CN112951963A - 发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

发光二极管外延片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管技术领域。掺杂Si的第一GaN子层可以将电子扩散的通道变窄，电子可以均匀分布，未掺的第二GaN子层则可以增大电阻，并加强电子横向分布，实现电子的均匀横向扩展，降低发光二极管外延片的工作电压。第一复合层上层叠的第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层，在电子得到横向扩展的基础上，可以有效限制电子的移动速率，减少电子的溢流作用，促使更多的空穴进入多量子阱层中进行发光。最终可以提高发光二极管外延片发光均匀度的同时提高发光二极管外延片的发光效率。

Description

发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本公开涉及到了发光二极管技术领域，特别涉及到一种发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种应用非常广泛的发光器件，常用于通信号灯、汽车内外灯、城市照明和景观照明等，发光二极管外延片则是用于制备发光二极管的基础结构。发光二极管外延片通常包括衬底及衬底上依次层叠的n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层，n型GaN层产生的电子与p型GaN层产生的空穴在电流作用下进入多量子阱层中进行复合并发光。
由于电子的产生效率和迁移率均远远大于空穴，导致进入多量子阱层中的电子数量也会远大于进入多量子阱层中的空穴的数量，电子容易溢出多量子阱层并进入p型GaN层中，从而与p型GaN层的空穴发生非辐射复合，部分空穴在进入多量子阱层中之前就被电子消耗，导致进入多量子阱层中的空穴的数量减少，发光二极管发光效率较低。
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备方法，可以提高进行多量子阱层的空穴数量以提高最终得到的发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本公开实施例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及依次层叠在所述衬底上的n型GaN层、第一复合层、第二复合层、多量子阱层及p型GaN层，
所述第一复合层包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层与未掺杂的第二GaN子层，所述第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层。
可选地，所述第一GaN子层中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3。
可选地，所述第一GaN子层的厚度与所述第二GaN子层的厚度之比为10:1～100:1。
可选地，所述第一GaN子层的厚度为10～200nm，所述第二GaN子层的厚度为1～10nm。
可选地，所述InGaN子层与AlGaN子层均掺有Si。
可选地，所述InGaN子层中Si的掺杂浓度与所述AlGaN子层中Si的掺杂浓度之比为1:1～1:10。
可选地，所述第一GaN子层中Si的掺杂浓度与所述InGaN子层中Si的掺杂浓度之比为1:1～1:10。
可选地，所述InGaN子层中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3，所述AlGaN子层中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3。
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片制备方法，所述发光二极管外延片制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长n型GaN层；
在所述n型GaN层上生长第一复合层，所述第一复合层包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层与未掺杂的第二GaN子层；
在所述第一复合层上生长第二复合层，所述第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层；
在所述第二复合层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长p型GaN层。
可选地，所述在所述第一复合层上生长第二复合层，包括：
使反应腔内充满纯氮气；
向所述反应腔通入所述第二复合层的生长源，以在所述第一复合层上生长所述第二复合层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
在发光二极管外延片的n型GaN层与多量子阱层之间增加依次层叠第一复合层与第二复合层，掺杂Si的第一GaN子层可以将电子扩散的通道变窄，电子可以均匀分布，未掺的第二GaN子层则可以增大电阻，并加强电子横向分布，实现电子的均匀横向扩展，降低发光二极管外延片的工作电压。第一复合层上层叠的第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层，在电子得到横向扩展的基础上，可以有效限制电子的移动速率，低势垒的InGaN子层可以对电子进行储存，而高势垒的AlGaN子层可以降低电子的迁移速率，起到减少电子的溢流作用，促使更多的空穴进入多量子阱层中进行发光。最终可以提高发光二极管外延片发光均匀度的同时提高发光二极管外延片的发光效率。
