CN112366258B - 紫外发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种紫外发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述紫外发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为掺Si的AlxGa1‑xN层，0＜x＜0.4，所述量子垒层为掺Mg的AlyGa1‑yN层，0.5＜y＜0.7。该紫外发光二极管外延片可以效屏蔽量子阱层中由于极化效应产生的内建电场，从而可以提高电子和空穴的波函数重叠率，进而可以提高电子和空穴的辐射复合效率，最终提高紫外发光二极管的内量子效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种紫外发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
基于AlGaN材料的短波长紫外发光二极管应用领域非常广泛，是氮化物半导体研究领域的一个重要研究内容。
外延片是制造发光二极管的重要部件。现有的紫外发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、有源层和P型层。其中，有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层。量子阱层为AlGaN层。
然而AlGaN材料具有较强的自发极化和压电极化效应，因此，量子阱层中存在由极化效应导致的量子限制斯塔克效应，使得电子和空穴在空间上的波函数分离，从而导致电子和空穴的辐射复合效率偏低。并且AlGaN材料中存在的大量缺陷还会充当非辐射复合中心，严重影响紫外发光二极管的内量子效率。
发明内容
本公开实施例提供了一种紫外发光二极管外延片及其制造方法，可以提高电子和空穴的辐射复合效率，并提高紫外发光二极管的内量子效率。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种紫外发光二极管外延片，所述紫外发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、有源层和P型层，
所述有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，所述量子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7。
可选地，所述量子阱层中Si的掺杂浓度为6×1017cm-3～1×1018cm-3。
可选地，沿所述外延片的层叠方向，多个所述量子阱层中Si的掺杂浓度逐层递减。
可选地，所述量子垒层中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
可选地，沿所述外延片的层叠方向，多个所述量子垒层中Mg的掺杂浓度逐层递增。
可选地，所述量子垒层包括依次层叠的第一子垒层、第二子垒层和第三子垒层，所述第二子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，所述第一子垒层和第三子垒层均为不掺杂的AlyGa1-yN层。
可选地，所述第二子垒层的厚度为所述量子垒层的厚度的1/2～2/3，所述第一子垒层和所述第二子垒层的厚度相同。
可选地，所述量子阱层的厚度为2～4nm，所述量子垒层的厚度为8～12nm。
另一方面，提供了一种紫外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缓冲层、未掺杂的AlGaN层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，所述量子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7；
在所述有源层上生长P型层。
可选地，所述有源层的生长温度为1060℃，生长压力为250torr。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在量子阱层中掺入Si，Si产生的自由电子可以部分抵消由极化效应产生的极化电场，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，增加电子和空穴的波函数在空间上的重叠度。而且Si原子半径小，在量子阱层中掺入Si还可以填充部分Ga原子空位，提升量子阱区域的界面质量，减少载流子被缺陷俘获产生非辐射复合的几率，从而可以提高提高紫外发光二极管的内量子效率。进一步地，由于量子阱层中Si含量增加，易产生电子溢流。因此，通过在量子垒层中掺Mg可以提高空穴的浓度和注入效率，使得更多的电子和空穴可以在量子阱层中进行辐射复合发光，从而可以减缓由于量子阱层中掺Si导致的电子溢流现象，保证紫外发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管外延片的制造方法流程图；
图3是本公开实施例提供的另一种紫外发光二极管外延片的制造方法流程图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该紫外发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的AlGaN层3、N型层4、有源层5和P型层6。
有源层5包括多个周期交替生长的量子阱层51和量子垒层52。量子阱层51为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，量子垒层52为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7。
