CN113113518A - 发光二极管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外延片及其制备方法，属于发光二极管技术领域。在GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层之后分别插入第一插入层、第二插入层与第三插入层，第一插入层、第二插入层与第三插入层为AlN‑Si‑AlN复合结构。第一插入层、第二插入层与第三插入层带来的张应力可以抵消GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层生长时带来的压应力，得到的发光二极管外延片的表面较为平整且质量较好。且第一插入层、第二插入层与第三插入层的层叠结构也可以释放一定的应力，得到的发光二极管外延片的质量及发光效率也得到提高。
Description
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GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层。
由于GaN材料与蓝宝石衬底之间存在较大的晶格失配和热失配，导致存在较大的应力。而逐渐生长的GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层由于组分构成、生长温度和生长压力均不同，所以导致n型GaN层及n型GaN层以下的外延结构内部会存在较大的内部应力。内部应力的存在会导致外延片中存在较多缺陷，且容易导致多量子阱层质量较差，使得最终得到的发光二极管外延片的发光效率较低。
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，可以提高发光二极管外延片的晶体质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GaN缓冲层、第一插入层、非掺杂GaN层、第二插入层、n型GaN层、第三插入层、量子阱层及p型GaN层，
所述第一插入层、所述第二插入层、所述第三插入层均为AlN-Si-AlN复合结构。
可选地，所述第一插入层中Al的组分小于所述第三插入层中Al的组分，所述第三插入层中Al的组分小于所述第二插入层中Al的组分。
可选地，所述第一插入层的厚度为10～40nm，所述第二插入层的厚度为30～60nm，所述第三插入层的厚度为20～50nm。
可选地，所述第一插入层的厚度小于所述第三插入层的厚度，所述第三插入层的厚度小于所述第二插入层的厚度。
可选地，所述第一插入层中AlN子层的厚度小于所述第三插入层中AlN子层的厚度，所述第三插入层中AlN子层的厚度小于所述第二插入层中AlN子层的厚度，所述第一插入层中Si子层的厚度小于所述第三插入层中Si子层的厚度，所述第三插入层中Si子层的厚度小于所述第二插入层中Si子层的厚度。
可选地，每个所述AlN子层的厚度与每个所述Si子层的厚度之比为1.5:1～5:1。
可选地，每个所述AlN子层的厚度为5～20nm，每个所述Si子层的厚度为2～10nm。
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；
在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、第一插入层、非掺杂GaN层、第二插入层、n型GaN层、第三插入层、多量子阱层及p型GaN层，
所述第一插入层、所述第二插入层、所述第三插入层均为AlN-Si-AlN复合结构。
可选地，生长所述第一插入层包括：
向反应腔交替通入所述AlN子层的生长材料与所述Si子层的生长材料，且所述AlN子层的生长温度为1050～1120℃，所述Si子层的生长温度为1050～1120℃。
可选地，所述第一插入层的生长温度、所述第二插入层的生长温度与所述第三插入层的生长温度相同。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
由于GaN的晶格常数大于衬底，外延片在生长过程中就会处于压应变的状态，随着沉积的薄膜越来越厚外延片中积累的压应力越来越大。在GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层之后分别插入第一插入层、第二插入层与第三插入层，第一插入层、第二插入层与第三插入层为包括交替层叠的AlN子层与Si子层的AlN-Si-AlN复合结构。一方面，AlN-Si-AlN的复合结构，由于两头是AlN结构可以起到根据压应变的大小进行调节的作用。中间单独掺杂Si，可以起到缓解内部张应力过大造成裂片或者翘曲过大的风险的作用。另一方面，AlN子层的晶格常数小于GaN的晶格常数，在GaN上生长会积累张应力，平衡GaN本身生长带来的压应力，以减少最终得到的发光二极管外延片的内部应力以及由应力带来的内部缺陷，提高最终得到的发光二极管的晶体质量。第一插入层、第二插入层与第三插入层的层叠结构也可以释放一定的应力，可以分别释放GaN缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层在生长时积累的应力，分别在质量较好的第二插入层及第三插入层上生长的n型GaN层及多量子阱层的质量也可以得到有效提高，最终得到的发光二极管外延片的表面平整度以及质量均可以得到大幅度提高，最终得到的发光二极管的发光效率也得到大幅提高。
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第一插入层的结构示意图；