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另一种发光二极管外延片的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图；
图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图。
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，参考图1可知，本公开实施例提供了一种发光二极管外延片，发光二极管外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的n型GaN层2、第一复合层3、第二复合层4、多量子阱层5及p型GaN层6。
第一复合层3包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层31与未掺杂的第二GaN子层32，第二复合层4包括多个交替层叠的InGaN子层41与AlGaN子层42。
在发光二极管外延片的n型GaN层2与多量子阱层5之间增加依次层叠第一复合层3与第二复合层4，掺杂Si的第一GaN子层31可以将电子扩散的通道变窄，电子可以均匀分布，未掺的第二GaN子层32则可以增大电阻，并加强电子横向分布，实现电子的均匀横向扩展，降低发光二极管外延片的工作电压。并且第二GaN子层32的质量较好，也可以提高在第二GaN子层32上生长的结构的质量。第一复合层3上层叠的第二复合层4包括多个交替层叠的InGaN子层41与AlGaN子层42，在电子得到横向扩展的基础上，可以有效限制电子的移动速率，低势垒的InGaN子层41可以对电子进行储存，而高势垒的AlGaN子层42可以降低电子的迁移速率，起到减少电子的溢流作用，促使更多的空穴进入多量子阱层5中进行发光。最终可以提高发光二极管外延片发光均匀度的同时提高发光二极管外延片的发光效率。
示例性地，第一复合层3的厚度可为20nm～200nm。
第一复合层3的厚度在以上范围内是，第一复合层3的质量较好，也可以有效起到扩展电流的作用。
可选地，第一GaN子层31中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3。
第一GaN子层31中Si的掺杂浓度在以上范围内时，第一GaN子层31本身的质量较好，且也可以有效控制电子的进入通道，能够保证第一复合层3的质量的同时有效扩展电流。
示例性地，第一GaN子层31的厚度与第二GaN子层32的厚度之比为10:1～100:1。
第一GaN子层31的厚度与第二GaN子层32的厚度之比在以上范围内时，第一GaN子层31与第二GaN子层32的质量均较好，且电流也可以得到有效扩展。
可选地，第一GaN子层31的厚度为10～200nm，第二GaN子层32的厚度为1～10nm。此时第一GaN子层31与第二GaN子层32的质量均较好，且电流也可以得到有效扩展。
示例性地，第一GaN子层31的层数与第二GaN子层32的层数均为4～20层。
第一GaN子层31的层数与第二GaN子层32的层数在以上范围内时，可以得到质量较好的第一复合层3。
可选地，第二复合层4整体的厚度可为20nm～200nm。
第二复合层4的厚度在以上范围内是，第二复合层4的质量较好，也可以有效起到阻挡扩展电流的作用。
可选地，InGaN子层41的厚度为2～100nm，AlGaN子层42的厚度为2～100nm。能够得到质量较好，且能够有效阻挡电子的第二复合层4。
示例性地，InGaN子层41与AlGaN子层42均掺有Si。
InGaN子层41与AlGaN子层42内均掺杂有Si，可以使第二复合层4本身产生部分电子，对电子进行积累，保证最终进入多量子阱层5的电子数量较多的同时，延缓电子的迁移速度，提高最终进入多量子阱层5内的空穴，提高发光效率。
可选地，InGaN子层41中Si的掺杂浓度与AlGaN子层42中Si的掺杂浓度之比为1:1～1:10。
InGaN子层41中Si的掺杂浓度与AlGaN子层42中Si的掺杂浓度之比在以上范围内是，可以保证第二复合层4本身的质量，并有效控制电子的总量。
示例性地，第一GaN子层31中Si的掺杂浓度与InGaN子层41中Si的掺杂浓度之比为1:1～1:10。
在第二复合层4中也掺杂Si的情况下，由于第一复合层3中也掺有Si，第一GaN子层31中Si的掺杂浓度与InGaN子层41中Si的掺杂浓度之比在以上范围内，第一复合层3可以提供部分电子，第二复合层4在第一复合层3的基础上可以提供适量的电子，同时第二复合层4整体的质量也较好，可以有效提高最终得到的发光二极管外延片的质量。
可选地，InGaN子层41中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3，AlGaN子层42中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3。
InGaN子层41中Si的掺杂浓度与AlGaN子层42中Si的掺杂浓度在以上范围内时，能够得到质量较好的第二复合层4，发光二极管外延片整体的发光效率也较高。
示例性地，InGaN子层41的层数与AlGaN子层42的层数均为4～20层。
InGaN子层41的层数与AlGaN子层42的层数在以上范围内时，可以得到质量较好的第二复合层4。
图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图2可知，在本公开提供的另一种实现方式中，发光二极管外延片可包括衬底1及生长在衬底1上的GaN缓冲层7、非掺杂GaN层8、n型GaN层2、第一复合层3、第二复合层4、多量子阱层5、AlGaN电子阻挡层9、p型GaN层6及p型接触层10。
需要说明的是，图2中所示的第一复合层3、第二复合层4的结构与图1中所示的第一复合层3、第二复合层4的结构分别相同，此处不再赘述。
可选地，衬底1可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。