本公开实施例通过在量子阱层中掺入Si，Si产生的自由电子可以部分抵消由极化效应产生的极化电场，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，增加电子和空穴的波函数在空间上的重叠度。而且Si原子半径小，在量子阱层中掺入Si还可以填充部分Ga原子空位，提升量子阱区域的界面质量，减少载流子被缺陷俘获产生非辐射复合的几率，从而可以提高提高紫外发光二极管的内量子效率。进一步地，由于量子阱层中Si含量增加，易产生电子溢流。因此，通过在量子垒层中掺Mg可以提高空穴的浓度和注入效率，使得更多的电子和空穴可以在量子阱层中进行辐射复合发光，从而可以减缓由于量子阱层中掺Si导致的电子溢流现象，保证紫外发光二极管的发光效率。
需要说明的是，在本公开实施例中，量子阱层和量子垒层中Al组分含量不同，即x和y的取值不同，以提供不同的禁带宽度。根据不同的紫外波长，x和y可以选取不同的取值组合。
可选地，有源层5包括5～12个周期交替生长的量子阱层51和量子垒层52。
若有源层5的周期数小于5，则可能由于周期数太少而使得电子和空穴没有进行充分的辐射复合发光，导致降低紫外LED的发光效率。若有源层5的周期数大于12，可能会使得电子和空穴的分布不集中，电子和空穴的辐射复合效率较低，造成紫外发光二极管的发光效率较低。
示例性地，有源层5包括8个周期交替生长的量子阱层51和量子垒层52。
可选地，量子阱层51中Si的掺杂浓度为6×1017cm-3～1×1018cm-3。
若Si的掺杂浓度过高，则Si作为杂质，会影响量子阱层51的晶格生长，导致有源层的晶体质量较差。若Si的掺杂浓度过低，又起不到屏蔽量子阱层中由于极化效应产生的内建电场的作用。
可选地，沿外延片的层叠方向，多个量子阱层51中Si的掺杂浓度逐层递减。则越靠近P型层6，量子阱层51中Si的掺杂浓度较少，可以有效减少靠近P型层的电子溢流。
示例性地，沿外延片的层叠方向，多个量子阱层51中Si的掺杂浓度从1×1018cm-3逐层递减至6×1017cm-3。
可选地，量子垒层52中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
若Mg的掺杂浓度过高，则Mg作为杂质，会导致生长出的量子垒层的晶体质量较差。若Mg的掺杂浓度过低，又起不到提高空穴的浓度和注入效率的作用。
可选地，沿外延片的层叠方向，多个量子垒层52中Mg的掺杂浓度逐层递增。则越靠近P型层6，量子垒层52中Mg的掺杂浓度较多，可以有效增强P型层6的空穴注入效率。
示例性地，沿外延片的层叠方向，多个量子垒层52中Mg的掺杂浓度从1×1018cm-3逐层递增至3×1018cm-3。
可选地，量子垒层52包括依次层叠的第一子垒层521、第二子垒层522和第三子垒层523。第二子垒层522为掺Mg的AlyGa1-yN层，第一子垒层521和第三子垒层523均为不掺杂的AlyGa1-yN层。
由于Mg掺杂具有扩散效应，为防止量子阱层中掺杂的Mg扩散至量子阱层，影响量子阱层的晶体质量，将量子垒层设置成包括三个子层的结构，其中位于最中间的第二子垒层522为掺Mg层，位于第二子垒层522两侧的第一子垒层521和第三子垒层523不掺杂，可以起到过渡作用，有效防止Mg扩散至量子阱层。
可选地，第二子垒层522的厚度为量子垒层52的厚度的1/2～2/3，第一子垒层521和第二子垒层523的厚度相同。
由于第二子垒层522为掺Mg层，因此，将第二子垒层522的厚度设置的较厚，可以有利于提高Mg的掺杂，从而提高空穴的有效注入。
可选地，量子阱层51的厚度为2～4nm，量子垒层52的厚度为8～12nm。
若量子阱层51的厚度过薄，则限制在量子阱层51中的载流子数量较少，易造成紫外LED的发光效率较低。若量子阱层51的厚度过厚，则量子阱层51中的极化效应会加大，从而影响紫外LED的发光效率。
示例性地，量子阱层51的厚度为4nm，量子垒层52的厚度为8nm。其中，量子垒层52中的第二子垒层522的厚度为4nm，第一子垒层521和第三子垒层523的厚度均为2nm。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底。
可选地，缓冲层2可以为AlN层，厚度为1000～2000nm。
可选地，未掺杂的AlGaN层3的厚度为500～1000nm。
可选地，N型层4可以为掺Si的AlGaN层，厚度为1000～2000nm。
可选地，P型层6可以包括10～20个周期交替生长的AlGaN层和GaN层，AlGaN层和GaN层中均掺有Mg。其中，AlGaN层的厚度为20-30nm，GaN层的厚度为6-10nm。AlGaN层和GaN层异质结界面处因材料的晶格常数差异会产生出很强的极化效应，从而会在AlGaN层和GaN层异质结界面形成二维电子气，进而可以提高P型层6中空穴的浓度。
可选地，紫外发光二极管外延片还包括设置在有源层5和P型层6之间的电子阻挡层7。电子阻挡层7为掺Mg的AlGaN层，厚度为10nm。
图2是本公开实施例提供的一种紫外发光二极管外延片的制造方法流程图，如图2所示，该制造方法包括：
步骤201、提供一衬底。
其中，衬底为蓝宝石衬底。
步骤202、在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂的AlGaN层和N型层。
其中，缓冲层为AlN层，N型层为掺Si的AlGaN层。
步骤203、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层，量子阱层为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，量子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7。
