂，能够减少Mg掺杂浓度，而第一P型掺杂GaN层能够保证提供足够数量的空穴；另一方面，通过调节AlInN中Al与In组分含量，特别是当0<X<0.5时，可以获得带宽比较大的能带；这样，Mg掺杂浓度的减少加上较大带宽的能带，能够增强空穴的横向扩张，提高P型GaN层中的有效掺杂效率，提高LED中电流扩展，最终提升外延片制得的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GaN基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第一种结构的高温P型GaN层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的第二种结构的高温P型GaN层的结构示意图；

图4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；

图5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上顺次沉积的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、低温应力释放层5、多量子阱层6、低温P型GaN层7、电子阻挡层8、高温P型GaN层9和P型欧姆接触层10。高温P型GaN层9包括至少一个复合层91，复合层91包括AlInN层91a和第一P型掺杂GaN层91b，靠近电子阻挡层8的复合层91中的AlInN层91a比所属复合层91中的第一P型掺杂GaN层91b更加靠近电子阻挡层8，AlInN层91a为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。

示例性地，X＝0.15、0.2、0.3或者0.4。

通过高温P型GaN层9包括至少一个复合层91，复合层91包括AlInN层91a和第一P型掺杂GaN层91b，这样，在高温P型GaN层9中引入AlInN，一方面，高温P型GaN层9中不是整个层进行P型掺杂，例如Mg掺杂，能够减少Mg掺杂浓度，而第一P型掺杂GaN层91b能够保证提供足够数量的空穴；另一方面，通过调节AlInN中Al与In组分含量，特别是当0<X<0.5时，可以获得带宽比较大的能带；这样，Mg掺杂浓度的减少加上较大带宽的能带，能够增强空穴的横向扩张，提高P型GaN层中的有效掺杂效率，提高LED中电流扩展，最终提升外延片制得的LED的发光效率。

此外，由于多量子阱层6在P型区的生长过程中会受到高温作用，因此为了保护多量子阱层6，高温P型GaN层9的生长温度不高。而传统的高温P型GaN层9仅由单纯的GaN构成，在生长温度不高时，GaN的晶体质量较差。通过在高温P型GaN层9中引入AlInN，AlInN在生长温度不高时，晶体质量比GaN好，这样，可以提升晶体质量，进而提高外延片制得的LED的发光效率。

示例性地，衬底1为蓝宝石衬底；缓冲层2可以为GaN层或AlN层，缓冲层2的厚度可以是15至35nm；非掺杂GaN层3的厚度可以是1～5μm；N型掺杂GaN层4的厚度可以是1～3μm；低温应力释放层5可以为插入有InGaN/GaN周期性结构的GaN层，其厚度可以是134～310nm；多量子阱层6可以是5～12个周期的InGaN/GaN多量子阱层，厚度可以是60nm～248nm；低温P型GaN层7的厚度可以是20-100nm；电子阻挡层8可以是AlGaN层，其厚度可以是20～100nm；P型欧姆接触层10可以是GaN或者InGaN层，其厚度可以是1～5nm。

下面详细介绍高温P型GaN层9的结构。本实施例提供两种结构的高温P型GaN层9。

第一种结构中，参见图2，高温P型GaN层9包括n个层叠的复合层91，1≤n≤5。示例性地，3≤n≤5。n个层叠的复合层91中，各个复合层91的结构可以相同。第一种结构中，一方面由于AlInN的引入，提升了能带宽度，增强了空穴的横向扩展，提升P层空穴的有效注入面积，进而提升LED芯片发光效率；另一方面AlInN的引入亦提升了该层的晶体质量。

第二种结构中，参见图3，高温P型GaN层9包括第二P型掺杂GaN层92和m个层叠的复合层91。第二P型掺杂GaN层92位于电子阻挡层8与至少一个复合层91之间。示例性地，1≤m≤5。m个层叠的复合层91中，各个复合层91的结构可以不同，比如，各个复合层91中的AlInN层91a的厚度可以不同，各个复合层91中的第一P型掺杂GaN层91b的厚度也可以不同，和/或、各个复合层91中的AlInN层91a的Al组分含量和In组分含量可以不同。第二种结构相比于第一种结构增加了第二P型掺杂GaN层92，这样，高温P型GaN层9为GaN/AlInN/GaN/…/AlInN/GaN夹心结构，并且，对插入的AlInN的厚度等不作限制，提高了生长高温P型GaN层9的灵活性，同时能够更好地控制P型区的厚度，比如可以将P型区做得更薄，使得采用该外延片制得的LED芯片能够适用更多的场景。

示例性地，复合层91中，AlInN层91a的厚度为0.5～5nm，第一P型掺杂GaN层91b的厚度为5～10nm。

示例性地，AlInN层的厚度为1～3nm，例如，AlInN层的厚度为1nm、2nm或者3nm。第一P型掺杂GaN层的厚度为6～8nm，例如，第一P型掺杂GaN层的厚度为6、7或者8nm。