图3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4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5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GaN缓冲层2、第一插入层3、非掺杂GaN层4、第二插入层5、n型GaN层6、第三插入层7、多量子阱层8及p型GaN层9。
第一插入层3、第二插入层5、第三插入层7均为AlN-Si-AlN复合结构。
由于GaN的晶格常数大于衬底1，外延片在生长过程中就会处于压应变的状态，随着沉积的薄膜越来越厚外延片中积累的压应力越来越大。在GaN缓冲层2、非掺杂GaN层4、n型GaN层6之后分别插入第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7，第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7为包括交替层叠的AlN子层与Si子层的AlN-Si-AlN复合结构。一方面，AlN-Si-AlN的复合结构，由于两头是AlN结构可以起到根据压应变的大小进行调节的作用。中间单独掺杂Si，可以起到缓解内部张应力过大造成裂片或者翘曲过大的风险的作用。另一方面，AlN子层的晶格常数小于GaN的晶格常数，在GaN上生长会积累张应力，平衡GaN本身生长带来的压应力，以减少最终得到的发光二极管外延片的内部应力以及由应力带来的内部缺陷，提高最终得到的发光二极管的晶体质量。第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7的层叠结构也可以释放一定的应力，可以分别释放GaN缓冲层2、非掺杂GaN层4、n型GaN层6在生长时积累的应力，分别在质量较好的第二插入层5及第三插入层7上生长的n型GaN层6及多量子阱层的质量也可以得到有效提高，最终得到的发光二极管外延片的表面平整度以及质量均可以得到大幅度提高，最终得到的发光二极管的发光效率也得到大幅提高。
可选地，第一插入层3的厚度为10～40nm，第二插入层5的厚度为30～60nm，第三插入层7的厚度为20～50nm。
第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7的厚度设置在以上范围内，得到的发光二极管外延片的表面平整度较高，且发光二极管外延片整体的质量也较好。并且设置在以上厚度范围内时，GaN缓冲层2之后的第一插入层3的厚度相对较厚一点，可以有效过渡GaN缓冲层2内形成的大量位错，并为后续外延结构提供良好的生长基础。而由于非掺杂GaN层4本身的晶体质量相对较高，需要释放的应力较小，因此第二插入层5的厚度相对较小，可以一定程度上释放应力，减少位错，并降低发光二极管外延片所需的制备成本。n型GaN层6之后插入的第三插入层7，由于n型GaN层6中掺杂有杂质，所以会存在较大的应力，即使第一插入层3与第二插入层5有效提高了n型GaN层6的生长基础，还是需要设置相对较为厚的第三插入层7来释放n型GaN层6所积累的应力，最终有效提高发光二极管外延片的整体质量。
可选地，第一插入层3的厚度小于第三插入层7的厚度，第三插入层7的厚度小于第二插入层5的厚度。
第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7的厚度设置在上一段所示的关系中，可以应用于大部分的发光二极管外延片中，提高发光二极管外延片的生长效率的同时保证最终得到的发光二极管外延片的晶体质量。
示例性地，第一插入层3中，Si子层的厚度可为2nm～5nm，AlN子层的厚度可为5nm～10nm。
第一插入层3中Si子层的厚度以及AlN子层的厚度在以上范围内时，第一插入层3本身的质量较好，且可以有效释放GaN缓冲层2中的质量并抵消GaN缓冲层2所导致的凹陷。
示例性地，第二插入层5中，Si子层的厚度可为5nm～10nm，AlN子层的厚度可为10nm～20nm。
第二插入层5中Si子层的厚度以及AlN子层的厚度在以上范围内时，第二插入层5本身的质量较好，且可以有效释放非掺杂GaN层4中的质量并抵消非掺杂GaN层4所导致的凹陷。
示例性地，第三插入层7中，Si子层的厚度可为4nm～8nm，AlN子层的厚度可为8nm～15nm。
第三插入层7中Si子层的厚度以及AlN子层的厚度在以上范围内时，第三插入层7本身的质量较好，且可以有效释放n型GaN层6中的质量并抵消n型GaN层6所导致的凹陷。
可选地，第一插入层3中AlN子层的厚度(小于第三插入层7中AlN子层的厚度，第三插入层7中AlN子层的厚度小于第二插入层5中AlN子层的厚度，第一插入层3中Si子层的厚度小于第三插入层7中Si子层的厚度，第三插入层7中Si子层的厚度小于第二插入层5中Si子层的厚度。
第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7中，各子层厚度的范围在以上范围内时，可以更有效地释放应力，并得到质量较好的第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7。
可选地，每个AlN子层的厚度与每个Si子层的厚度之比为1.5:1～5:1。
每个AlN子层的厚度与每个Si子层的厚度之比在以上范围内时，几个插入层本身会积累的应力较少，几个插入层本身的质量较好。
可选地，每个AlN子层的厚度为5～20nm，每个Si子层的厚度为2～10nm。能够得到质量较好的第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7。
可选地，第一插入层3中Al的组分为0.025～0.1。
第一插入层3中Al的组分在以上范围内，可以保证得到的第一插入层3的质量较好，且第一插入层3可以有效抵消GaN缓冲层2所带来的变形。
可选地，第二插入层5中Al的组分为0.05～0.15。
