CN112366260B - 发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层和P型层。有源层包括靠近N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层，第一量子阱层中的In组分小于第二量子阱层中的In组分，第一量子阱层的厚度大于第二量子阱层的厚度；沿外延片的层叠方向，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个第一量子阱层的厚度逐层减少。该发光二极管外延片可以增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，提高LED的内量子效率。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，LED是前景广阔的新一代光源，正在被迅速广泛地应用在如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、户内外显示屏和小间距显示屏等领域。
通常，GaN基LED在蓝宝石衬底上进行外延生长。传统的GaN基LED外延结构一般采用InGaN/GaN超晶格结构作为有源层。但是InGaN层和GaN层之间存在着很大的晶格失配，导致InGaN层和GaN层之间存在较大的压应力。压应力会产生压电极化电场，使得电子和空穴波函数的交叠减少，导致多量子阱层的能带倾斜，造成内量子效率的下降，从而影响LED发光效率。
发明内容
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法，可以增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，提高LED的内量子效率。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括m个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，
所述有源层包括靠近所述N型层的a个第一量子阱层和靠近所述P型层的b个第二量子阱层，所述第一量子阱层中的In组分小于所述第二量子阱层中的In组分，所述第一量子阱层的厚度大于所述第二量子阱层的厚度；
沿所述外延片的层叠方向，a个所述第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个所述第一量子阱层的厚度逐层减少。
可选地，所述第一量子阱层的厚度为2.8～3.5nm，所述第二量子阱层的厚度为1～1.8nm。
可选地，a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层中的厚度相差0.05～0.15nm。
可选地，所述第一量子阱层为InxGa1-xN层，0.15≤x≤0.25，所述第二量子阱层为InyGa1-yN层，0.3≤y≤0.45，x＜y。
可选地，a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层中的In组分相差0.05～0.15。
可选地，m＝a+b，4≤a≤8，5≤b≤10。
另一方面，提供了一种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低温缓冲层、高温缓冲层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括m个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述有源层包括靠近所述N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层，所述第一量子阱层中的In组分小于所述第二量子阱层中的In组分，所述第一量子阱层的厚度大于所述第二量子阱层的厚度，沿所述外延片的层叠方向，a个所述第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个所述第一量子阱层的厚度逐层减少；
在所述有源层上生长P型层。
可选地，沿所述外延片的生长方向，a个所述第一量子阱层的生长温度逐层降低。
可选地，a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层的生长温度相差10～25℃。
可选地，所述第一量子阱层的生长温度大于所述第二量子阱层的生长温度。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将有源层分为靠近N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层。由于有源层中的应力是随着InGaN量子阱层的In组分和厚度的增加而增加的。因此，将有源层设置为沿外延片的层叠方向，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个第一量子阱层的厚度逐层减少。即a个第一量子阱层中的In组分的变化和厚度的变化方式相反，a个第一量子阱层中的In组分越高，厚度越薄，这样可以减弱有源层中的应力。同时，由于最靠近P型层的b个第二量子阱层为有源层的主要发光层，需要稳定的厚度和In组分来保证In分布的均匀性和稳定性。因此，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，到b个第二量子阱层后，b个第二量子阱层保持高In组分不变。a个第一量子阱层中的厚度逐层减少，到b个第二量子阱层后，b个第二量子阱层保持较薄的厚度不变。这样不仅可以通过高In组分和较薄的厚度配合，再次加强减弱应力的作用，还可以保证量子阱层中In分布的均匀性和稳定性。最终可以增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，提高LED的内量子效率。