示例性地，第二P型掺杂GaN层92的厚度也可以为5～10nm。例如，第二P型掺杂GaN层的厚度为6、7或者8nm。

示例性地，第一P型掺杂GaN层91b中掺杂Mg，Mg的掺杂浓度可以是1×10¹⁸cm^-3-5×10¹⁹cm^-3之间。第二P型掺杂GaN层92中Mg掺杂浓度可以与第一P型掺杂GaN层91b中Mg掺杂浓度相同。

图4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4，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

步骤102、在衬底上顺次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层。

其中，高温P型GaN层包括至少一个复合层，复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近电子阻挡层，AlInN层为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。

可以采用图4示出的方法制备得到图1示出的发光二极管外延片。

本发明实施例通过高温P型GaN层包括至少一个复合层，复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，这样，在高温P型GaN层中引入AlInN，一方面，高温P型GaN层中不是整个层进行P型掺杂，例如Mg掺杂，能够减少Mg掺杂浓度，而第一P型掺杂GaN层能够保证提供足够数量的空穴；另一方面，通过调节AlInN中Al与In组分含量，特别是当0<X<0.5时，可以获得带宽比较大的能带；这样，Mg掺杂浓度的减少加上较大带宽的能带，能够增强空穴的横向扩张，提高P型GaN层中的有效掺杂效率，提高LED中电流扩展，最终提升外延片制得的LED的发光效率。

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。可以采用图5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5，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。

其中，退火处理方式取决于缓冲层的生长方式。当采用PVD(Physical VaporDeposition，物理气相沉积)方法沉积缓冲层时，退火处理方式包括：将衬底放置到PVD设备的反应腔内，并对反应腔进行抽真空，抽真空的同时开始对蓝宝石衬底进行加热升温。当本底真空抽至低于1*10^-7Torr时，将加热温度稳定在350～750℃，对蓝宝石衬底进行烘烤，烘烤时间为2～12分钟。当采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法沉积缓冲层时，退火处理方式包括：将衬底放置到MOCVD设备的反应腔内，然后在氢气气氛中退火处理10分钟，清洁衬底表面，退火温度在1000℃与1200℃之间，然后进行氮化处理。

步骤203、在衬底上沉积缓冲层。

其中，缓冲层可以是GaN缓冲层，也可以是AlN缓冲层。

当缓冲层是GaN缓冲层时，采用MOCVD方法生长缓冲层，包括：首先，将MOCVD设备的反应腔内温度调整至400℃-600℃，生长15至35nm厚的GaN缓冲层，生长压力区间为200Torr-600Torr。其次，缓冲层原位退火处理，温度在1000℃-1200℃，时间在5分钟至10分钟之间，压力为200Torr-600Torr。

当缓冲层是AlN缓冲层时，采用PVD方法生长缓冲层，包括：将PVD设备的反应腔内温度调整至400-700℃，调整溅射功率为3000～5000W，调整压力为1～10torr，生长15至35nm厚的AlN缓冲层。

需要说明的是，外延层中的非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层均可以采用MOCVD方法生长。

步骤204、在缓冲层上沉积非掺杂GaN层。

示例性地，非掺杂GaN层的生长温度为1000℃-1100℃，生长厚度在1至5微米之间，生长压力在100Torr至500Torr之间。

步骤205、在非掺杂GaN层上沉积N型掺杂GaN层。

示例性地，N型GaN层的厚度在1-3微米之间，生长温度在1050℃-1150℃，生长压力在100Torr至500Torr之间，Si掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3-5×10¹⁹cm^-3之间。

步骤206、在N型掺杂GaN层上沉积低温应力释放层。

示例性地，低温应力释放层包括依次生长的第一N型GaN子层、2～10个周期的InGaN/GaN周期性结构、以及第二N型GaN子层。其中，第一N型GaN子层、2～10个周期的InGaN/GaN周期性结构、以及第二N型GaN子层的厚度依次为50nm、2nm/20nm、40nm。生长温度为800-900℃，生长压力为100-500Torr。

步骤207、在低温应力释放层上沉积多量子阱层。

示例性地，多量子阱层为5～12个周期的InGaN/GaN多量子阱层，其中，每个周期的InGaN层的厚度为2-4nm，生长温度为740-840℃，生长压力为100-500Torr；每个周期的GaN层的厚度为10～20nm，生长温度为850-950℃，生长压力为100-500Torr。

步骤208、在多量子阱层上生长低温P型GaN层。

示例性地，低温P型GaN层的厚度为20-100nm，生长温度为750-800℃，生长压力在100-500Torr。

步骤209、在低温P型GaN层上沉积电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为P型AlGaN层，电子阻挡层的生长温度在800℃与1000℃之间，生长压力为50Torr与500Torr之间。电子阻挡层的厚度在20nm至100nm之间。