第二插入层5中Al的组分在以上范围内，可以保证得到的第二插入层5的质量较好，且第二插入层5可以有效抵消非掺杂GaN层4所带来的变形。
可选地，第三插入层7中Al的组分为0.035～0.145。
第三插入层7中Al的组分在以上范围内，可以保证得到的第三插入层7的质量较好，且第三插入层7可以有效抵消n型GaN层6所带来的变形。
可选地，第一插入层3中Al的组分小于第三插入层7中Al的组分，第三插入层7中Al的组分小于第二插入层5中Al的组分。
第一插入层3、第二插入层5及第三插入层7中Al的组分的关系位于以上范围内时，第一插入层3中Al的组分最低，第一插入层3自身产生的应力相对较大，可以产生较强的凸起形变，以释放应力最大的GaN缓冲层2中的应力，并抵消GaN缓冲层2所带来的形变。而由于非掺杂GaN层4本身的晶体质量相对较高，需要释放的应力较小，因此第二插入层5的Al的组分相对较小，可以一定程度上释放应力，减少位错，并降低发光二极管外延片所需的制备成本。n型GaN层6之后插入的第三插入层7，由于n型GaN层6中掺杂有杂质，所以会存在较大的应力，即使第一插入层3与第二插入层5有效提高了n型GaN层6的生长基础，还是需要设置Al组分相对较大的第三插入层7来释放n型GaN层6所积累的应力，最终有效提高发光二极管外延片的整体质量。Al组分均代指AlN子层中的Al组分。
为便于理解第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7，此处提供图2与图3，图2是本公开实施例提供的第一插入层的结构示意图，以第一插入层3进行示例，参考图2可知，第一插入层3可为AlN-Si-AlN复合结构。图1中所示的第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7均为AlN-Si-AlN复合结构。图2中显示了第一插入层3包括的Si子层301与AlN子层302。
需要说明的是，在本公开所提供的其他实现方式中，第一插入层3、第二插入层5与第三插入层7也可以不同，本公开对此不做限制。
图3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3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2、第一插入层3、非掺杂GaN层4、第二插入层5、n型GaN层6、第三插入层7、多量子阱层8、AlGaN电子阻挡层10、p型GaN层9及p型接触层11。
需要说明的是，图3中所示的第一插入层3、第二插入层5及第三插入层7从的结构与图1中所示的第一插入层3、第二插入层5及第三插入层7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2的厚度可为10～30nm。能够减小n型GaN层6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4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4的厚度还可为1μm。本公开对此不做限制。
可选地，n型GaN层6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6整体的质量较好。
示例性地，n型GaN层6的厚度可为2～3μm。得到的n型GaN层6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6的厚度可为2μm。本公开对此不做限制。
可选地，多量子阱层8可包括交替层叠的InGaN阱层801与GaN垒层802。易于制备与获取。
可选地，AlGaN电子阻挡层10中Al组分可为0.15～0.25。阻挡电子的效果较好。
可选地，p型GaN层9可掺Mg，p型GaN层9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11的厚度可为15nm。
需要说明的是，图3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8与p型GaN层9之间增加了电子阻挡层10，在p型GaN层9上还生长有p型接触层11。得到的外延片的质量及发光效率会更好。
图4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4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：
S101：提供一衬底。
S102：在衬底上依次生长GaN缓冲层、第一插入层、非掺杂GaN层、第二插入层、n型GaN层、第三插入层、多量子阱层及p型GaN层，第一插入层、第二插入层、第三插入层均为AlN-Si-AlN复合结构。
图4中所示的发光二极管外延片的制备方法的技术效果，可参考图1中所示的发光二极管外延片对应的技术效果，因此此处不再对制备方法的技术效果进行赘述。
步骤S102中，第一插入层的生长温度、第二插入层的生长温度与第三插入层的生长温度可相同。
第一插入层的生长温度、第二插入层的生长温度与第三插入层的生长温度相同，可以便于控制第一插入层、第二插入层、第三插入层的快速生长，并保证最终得到的第一插入层、第二插入层、第三插入层的质量较好。
步骤S102中，生长第一插入层，可包括：
向反应腔交替通入AlN子层的生长材料与Si子层的生长材料，且AlN子层的生长温度为1050～1120℃，Si子层的生长温度为1050～1120℃。
第一插入层的生长温度在以上范围内，可以得到质量较好的第一插入层。
需要说明的是，第二插入层与第三插入层的生长条件可与第一插入层的生长条件相同。
执行完步骤S102之后的发光二极管的外延片结构可参考图1。