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发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型层4、有源层5和P型层6。有源层5包括m个周期交替生长的InGaN量子阱层51和GaN量子垒层52。
有源层5包括靠近N型层4的a个第一量子阱层511和靠近P型层6的b个第二量子阱层512。第一量子阱层511中的In组分小于第二量子阱层512中的In组分，第一量子阱层511的厚度大于第二量子阱层512的厚度。
沿外延片的层叠方向，a个第一量子阱层511中的In组分逐层增加，a个第一量子阱层511的厚度逐层减少。
本公开实施例通过将有源层分为靠近N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层。由于有源层中的应力是随着InGaN量子阱层的In组分和厚度的增加而增加的。因此，将有源层设置为沿外延片的层叠方向，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个第一量子阱层的厚度逐层减少。即a个第一量子阱层中的In组分的变化和厚度的变化方式相反，a个第一量子阱层中的In组分越高，厚度越薄，这样可以减弱有源层中的应力。同时，由于最靠近P型层的b个第二量子阱层为有源层的主要发光层，需要稳定的厚度和In组分来保证In分布的均匀性和稳定性。因此，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，到b个第二量子阱层后，b个第二量子阱层保持高In组分不变。a个第一量子阱层中的厚度逐层减少，到b个第二量子阱层后，b个第二量子阱层保持较薄的厚度不变。这样不仅可以通过高In组分和较薄的厚度配合，再次加强减弱应力的作用，还可以保证量子阱层中In分布的均匀性和稳定性。最终可以增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，提高LED的内量子效率。
且由于量子阱层中In分布更均匀性，稳定性更好，即In的析出减少，可以大大减少缺陷的产生，从而可以提高InGaN/GaN多量子阱的晶体质量，使得InGaN势阱层和GaN势垒层的界面清晰度更好。
可选地，m＝a+b，4≤a≤8，5≤b≤10。
若a小于4个，会因为生长个数较少而起不到减弱应力的作用。若a大于8个，又会因为生长个数较多而效果接近上限、生产成本增加。
若b小于5个，会导致主要发光的量子阱层的数目不够而影响整体的发光效率。若b大于10个，又会因为生长个数较多造成浪费，且发光效率也不会再持续上升。
示例性地，4≤a≤6，6≤b≤8。
可选地，第一量子阱层511为InxGa1-xN层，0.15≤x≤0.25。
若第一量子阱层511的In组分低于0.15，就会因为In组分不足而影响发光效率。若第一量子阱层511的In组分高于0.25，又会因为In组分过高同样产生较大的应力和极化效应。
在本公开实施例中，同一层第一量子阱层511中的In组分相同，或者同一层第一量子阱层511的In组分也可以逐渐增加。
可选地，a个第一量子阱层511中，相邻两个第一量子阱层511中的In组分相差0.05～0.15，此时，可以形成一个平滑过渡，防止In组分相差过大，导致应力和极化的变化较大。
可选地，第二量子阱层512为InyGa1-yN层，0.3≤y≤0.45，x＜y。
若第二量子阱层512的In组分低于0.3，就会因为In组分不足而影响发光效率。若第二量子阱层512的In组分高于0.45，又会因为In组分过高同样产生较大的应力和极化效应。
可选地，第一量子阱层511的厚度为2.8～3.5nm。
若第一量子阱层511的厚度小于2.8nm，会因为厚度较薄而影响电子的限制作用。若第一量子阱层511的厚度大于3.5nm，又会厚度太厚影响配合In组分升高共同作用降低应力的效果。
示例性地，第一量子阱层511的厚度为2.8～3.2nm。
可选地，a个第一量子阱层511中，相邻两个第一量子阱层511中的厚度相差0.05～0.15nm。此时，可以形成一个渐变的过渡，防止厚度差异过大，影响应力和极化的变化幅度。
可选地，第二量子阱层512的厚度为1～1.8nm。
若第二量子阱层512的厚度小于1nm，会因为厚度太薄而减弱电子和空穴在阱中复合发光的空间面积。若第二量子阱层512的厚度大于1.8nm，因为厚度厚而影响对电子和空穴复合发光的空间增加的正效果。
示例性地，第二量子阱层512的厚度为1～1.6nm。
可选地，量子垒层52的厚度为9nm～20nm。
可选地，衬底1可以采用蓝宝石(主要成分为Al2O3)衬底，优选采用[0001]晶向的蓝宝石。
可选地，低温缓冲层2可以为GaN层，厚度为15～30nm。
可选地，高温缓冲层3可以为GaN层，厚度为2-3.5um。
可选地，N型层4为掺Si的GaN层，厚度为2～3um。
可选地，该发光二极管外延片还可以包括设置在有源层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AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)，厚度为30-50nm。
可选地，P型层6为掺Mg的GaN层，厚度为50～80nm。
图2是本公开实施例提供的一种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，衬底可采用蓝宝石平片衬底。
进一步地，步骤201还可以包括：
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。
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202、在衬底上生长低温缓冲层。