步骤204、在有源层上生长P型层。
其中，P型层可以包括10～20个周期交替生长的AlGaN层和GaN层，AlGaN层和GaN层中均掺有Mg。
本公开实施例通过在量子阱层中掺入Si，Si产生的自由电子可以部分抵消由极化效应产生的极化电场，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，增加电子和空穴的波函数在空间上的重叠度。而且Si原子半径小，在量子阱层中掺入Si还可以填充部分Ga原子空位，提升量子阱区域的界面质量，减少载流子被缺陷俘获产生非辐射复合的几率，从而可以提高提高紫外发光二极管的内量子效率。进一步地，由于量子阱层中Si含量增加，易产生电子溢流。因此，通过在量子垒层中掺Mg可以提高空穴的浓度和注入效率，使得更多的电子和空穴可以在量子阱层中进行辐射复合发光，从而可以减缓由于量子阱层中掺Si导致的电子溢流现象，保证紫外发光二极管的发光效率。
图3是本公开实施例提供的另一种紫外发光二极管外延片的制造方法流程图，如图3所示，该制造方法包括：
步骤301、提供一衬底。
其中，衬底为蓝宝石。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的制造方法。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。反应室压力为100～600torr。
步骤302、在衬底上生长缓冲层。
其中，缓冲层为AlN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000～1300℃，压力为50～100torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为1000～2000nm的缓冲层。
步骤303、在缓冲层上生长未掺杂的AlGaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1200～1300℃，压力为50～100torr，在缓冲层上生长厚度为500～1000nm的高温缓冲层。
步骤304、在未掺杂的AlGaN层上生长N型层。
其中，N型层为掺Si的AlGaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1200～1300℃，压力为50～100torr，在未掺杂的AlGaN层上生长厚度为1000～2000nm的N型层。
步骤305、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层。量子阱层为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，量子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7。
可选地，有源层包括5～12个周期交替生长的量子阱层和量子垒层。
若有源层的周期数小于5，则可能由于周期数太少而使得电子和空穴没有进行充分的辐射复合发光，导致降低紫外LED的发光效率。若有源层的周期数大于12，可能会使得电子和空穴的分布不集中，电子和空穴的辐射复合效率较低，造成紫外发光二极管的发光效率较低。
示例性地，有源层包括8个周期交替生长的量子阱层和量子垒层。
可选地，量子阱层中Si的掺杂浓度为6×1017cm-3～1×1018cm-3。
若Si的掺杂浓度过高，则Si作为杂质，会影响量子阱层的晶格生长，导致有源层的晶体质量较差。若Si的掺杂浓度过低，又起不到屏蔽量子阱层中由于极化效应产生的内建电场的作用。
可选地，沿外延片的层叠方向，多个量子阱层中Si的掺杂浓度逐层递减。则越靠近P型层，量子阱层中Si的掺杂浓度较少，可以有效减少靠近P型层的电子溢流。
示例性地，沿外延片的层叠方向，多个量子阱层中Si的掺杂浓度从1×1018cm-3逐层递减至6×1017cm-3。
可选地，量子垒层中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
若Mg的掺杂浓度过高，则Mg作为杂质，会导致生长出的量子垒层的晶体质量较差。若Mg的掺杂浓度过低，又起不到提高空穴的浓度和注入效率的作用。
可选地，沿外延片的层叠方向，多个量子垒层中Mg的掺杂浓度逐层递增。则越靠近P型层，量子垒层中Mg的掺杂浓度较多，可以有效增强P型层的空穴注入效率。
示例性地，沿外延片的层叠方向，多个量子垒层中Mg的掺杂浓度从1×1018cm-3逐层递增至3×1018cm-3。
可选地，量子垒层包括依次层叠的第一子垒层、第二子垒层和第三子垒层。第二子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，第一子垒层和第三子垒层均为不掺杂的AlyGa1-yN层。
由于Mg掺杂具有扩散效应，为防止量子阱层中掺杂的Mg扩散至量子阱层，影响量子阱层的晶体质量，将量子垒层设置成包括三个子层的结构，其中位于最中间的第二子垒层为掺Mg层，位于第二子垒层两侧的第一子垒层1和第三子垒层不掺杂，可以起到过渡作用，有效防止Mg扩散至量子阱层。
可选地，第二子垒层的厚度为量子垒层的厚度的1/2～2/3，第一子垒层和第二子垒层的厚度相同。
由于第二子垒层为掺Mg层，因此，将第二子垒层的厚度设置的较厚，可以有利于提高Mg的掺杂，从而提高空穴的有效注入。
可选地，量子阱层的厚度为2～4nm，量子垒层的厚度为8～12nm。
若量子阱层的厚度过薄，则限制在量子阱层中的载流子数量较少，易造成紫外LED的发光效率较低。若量子阱层的厚度过厚，则量子阱层中的极化效应会加大，从而影响紫外LED的发光效率。
示例性地，步骤305可以包括：
在氮气气氛下，控制反应腔内的温度为1060℃，压力为250torr，生长厚度为4nm的InGaN量子阱层和厚度为8nm的GaN量子垒层。