图5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5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缓冲层上生长第一插入层。
第一插入层的生长条件可参考图1中所示的步骤S102，因此此处不再赘述。
S204：在第一插入层上生长非掺杂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。
S205：在非掺杂GaN层上生长第二插入层。
第二插入层的生长条件可参考图1中所示的步骤S102，因此此处不再赘述。
S206：在第二插入层上生长n型GaN层。
可选地n型GaN层的生长温度可为1000～1100℃，n型GaN层的生长压力可为100～300Torr。
可选地，n型GaN层的厚度可为0.5～3um。
S207：在n型GaN层上生长第三插入层。
第三插入层的生长条件可参考图1中所示的步骤S102，因此此处不再赘述。
S208：在n型GaN层上生长多量子阱层。
多量子阱层可以包括交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。反应室压力控制在200torr。生长InGaN阱层时，反应室温度为760～780℃。生长GaN垒层时，反应室温度为860～890℃。得到的多量子阱层的质量较好。
S209：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。
S210：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℃。
S211：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5中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图4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。
执行完步骤S211后的发光二极管外延片的结构可参见图5。
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。
以上所述仅为本公开的较佳实施例，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 (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GaN缓冲层、第一插入层、非掺杂GaN层、第二插入层、n型GaN层、第三插入层、量子阱层及p型GaN层，
所述第一插入层、所述第二插入层、所述第三插入层均为AlN-Si-AlN复合结构。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一插入层中Al的组分小于所述第三插入层中Al的组分，所述第三插入层中Al的组分小于所述第二插入层中Al的组分。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一插入层的厚度为10～40nm，所述第二插入层的厚度为30～60nm，所述第三插入层的厚度为20～50nm。
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，所述第一插入层的厚度小于所述第三插入层的厚度，所述第三插入层的厚度小于所述第二插入层的厚度。
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，所述第一插入层中AlN子层的厚度小于所述第三插入层中AlN子层的厚度，所述第三插入层中AlN子层的厚度小于所述第二插入层中AlN子层的厚度，所述第一插入层中Si子层的厚度小于所述第三插入层中Si子层的厚度，所述第三插入层中Si子层的厚度小于所述第二插入层中Si子层的厚度。
6.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，每个所述AlN子层的厚度与每个所述Si子层的厚度之比为1.5:1～5:1。
7.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，每个所述AlN子层的厚度为5～20nm，每个所述Si子层的厚度为2～10nm。
8.一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；
在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、第一插入层、非掺杂GaN层、第二插入层、n型GaN层、第三插入层、多量子阱层及p型GaN层，
所述第一插入层、所述第二插入层、所述第三插入层均为AlN-Si-AlN复合结构。
9.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，生长所述第一插入层包括：
向反应腔交替通入所述AlN子层的生长材料与所述Si子层的生长材料，且所述AlN子层的生长温度为1050～1120℃，所述Si子层的生长温度为1050～1120℃。
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，所述第一插入层的生长温度、所述第二插入层的生长温度与所述第三插入层的生长温度相同。
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| CN112242460A (zh) * | 2020-09-29 | 2021-01-19 | 苏州紫灿科技有限公司 | 一种具有Si掺杂插入层的AlN复合薄膜及其外延生长方法 |
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