其中，低温缓冲层为GaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为530～560℃，压力为200～500torr，在蓝宝石的[0001]面上生长厚度为15～30nm的低温缓冲层。
步骤203、在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
其中，高温缓冲层为GaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000～1100℃，压力为200～600torr，在过渡层上生长厚度为2～3.5um的高温缓冲层。
步骤204、在高温缓冲层上生长N型层。
其中，N型层为掺Si的GaN层。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000～1100℃，压力为150～300torr，在过渡层上生长厚度为2～3um的N型层。
步骤205、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括m个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。
有源层包括靠近N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层。第一量子阱层中的In组分小于第二量子阱层中的In组分，第一量子阱层的厚度大于第二量子阱层的厚度。
沿外延片的层叠方向，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个第一量子阱层的厚度逐层减少。
可选地，m＝a+b，4≤a≤8，5≤b≤10。
若a小于4个，会因为生长个数较少而起不到减弱应力的作用。若a大于8个，又会因为生长个数较多而效果接近上限、生产成本增加。
若b小于5个，会导致主要发光的量子阱层的数目不够而影响整体的发光效率。若b大于10个，又会因为生长个数较多造成浪费，且发光效率也不会再持续上升。
示例性地，4≤a≤6，6≤b≤8。
可选地，第一量子阱层为InxGa1-xN层，0.15≤x≤0.25。
若第一量子阱层的In组分低于0.15，就会因为In组分不足而影响发光效率。若第一量子阱层的In组分高于0.25，又会因为In组分过高同样产生较大的应力和极化效应。
在本公开实施例中，同一层第一量子阱层中的In组分相同，或者同一层第一量子阱层的In组分也可以逐渐增加。
可选地，a个第一量子阱层中，相邻两个第一量子阱层中的In组分相差0.05～0.15，此时，可以形成一个平滑过渡，防止In组分相差过大，导致应力和极化的变化较大。
可选地，第二量子阱层为InyGa1-yN层，0.3≤y≤0.45，x＜y。
若第二量子阱层的In组分低于0.3，就会因为In组分不足而影响发光效率。若第二量子阱层的In组分高于0.45，又会因为In组分过高同样产生较大的应力和极化效应。
可选地，第一量子阱层的厚度为2.8～3.5nm。
若第一量子阱层的厚度小于2.8nm，会因为厚度较薄而影响电子的限制作用。若第一量子阱层的厚度大于3.5nm，又会厚度太厚影响配合In组分升高共同作用降低应力的效果。
示例性地，第一量子阱层的厚度为2.8～3.2nm。
可选地，a个第一量子阱层中，相邻两个第一量子阱层中的厚度相差0.05～0.15nm。此时，可以形成一个渐变的过渡，防止厚度差异过大，影响应力和极化的变化幅度。
在本公开实施例中，每个第一量子阱层的生长时间均为5～10s，a个第一量子阱层的生长速率逐层降低，以生长厚度逐层减小的a个第一量子阱层。且每层第一量子阱层的生长时间相同，以便于实际控制。
可选地，第二量子阱层的厚度为1～1.8nm。
若第二量子阱层的厚度小于1nm，会因为厚度太薄而减弱电子和空穴在阱中复合发光的空间面积。若第二量子阱层的厚度大于1.8nm，因为厚度厚而影响对电子和空穴复合发光的空间增加的正效果。
示例性地，第二量子阱层的厚度为1～1.6nm。
可选地，第一量子阱层的生长温度为750～800℃。
若第一量子阱层的生长温度低于750℃，会影响量子阱层的晶体质量。若第一量子阱层的生长温度高于800℃，又会因为温度过高而影响In组分的掺杂。
示例性地，第一量子阱层的生长温度为750～790℃。
可选地，沿外延片的生长方向，a个第一量子阱层的生长温度逐层降低。
在本公开实施例中，a个第一量子阱层中In组分和厚度随着生长温度的变化而变化。a个第一量子阱层的生长温度逐层降低，厚度逐层减少，In组分逐层增加。第一量子阱层的生长温度越低，越有利于In的掺入。
在本公开实施例中，同一层第一量子阱层的生长温度相同，或者同一层第一量子阱层的生长温度也可以逐渐降低。
可选地，第二量子阱层的生长温度为650～750℃。
若第二量子阱层的生长温度若低于650℃，会因为温度太低而影响量子阱层整体的晶体质量。若第二量子阱层的生长温度高于750℃，又不能保证第二量子阱层中高In组分。
示例性地，第二量子阱层的生长温度为680～750℃。
可选地，第一量子阱层和第二量子阱层的生长压力相等，均为200torr。
可选地，量子垒层的厚度为9nm～20nm。
示例性地，量子垒层的生长温度为860～890℃，生长压力为200torr。
步骤206、在有源层上生长电子阻挡层。
其中，电子阻挡层为掺Mg的AlyGa1-yN(y＝0.15～0.25)。
示例性地，控制反应腔内的温度为930～970℃，压力为100torr，在有源层上生长厚度为30～50nm的电子阻挡层。
步骤207、在电子阻挡层上生长P型层。
其中，P型层为掺Mg的GaN层，Mg的掺杂浓度为8*1018cm-3～6*1019cm-3。
示例性地，控制反应腔内的温度为940～980℃，压力为200～600torr，在电子阻挡层上生长厚度为50～80nm的P型层。