其中，量子垒层中的第二子垒层的厚度为4nm，第一子垒层和第三子垒层的厚度均为2nm。
步骤306、在有源层上生长电子阻挡层。
其中，电子阻挡层为掺Mg的AlGaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000℃，压力为150torr，在有源层上生长厚度为10nm的电子阻挡层。
步骤307、在电子阻挡层上生长P型层。
其中，P型层包括10～20个周期交替生长的AlGaN层和GaN层。其中，AlGaN层和GaN层中均掺有Mg。
示例性地，控制反应腔内的温度为1200～1250℃，压力为50～100torr，生长厚度为20-30nm的AlGaN层。
控制反应腔内的温度为1050～1100℃，压力为200～300torr，生长厚度为6-10nm的GaN层。
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，结束紫外发光二极管的外延生长。
本公开实施例通过在量子阱层中掺入Si，不仅可以有效屏蔽量子阱层中由于极化效应产生的内建电场，还可以使电子和空穴的波函数具有更高的重叠率，提高电子和空穴的辐射复合效率。而且在量子阱层中掺入Si还可以降低量子阱中的点缺陷，提升量子阱区域的界面质量，减少载流子被缺陷俘获产生非辐射复合的几率，从而可以提高提高紫外发光二极管的内量子效率。进一步地，由于量子阱层中Si含量增加，易产生电子溢流。因此，通过在量子垒层中掺Mg可以提高空穴的浓度和注入效率，使得更多的电子和空穴可以在量子阱层中进行辐射复合发光，从而可以减缓由于量子阱层中掺Si导致的电子溢流现象，保证紫外发光二极管的发光效率。
图1所示的发光二极管外延片的一种具体实现包括：有源层5包括8个周期交替生长的量子阱层51和量子垒层52。
量子阱层51为掺Si的AlxGa1-xN层，x＝0.35，沿外延片的层叠方向，多个量子阱层51中Si的掺杂浓度从1×1018cm-3逐层递减至6×1017cm-3。量子阱层51的厚度为2.5nm。
量子垒层52包括依次层叠的第一子垒层521、第二子垒层522和第三子垒层523。第一子垒层521和第三子垒层523均为不掺杂的AlyGa1-yN层，第二子垒层522为掺Mg的AlyGa1-yN层，y＝0.53，沿外延片的层叠方向，第二子垒层522中Mg的掺杂浓度从1×1018cm-3逐层递增至3×1018cm-3。第一子垒层521的厚度为2nm，第二子垒层522的厚度为4nm，第三子垒层523的厚度为2nm。
将上述外延片制成LED芯片，与相关技术中包括多个周期AlGaN/GaN超晶格结构的有源层外延片制成的LED芯片相比，出光效率增加了3％。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种紫外发光二极管外延片，所述紫外发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型层、有源层和P型层，其特征在于，
所述有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，所述量子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7，所述量子阱层中Si的掺杂浓度为6×1017cm-3～1×1018cm-3，所述量子垒层中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延片，其特征在于，沿所述外延片的层叠方向，多个所述量子阱层中Si的掺杂浓度逐层递减。
3.根据权利要求1所述的紫外发光二极管外延片，其特征在于，沿所述外延片的层叠方向，多个所述量子垒层中Mg的掺杂浓度逐层递增。
4.根据权利要求1至3任一项所述的紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述量子垒层包括依次层叠的第一子垒层、第二子垒层和第三子垒层，所述第二子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，所述第一子垒层和第三子垒层均为不掺杂的AlyGa1-yN层。
5.根据权利要求4所述的紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子垒层的厚度为所述量子垒层的厚度的1/2～2/3，所述第一子垒层和所述第二子垒层的厚度相同。
6.根据权利要求1至3任一项所述的紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述量子阱层的厚度为2～4nm，所述量子垒层的厚度为8～12nm。
7.一种紫外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缓冲层、未掺杂的AlGaN层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括多个周期交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层为掺Si的AlxGa1-xN层，0＜x＜0.4，所述量子垒层为掺Mg的AlyGa1-yN层，0.5＜y＜0.7，所述量子阱层中Si的掺杂浓度为6×1017cm-3～1×1018cm-3，所述量子垒层中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3；
在所述有源层上生长P型层。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述有源层的生长温度为1060℃，生长压力为250torr。
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