CN112786745B - 发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法，属于光电子制造技术领域。该外延片包括衬底和依次形成在所述衬底上的AlN缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层，其中，所述n型层包括由多个InN层和多个AlInGaN层交替层叠形成的超晶格结构，所述AlInGaN层掺杂有Si，AlInGaN层中的Si与In形成Si‑In共掺结构，Si‑In共掺结构能够有效抑制深受主中心的形成，从而减小自补偿效应，提高载流子的迁移率，InN材料也具有很好的电子输运性能，也有利于载流子迁移率的提高，从而提升n型层的电导率，提高深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。
Description
技术领域
本公开涉及光电子制造技术领域，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(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。LED的核心结构是外延片，外延片的制作对LED的光电特性有着较大的影响。
外延片通常包括缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层。深紫外发光二极管的外延片中n型层通常为AlGaN层。
在深紫外发光二极管中，为了实现高载流子浓度，通常会提高掺杂剂的浓度，但这容易导致AlGaN晶体质量变差，缺陷(主要包括空位及其复合物、杂质、位错等)密度增大，补偿效应加剧，载流子迁移率下降，从而导致n型层的电导率下降，降低深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。
发明内容
本公开实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法，能够提高深紫外发光二极管的外延片中n型层的电导率，有利于提高深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。所述技术方案如下：
一方面，本公开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和依次形成在所述衬底上的AlN缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层，其中，所述n型层包括由多个InN层和多个AlInGaN层交替层叠形成的超晶格结构，所述AlInGaN层掺杂有Si。
可选地，所述AlInGaN层中Si的掺杂浓度为8×1017cm-3～2×1018cm-3。
可选地，所述n型层的厚度为1.5μm～2μm。
可选地，所述InN层的厚度为10nm～20nm，所述AlInGaN层的厚度为10nm～20nm。
可选地，所述超晶格结构的周期数为20～40。
另一方面，本公开实施例还提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次外延生长AlN缓冲层、n型层、多量子阱层和p型层，其中，所述n型层包括由多个InN层和多个AlInGaN层交替层叠形成的超晶格结构，所述AlInGaN层掺杂有Si。
可选地，所述InN层在纯氮气氛围中生长。
可选地，所述AlInGaN层在氢气和氮气的混合气氛中生长。
可选地，所述n型层的生长温度为1000℃～1100℃。
可选地，所述n型层的生长压力为90mbar～110mbar。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
通过采用由多个InN层和多个AlInGaN层交替层叠形成的超晶格结构作为n型层，其中AlInGaN层掺杂有Si，AlInGaN层中的Si与In形成Si-In共掺结构，Si-In共掺结构能够有效抑制深受主中心的形成，从而减小自补偿效应，提高载流子的迁移率，InN材料也具有很好的电子输运性能，也有利于载流子迁移率的提高，从而提升n型层的电导率，提高深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。
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发光二极管的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的外延片的制造方法的流程图；
图3是本公开实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制造方法的流程图；
图4是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图5是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图6是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图7是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图8是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图；
图9是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图。
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的外延片的结构示意图。如图1所示，该外延片包括衬底10和依次形成在衬底10上的AlN缓冲层20、n型层30、多量子阱层40和p型层50。
其中，n型层30包括由多个InN层31和多个AlInGaN层32交替层叠形成的超晶格结构，AlInGaN层32掺杂有Si。