本公开实施例通过将有源层分为靠近N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层。由于有源层中的应力是随着InGaN量子阱层的In组分和厚度的增加而增加的。因此，将有源层设置为沿外延片的层叠方向，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个第一量子阱层的厚度逐层减少。即a个第一量子阱层中的In组分的变化和厚度的变化方式相反，a个第一量子阱层中的In组分越高，厚度越薄，这样可以减弱有源层中的应力。同时，由于最靠近P型层的b个第二量子阱层为有源层的主要发光层，需要稳定的厚度和In组分来保证In分布的均匀性和稳定性。因此，a个第一量子阱层中的In组分逐层增加，到b个第二量子阱层后，b个第二量子阱层保持高In组分不变。a个第一量子阱层中的厚度逐层减少，到b个第二量子阱层后，b个第二量子阱层保持较薄的厚度不变。这样不仅可以通过高In组分和较薄的厚度配合，再次加强减弱应力的作用，还可以保证量子阱层中In分布的均匀性和稳定性。最终可以增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，改善多量子阱层中的能带倾斜现象，提高LED的内量子效率。
图2所示的发光二极管外延片的制造方法的一种具体实现包括：生长13个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。其中，有源层包括靠近N型层的5个第一量子阱层和靠近P型层的8个第二量子阱层。
5个第一量子阱层分别为Inx1Ga1-x1N层、Inx2Ga1-x2N层、Inx3Ga1-x3N层、Inx4Ga1-x4N层和Inx5Ga1-x5N层，其中，x1＝0.15，x2＝0.17，x3＝0.19，x4＝0.21，x5＝0.23。
5个第一量子阱层的厚度分别为2.8nm、2.9nm、3.0nm、3.1nm、3.2nm。5个第一量子阱层的生长温度分别为750℃、760℃、770℃、780℃、790℃。
8个第二量子阱层均为In0.35Ga0.75N层，厚度均为1.5nm，生长温度为700℃，5个第一量子阱层和8个第二量子阱层的生长压力均为200torr。
将上述外延片制成LED芯片，与现有技术中制成的芯片相比，LED芯片的出光效率增加了35％。
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 (6)
1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、有源层和P型层，所述有源层包括m个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其特征在于，
所述有源层包括靠近所述N型层的a个第一量子阱层和靠近所述P型层的b个第二量子阱层，m＝a+b，4≤a≤8，5≤b≤10，所述第一量子阱层中的In组分小于所述第二量子阱层中的In组分，所述第一量子阱层为InxGa1-xN层，0.15≤x≤0.25，所述第二量子阱层为InyGa1-yN层，0.3≤y≤0.45，x＜y，所述第一量子阱层的厚度大于所述第二量子阱层的厚度，所述第一量子阱层的厚度为2.8～3.5nm，所述第二量子阱层的厚度为1～1.8nm；
沿所述外延片的层叠方向，a个所述第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个所述第一量子阱层的厚度逐层减少，b个所述第二量子阱层中的In组分相同，b个所述第二量子阱层的厚度相同；
a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层中的厚度相差0.05～0.15nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层中的In组分相差0.05～0.15。
3.一种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低温缓冲层、高温缓冲层和N型层；
在所述N型层上生长有源层，所述有源层包括m个周期交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，所述有源层包括靠近所述N型层的a个第一量子阱层和靠近P型层的b个第二量子阱层，m＝a+b，4≤a≤8，5≤b≤10，所述第一量子阱层中的In组分小于所述第二量子阱层中的In组分，所述第一量子阱层为InxGa1-xN层，0.15≤x≤0.25，所述第二量子阱层为InyGa1-yN层，0.3≤y≤0.45，x＜y，所述第一量子阱层的厚度大于所述第二量子阱层的厚度，所述第一量子阱层的厚度为2.8～3.5nm，所述第二量子阱层的厚度为1～1.8nm，沿所述外延片的层叠方向，a个所述第一量子阱层中的In组分逐层增加，a个所述第一量子阱层的厚度逐层减少，b个所述第二量子阱层中的In组分相同，b个所述第二量子阱层的厚度相同，a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层中的厚度相差0.05～0.15nm；
在所述有源层上生长P型层。
4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，沿所述外延片的生长方向，a个所述第一量子阱层的生长温度逐层降低。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，a个所述第一量子阱层中，相邻两个所述第一量子阱层的生长温度相差10～25℃。
6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述第一量子阱层的生长温度大于所述第二量子阱层的生长温度。
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