步骤210、在电子阻挡层上沉积高温P型GaN层。

其中，高温P型GaN层包括至少一个复合层，复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近电子阻挡层，AlInN层为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。示例性地，X＝0.15、0.2、0.3或者0.4。

本实施例提供两种结构的高温P型GaN层9。

第一种结构(参见图2)中，高温P型GaN层包括n个层叠的复合层，1≤n≤5。示例性地，3≤n≤5。n个层叠的复合层中，各个复合层的结构可以相同；各个复合层的结构也可以不同，比如，各个复合层中的AlInN层的厚度可以不同，各个复合层中的第一P型掺杂GaN层的厚度也可以不同，和/或、各个复合层中的AlInN层的Al组分含量和In组分含量可以不同。例如，当n＝1时，高温P型GaN层包括顺次层叠在电子阻挡层上的Al_1-xIn_xN层和第一P型掺杂GaN层，X可以为0.21，Al_1-xIn_xN层的厚度可以为1-3nm，第一P型掺杂GaN层的厚度可以为5～30nm。

第二种结构(参见图3)中，高温P型GaN层包括第二P型掺杂GaN层和m个层叠的复合层。第二P型掺杂GaN层位于电子阻挡层与至少一个复合层之间。示例性地，1≤m≤5。m个层叠的复合层中，各个复合层的结构可以不同，比如，各个复合层中的AlInN层的厚度可以不同，各个复合层中的第一P型掺杂GaN层的厚度也可以不同，和/或、各个复合层中的AlInN层的Al组分含量和In组分含量可以不同。例如，当m＝1时，高温P型GaN层包括顺次层叠在电子阻挡层上的第二P型掺杂GaN层、Al_1-xIn_xN层和第一P型掺杂GaN层，X可以为0.25；第二P型掺杂GaN层、Al_1-xIn_xN层和第一P型掺杂GaN层的厚度分别为5～15nm、1～3nm、以及5～15nm。

示例性地，复合层中，AlInN层的生长温度为800℃～950℃，AlInN层的生长压力为50torr～600torr，AlInN层的厚度为0.5～5nm；第一P型掺杂GaN层的生长温度为900℃～950℃，第一P型掺杂GaN层的生长压力为100torr～500torr，第一P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

示例性地，AlInN层的厚度为1～3nm，例如，AlInN层的厚度为1nm、2nm或者3nm。第一P型掺杂GaN层的厚度为6～8nm，例如，第一P型掺杂GaN层的厚度为6、7或者8nm。

示例性地，第二P型掺杂GaN层的生长温度为900℃～950℃，第二P型掺杂GaN层的生长压力为100torr～500torr，第二P型掺杂GaN层的厚度也可以为5～10nm。例如，第二P型掺杂GaN层的厚度为6、7或者8nm。

步骤211、在高温P型GaN层上沉积P型欧姆接触层。

示例性地，P型欧姆接触层为GaN或者InGaN层，其厚度为1nm至5nm之间，生长温度区间为850℃-950℃，生长压力区间为200Torr-500Torr。

示例性地，P型欧姆接触层生长结束后，将MOCVD设备的反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，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缓冲层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层，所述高温P型GaN层包括至少一个复合层，所述复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近所述电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近所述电子阻挡层，所述AlInN层为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlInN层的厚度为0.5～5nm，所述第一P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述高温P型GaN层包括n个层叠的复合层，3≤n≤5。

4.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述高温P型GaN层还包括第二P型掺杂GaN层，所述第二P型掺杂GaN层位于所述电子阻挡层与所述至少一个复合层之间，所述第二P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述高温P型GaN层包括m个层叠的复合层，1≤m≤5。

6.一种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缓冲层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、低温应力释放层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层、以及P型欧姆接触层，所述高温P型GaN层包括至少一个复合层，所述复合层包括AlInN层和第一P型掺杂GaN层，靠近所述电子阻挡层的复合层中的AlInN层比所属复合层中的第一P型掺杂GaN层更加靠近所述电子阻挡层，所述AlInN层为Al_1-xIn_xN层，0<X<0.5。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述AlInN层的生长温度为800℃～950℃，所述AlInN层的生长压力为50torr～600torr，所述AlInN层的厚度为0.5～5nm，所述第一P型掺杂GaN层的生长温度为900℃～950℃，所述第一P型掺杂GaN层的生长压力为100torr～500torr，所述第一P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高温P型GaN层包括n个层叠的复合层，3≤n≤5。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高温P型GaN层还包括第二P型掺杂GaN层，所述第二P型掺杂GaN层位于所述电子阻挡层与所述至少一个复合层之间，所述第二P型掺杂GaN层的生长温度为900℃～950℃，所述第二P型掺杂GaN层的生长压力为100torr～500torr，所述第二P型掺杂GaN层的厚度为5～10nm。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述高温P型GaN层包括m个层叠的复合层，1≤m≤5。

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