通过采用由多个InN层和多个AlInGaN层交替层叠形成的超晶格结构作为n型层，其中AlInGaN层掺杂有Si，AlInGaN层中的Si与In形成Si-In共掺结构，Si-In共掺结构能够有效抑制深受主中心的形成，从而减小自补偿效应，提高载流子的迁移率，InN材料也具有很好的电子输运性能，也有利于载流子迁移率的提高，从而提升n型层的电导率，提高深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。
示例性地，衬底10为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。衬底10可以为平片衬底，也可以为图形化衬底。
作为示例，本公开实施例中，衬底10为蓝宝石衬底。蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底或蓝宝石平片衬底。
AlN缓冲层20的厚度可以为1μm～5μm，生长的AlN缓冲层20的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若AlN缓冲层20的厚度过薄，则会导致AlN缓冲层20的表面较为疏松和粗糙，不能为后续结构的生长提供一个好的模板，随着AlN缓冲层20厚度的增加，AlN缓冲层20的表面逐渐变得较为致密和平整，有利于后续结构的生长，但是若AlN缓冲层20的厚度过厚，则会导致AlN缓冲层20的表面过于致密，同样不利于后续结构的生长，无法减少外延层中的晶格缺陷。
作为示例，本公开实施例中，AlN缓冲层20的厚度为2.5μm。
可选地，n型层30的厚度可以为1.5μm～2μm，在本公开实施例中，n型层30的厚度为1.05μm。
可选地，InN层31的厚度为10nm～20nm。AlInGaN层32的厚度为10nm～20nm。
InN层31的厚度太薄，无法表现出良好的电子输运性能，InN层31的厚度太厚，会加大与AlN材料的晶格失配，不利于后续材料的生长。AlInGaN层32的厚度太薄，不利于电流的扩展，会导致LED器件的电压偏高，AlInGaN层32厚度太厚，会导致制作成本偏高。
InN层31和AlInGaN层32的厚度可以相同也可以不同。本公开实施例中，AlInGaN层32的厚度大于InN层31的厚度。
作为示例，本公开实施例中，InN层31的厚度为15nm。AlInGaN层32的厚度为20nm。
可选地，超晶格结构的周期数为20～40。
在InN层31和AlInGaN层32的厚度一定的情况下，周期数设置为20～40，能够保证n型层30具有较优的电流扩展性能和较好的晶体质量，周期数过小，会降低电流的扩展性能，导致LED器件电压偏高，周期数过大，会增大制作成本。
作为示例，本公开实施例中，超晶格结构的周期数为30。
需要说明的是，图1中仅示出了n型层30中的部分结构，并不用于限制InN层31和AlInGaN层32交替层叠的周期数，此外在生长n型层30时，也可以先在AlN缓冲层20上生长AlInGaN层32。
n型层30中，与AlN缓冲层20接触的一层既可以是InN层31，也可以是AlInGaN层32。
可选地，AlInGaN层32中Si的掺杂浓度为8×1017cm-3～2×1018cm-3。Si的掺杂浓度过高会降低晶体质量，导致缺陷的增加，Si的掺杂浓度过低会降低n型层30的电导率。将Si的掺杂浓度控制在8×1017cm-3～2×1018cm-3，能够使n型层30具有较好的晶体质量，同时也具有足够的电导率。
作为示例，在本公开实施例中，AlInGaN层32中，Si的掺杂浓度为1018cm-3。
可选地，多量子阱层40包括3～8个AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42，其中0＜x＜y＜1。即多量子阱层40包括交替层叠的3～8个周期的AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42。
作为示例，本公开实施例中，多量子阱层40包括交替层叠的5个周期的AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42。
可选地，AlxGa1-xN量子阱层41的厚度可以为2nm～4nm。AlyGa1-yN量子垒层42的厚度可以为9～14nm。
示例性地，本公开实施例中，AlxGa1-xN量子阱层41的厚度为3nm。AlyGa1-yN量子垒层42的厚度为11nm。
需要说明的是，图1中仅示出了多量子阱层40中的部分结构，并不用于限制AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42交替层叠的周期数，此外在生长多量子阱层40时，也可以先在n型层30上生长AlyGa1-yN量子垒层42。
在本公开实施例中，p型层50包括依次层叠在多量子阱层40上的p型阻挡层51、p型AlGaN层52和p型GaN层53。p型阻挡层51、p型AlGaN层52和p型GaN层53均为Mg掺杂。
示例性地，p型阻挡层51为p型AlGaN阻挡层。
p型AlGaN阻挡层的厚度可以为5nm～15nm。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN阻挡层的厚度为10nm。若p型AlGaN阻挡层的厚度过薄，会降低对电子的阻挡作用，若p型AlGaN阻挡层的厚度过厚，则会增加p型AlGaN阻挡层对光的吸收，从而导致LED的发光效率降低。
在一些示例中，p型AlGaN层52的厚度为20nm～30nm。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层52的厚度为25nm。
可选地，p型GaN层53的厚度可以为20nm～70nm。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层53的厚度为50nm。
图2是本公开实施例提供的一种发光二极管的外延片的制造方法的流程图。该方法用于制造图1所示的外延片。如图2所示，该制造方法包括：
S11：提供一衬底10。
S12：在衬底10上依次外延生长AlN缓冲层20、n型层30、多量子阱层40和p型层50。
其中，n型层30包括由多个InN层31和多个AlInGaN层32交替层叠形成的超晶格结构，AlInGaN层32掺杂有Si。