可选地，GaN缓冲层7的厚度可为10～30nm。能够减小n型GaN层2与衬底1之间的晶格失配，保证外延层的晶体质量。
示例性地，非掺杂GaN层8的厚度可为1～3.5μm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。
在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂GaN层8的厚度还可为1μm。本公开对此不做限制。
可选地，n型GaN层2的掺杂元素可为Si，且Si元素的掺杂浓度可为1×1018～1×1019cm-3。n型GaN层2整体的质量较好。
示例性地，n型GaN层2的厚度可为2～3μm。得到的n型GaN层2整体的质量较好。
在本公开提供的一种实现方式中，n型GaN层2的厚度可为2μm。本公开对此不做限制。
可选地，多量子阱层5可包括交替层叠的InGaN阱层51与GaN垒层52。易于制备与获取。
可选地，AlGaN电子阻挡层9中Al组分可为0.15～0.25。阻挡电子的效果较好。
在本公开所提供的一种实现方式中，AlGaN电子阻挡层9的厚度可为10nm～20nm。
AlGaN电子阻挡层9的厚度在以上范围内时，相对传统的发光二极管外延片中的电子阻挡层的厚度大大减小，降低了AlGaN电子阻挡层9的制备成本，并且AlGaN电子阻挡层9的吸光效应也会减小，发光二极管外延片的质量也可以得到提高。AlGaN电子阻挡层9的厚度的减薄，可以减轻AlGaN电子阻挡层9对空穴的阻挡程度，进一步提高可以进入多量子阱层5内的空穴数量。需要说明的是，由于第一复合层3与第二复合层4对电子进行了有效阻挡，因此从多量子阱层5溢出至p型GaN层6中的电子数量也会大大减少，因此对应减小AlGaN电子阻挡层9的厚度也不会影响对电子的阻挡效果，而且还有利于空穴进入多量子阱层5中。
可选地，p型GaN层6可掺Mg，p型GaN层6的厚度可与图1中所示结构相同，此处不再赘述。
示例性地，p型接触层10的厚度可为15nm。
需要说明的是，图2中所示的外延片结构相对图1中所示的外延片结构，在多量子阱层5与p型GaN层6之间增加了电子阻挡层，在p型GaN层6上还生长有p型接触层10。得到的外延片的质量及发光效率会更好。
图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该发光二极管外延片制备方法包括：
S101：提供一衬底。
S102：在衬底上生长n型GaN层。
S103：在n型GaN层上生长第一复合层，第一复合层包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层与未掺杂的第二GaN子层。
S104：在第一复合层上生长第二复合层，第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层。
S105：在第二复合层上生长多量子阱层。
S106：在多量子阱层上生长p型GaN层。
在发光二极管外延片的n型GaN层与多量子阱层之间增加依次层叠第一复合层与第二复合层，掺杂Si的第一GaN子层可以将电子扩散的通道变窄，电子可以均匀分布，未掺的第二GaN子层则可以增大电阻，并加强电子横向分布，实现电子的均匀横向扩展，降低发光二极管外延片的工作电压。第一复合层上层叠的第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层，在电子得到横向扩展的基础上，可以有效限制电子的移动速率，低势垒的InGaN子层可以对电子进行储存，而高势垒的AlGaN子层可以降低电子的迁移速率，起到减少电子的溢流作用，促使更多的空穴进入多量子阱层中进行发光。最终可以提高发光二极管外延片发光均匀度的同时提高发光二极管外延片的发光效率。
S103：在n型GaN层上生长第一复合层，第一复合层包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层与未掺杂的第二GaN子层。
步骤S103中，第一复合层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力可为100～300Torr。
在上一段中的生长条件下，可以得到质量较好的第一复合层。
可选地，第一复合层可以在N2、H2与NH3混合气氛条件下生长。能够加快第一复合层成形的同时得到质量较好的第一复合层。
步骤S104中，在第一复合层上生长第二复合层，可包括：
使反应腔内充满纯氮气；向反应腔通入第二复合层的生长源，以在第一复合层上生长第二复合层。
反应腔内充满纯氮气的环境下，再进行第二复合层的生长，这种条件中，纯氮气条件下有利于InGaN子层中In组分的掺入，且有利于AlGaN子层中Al组分掺入，可以保证In以及Al的渗入较为均匀，最终得到的第二复合层的质量较好。
步骤S104中，第二复合层的生长温度可为800～1000℃，生长压力可为100～200Torr。能够得到质量较好的第二复合层。
需要说明的是，第一复合层中的两个子层以及第二复合层中的两个子层，需要可通过向反应腔内交替通入生长材料进行生长。
执行完步骤S106之后的发光二极管的外延片结构可参考图1。
图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：
S201：提供一衬底。
其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
可选地，步骤S201还可包括：在氢气气氛下，处理衬底用于生长外延层的表面5～6min。
示例性地，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1000～1100℃，反应腔的压力可为200～500torr。
S202：在衬底上生长GaN缓冲层。
示例性地，GaN缓冲层的生长温度可为530～560℃，压力可为200～500mtorr。得到的GaN缓冲层的质量较好。
S203：在GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层。