通过采用由多个InN层和多个AlInGaN层交替层叠形成的超晶格结构作为n型层，其中AlInGaN层掺杂有Si，AlInGaN层中的Si与In形成Si-In共掺结构，Si-In共掺结构能够有效抑制深受主中心的形成，从而减小自补偿效应，提高载流子的迁移率，InN材料也具有很好的电子输运性能，也有利于载流子迁移率的提高，从而提升n型层的电导率，提高深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。
图3是本公开实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制造方法的流程图，该方法用于制造图1所示的外延片。下面结合附图4～附图9对图3提供的制造方法进行详细说明：
S21：提供一衬底10。
可选地，衬底10为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。衬底10可以为平片衬底，也可以为图形化衬底。
作为示例，本公开实施例中，衬底10为蓝宝石衬底。蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底或蓝宝石平片衬底。
在步骤S21中，可以对蓝宝石衬底进行预处理，将蓝宝石衬底置于MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition；金属有机化合物化学气相沉淀)反应腔中，对蓝宝石衬底进行烘烤处理12分钟～18分钟。作为示例，本公开实施例中，对蓝宝石衬底进行烘烤处理15分钟。
具体地，烘烤温度可以为1000℃～1200℃，烘烤时MOCVD反应腔内的压力可以为100mbar～200mbar，进行烘烤处理时，向反应腔内以100L/min～130L/min的速度通入H2，以在氢气气氛下进行烘烤处理。
S22：在衬底10上外延生长AlN缓冲层20。
如图4所示，在衬底10上生长有AlN缓冲层20。在步骤S22中生长的AlN缓冲层20可以为高温AlN缓冲层。
其中，AlN缓冲层20的厚度可以为1μm～5μm，生长的AlN缓冲层20的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若AlN缓冲层20的厚度过薄，则会导致AlN缓冲层20的表面较为疏松和粗糙，不能为后续结构的生长提供一个好的模板，随着AlN缓冲层20厚度的增加，AlN缓冲层20的表面逐渐变得较为致密和平整，有利于后续结构的生长，但是若AlN缓冲层20的厚度过厚，则会导致AlN缓冲层20的表面过于致密，同样不利于后续结构的生长，无法减少外延层中的晶格缺陷。
可选地，AlN缓冲层20的生长温度不低于1300℃。作为示例，本公开实施例中，AlN缓冲层20的生长温度为1350℃。
可选地，AlN缓冲层20的生长压力为50mbar～200mbar。作为示例，本公开实施例中，AlN缓冲层20的生长压力为150mbar。
S23：在AlN缓冲层20上生长n型层30。
如图5所示，在AlN缓冲层20上生长有n型层30。
n型层30包括由多个InN层31和多个AlInGaN层32交替层叠形成的超晶格结构。InN材料具有很好的电子输运性能，有利于载流子迁移率的提高，从而提升n型层的电导率，提高深紫外发光二极管的电注入效率和发光效率。
图5中仅示出了n型层30中的部分结构，并不用于限制InN层31和AlInGaN层32交替层叠的周期数，此外在生长n型层30时，也可以先在AlN缓冲层20上生长AlInGaN层32。
可选地，AlInGaN层32在氢气和氮气的混合气氛中生长。
氮气具有扩散系数小、安全、便宜的特点，氢气能有利于提高晶体质量，生长出质量较好的AlInGaN层32。
可选地，InN层31在纯氮气氛围中生长。
在生长InN层31时，采用纯氮气气氛，而不引入氢气，避免氢气对In-N化学键的破坏，这样有利于提高In在高温条件下的并入效率。
n型层30中，InN层31和AlInGaN层32的生长温度可以相同，也可以不同。作为示例，本公开实施例中，InN层31和AlInGaN层32的生长温度相同，采用相同的生长温度交替生长InN层31和AlInGaN层32，更方便操作，工艺上更简单。
可选地，n型层30的生长温度为1000℃～1100℃。作为示例，本公开实施例中，n型层30的生长温度为1060℃。
n型层30中，InN层31和AlInGaN层32的生长压力可以相同，也可以不同。作为示例，本公开实施例中，InN层31和AlInGaN层32的生长压力也相同，采用相同的生长压力交替生长InN层31和AlInGaN层32，更方便操作，工艺上更简单。
可选地，n型层30的生长压力可以为90mbar～110mbar。作为示例，本公开实施例中，n型层30的生长压力为100mbar。
可选地，AlInGaN层32中的Si掺杂浓度可以为8×1017cm-3～2×1018cm-3。作为示例，本公开实施例中，AlInGaN层32中的Si掺杂浓度为1×1018cm-3。
AlInGaN层中的Si与In形成Si-In共掺结构，Si-In共掺结构能够有效抑制深受主中心的形成，从而减小自补偿效应，提高载流子的迁移率。
n型层30的厚度可以为1.5μm～2μm，在本公开实施例中，n型层30的厚度为1.05μm。
n型层30中，InN层31的厚度为10nm～20nm。AlInGaN层32的厚度为10nm～20nm。
InN层31和AlInGaN层32的厚度可以相同也可以不同。作为示例，本公开实施例中，InN层31的厚度为15nm。AlInGaN层32的厚度为20nm。
S24：在n型层30上生长多量子阱层40。
如图6所示，在n型层30上生长有多量子阱层40。
实现时，多量子阱层40可以包括交替层叠的多层AlxGa1-xN量子阱层41和多层AlyGa1-yN量子垒层42，其中0＜x＜y＜1。
可选地，AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42交替层叠的周期数可以为3～8。示例性地，本公开实施例中，AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42交替层叠的周期数为5。
需要说明的是，图6中仅示出了多量子阱层40中的部分结构，并不用于限制AlxGa1-xN量子阱层41和AlyGa1-yN量子垒层42交替层叠的周期数，此外在生长多量子阱层40时，也可以先在n型层30上生长AlyGa1-yN量子垒层42。
可选地，AlxGa1-xN量子阱层41的厚度可以为2nm～4nm。AlyGa1-yN量子垒层42的厚度可以为9～14nm。
示例性地，本公开实施例中，AlxGa1-xN量子阱层41的厚度为3nm。AlyGa1-yN量子垒层42的厚度为11nm。
在生长完多量子阱层40之后，在多量子阱层40上生长p型层50，在本公开实施例中，p型层50包括依次层叠在多量子阱层40上的p型阻挡层51、p型AlGaN层52和p型GaN层53。p型阻挡层51、p型AlGaN层52和p型GaN层53均为Mg掺杂。p型层50的生长包括如下的步骤S25～S27。
S25：在多量子阱层40上生长p型阻挡层51。
如图7所示，在多量子阱层40上生长有p型阻挡层51。
可选地，p型阻挡层51可以为p型AlGaN阻挡层。
具体地，p型阻挡层51的生长温度可以为960℃～990℃，作为示例，本公开实施例中，p型阻挡层51的生长温度为980℃。
具体地，p型阻挡层51的生长压力可以为100mbar～200mbar。作为示例，本公开实施例中，p型阻挡层51的生长压力为150mbar。
可选地，p型阻挡层51的厚度可以为5nm～15nm。作为示例，本公开实施例中，p型阻挡层51的厚度为10nm。若p型阻挡层51的厚度过薄，会降低对电子的阻挡作用，若p型阻挡层51的厚度过厚，则会增加p型阻挡层51对光的吸收，从而导致LED的发光效率降低。
S26：在p型阻挡层51上生长p型AlGaN层52。
如图8所示，在p型阻挡层51上生长有p型AlGaN层52。
具体地，p型AlGaN层52的生长温度可以为880℃～920℃，作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层52的生长温度为900℃。
具体地，p型AlGaN层52的生长压力可以为180mbar～220mbar。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层52的生长压力为200mbar。
可选地，p型AlGaN层52的厚度可以为20nm～30nm。作为示例，本公开实施例中，p型AlGaN层52的厚度为25nm。
S27：在p型AlGaN层52上生长p型GaN层53。
如图9所示，在p型AlGaN层52上生长有p型GaN层53。
可选地，p型GaN层53的生长温度可以为800℃～900℃。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层53的生长温度为850℃。
可选地，p型GaN层53的生长压力可以为250mbar～350mbar。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层53的生长压力为300mbar。
可选地，p型GaN层53的厚度可以为20nm～70nm。作为示例，本公开实施例中，p型GaN层53的厚度为50nm。
在生长p型阻挡层51、p型AlGaN层52和p型GaN层53时，以采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源，采用二茂镁进行Mg掺杂。
S28：对外延片进行退火。
可选地，可以在氮气分为下进行退火30分钟，结束外延片的生长。之后关闭加热系统和给气系统，待反应腔温度降低至室温。
对外延片进行退火，还可以对外延片进行后续制程，以制备LED。
在具体实现时，本公开实施例可以采用高纯H2或/和N2作为载气，采用TEGa或TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，SiH4作为n型掺杂剂，TMAl作为铝源，Cp2Mg作为p型掺杂剂。
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 (7)
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(10)和依次形成在所述衬底(10)上的AlN缓冲层(20)、n型层(30)、多量子阱层(40)和p型层(50)，其中，所述n型层(30)包括由多个InN层(31)和多个AlInGaN层(32)交替层叠形成的超晶格结构，所述AlInGaN层(32)掺杂有Si，所述超晶格结构的周期数为20～40，所述InN层(31)的厚度为15nm，所述AlInGaN层(32)的厚度为20nm。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述AlInGaN层(32)中Si的掺杂浓度为8×1017cm-3～2×1018cm-3。
3.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底(10)；
在所述衬底(10)上依次外延生长AlN缓冲层(20)、n型层(30)、多量子阱层(40)和p型层(50)；
其中，所述n型层(30)包括由多个InN层(31)和多个AlInGaN层(32)交替层叠形成的超晶格结构，所述AlInGaN层(32)掺杂有Si，所述超晶格结构的周期数为20～40，所述InN层(31)的厚度为15nm，所述AlInGaN层(32)的厚度为20nm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述InN层(31)在纯氮气氛围中生长。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述AlInGaN层(32)在氢气和氮气的混合气氛中生长。
6.根据权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述n型层(30)的生长温度为1000℃～1100℃。
7.根据权利要求3～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述n型层(30)的生长压力为90mbar～110mbar。
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