非掺杂GaN层的厚度可为0.5～3um。
示例性地，非掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力控制在100～300torr。得到的非掺杂GaN层的质量较好。
S204：在非掺杂GaN层上生长n型GaN层。
n型GaN层的温度可为1000～1100℃，生长压力可为100～300Torr。n型GaN层的生长厚度可为0.5～3μm，n型GaN层的掺杂Si的浓度可为1×1018～1×1019cm-3。
S205：在n型GaN层上生长第一复合层与第二复合层。
第一复合层与第二复合层的生长条件可分别参考图1中的步骤S103与步骤S104，因此此处不再赘述。
S206：在第二复合层上生长多量子阱层。
多量子阱层可为8～15个周期的InGaN/GaN多量子阱结构，其中，每个周期的InGaN层的总厚度为2-5nm，生长温度为700～830℃，压力为100～300Torr；每个周期的GaN层的总厚度为8～20nm，生长温度为800～960℃，压力为100～300Torr。
S207：在多量子阱层上生长AlGaN电子阻挡层。
AlGaN电子阻挡层的生长温度可为800～1000℃，AlGaN电子阻挡层的生长压力可为100～300Torr。在此条件下生长得到的AlGaN电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二极管的发光效率。
S208：在AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。
可选地，p型GaN层的生长压力可为200～600Torr，p型GaN层的生长温度可为800～1000℃。
S209：在p型GaN层上生长p型接触层。
可选地，p型接触层的生长压力可为100～300Torr，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。
需要说明的是，图4中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图3中所示的发光二极管的制备方法，提供了一种更为详细的发光二极管外延片的生长方式。
S210：对发光二极管外延片进行退火。
对发光二极管外延片进行退火可以进一步提高发光二极管外延片的质量。
步骤S210中，退火温度可为650℃～850℃，退火时长5～15min。得到的发光二极管外延片的质量较好。
执行完步骤S210后的发光二极管外延片的结构可参见图4。
需要说明的是，在本公开实施例中，采用VeecoK 465i or C4 or RB MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现发光二极管的生长方法。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。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的n型GaN层、第一复合层、第二复合层、多量子阱层及p型GaN层，
所述第一复合层包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层与未掺杂的第二GaN子层，所述第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一GaN子层中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一GaN子层的厚度与所述第二GaN子层的厚度之比为10:1～100:1。
4.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一GaN子层的厚度为10～200nm，所述第二GaN子层的厚度为1～10nm。
5.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InGaN子层与AlGaN子层均掺有Si。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InGaN子层中Si的掺杂浓度与所述AlGaN子层中Si的掺杂浓度之比为1:1～1:10。
7.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一GaN子层中Si的掺杂浓度与所述InGaN子层中Si的掺杂浓度之比为1:1～10:1。
8.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InGaN子层中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3，所述AlGaN子层中Si的掺杂浓度为2×1017～1×1018cm-3。
9.一种发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述发光二极管外延片制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长n型GaN层；
在所述n型GaN层上生长第一复合层，所述第一复合层包括多个交替层叠的掺Si的第一GaN子层与未掺杂的第二GaN子层；
在所述第一复合层上生长第二复合层，所述第二复合层包括多个交替层叠的InGaN子层与AlGaN子层；
在所述第二复合层上生长多量子阱层；
在所述多量子阱层上生长p型GaN层。
10.根据权利要求8所述的发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述在所述第一复合层上生长第二复合层，包括：
使反应腔内充满纯氮气；
向所述反应腔通入所述第二复合层的生长源，以在所述第一复合层上生长所述第二复合层。
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