CN113394318A - 发光二极管的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延结构及其制备方法，其中，发光二极管的外延结构包括：衬底；上述衬底上设置氮化物成核层；上述氮化物成核层上设置氮化物层；上述氮化物层上设置N型氮化物层；上述N型氮化物层上设置多量子阱层；上述多量子阱层上设置至少两层P型AlGaN层其中，相邻两层上述P型AlGaN层之间设置有石墨烯层；上述P型AlGaN层上设置P型GaN层。
Description
技术领域
本发明属于照明技术领域，具体涉及一种发光二极管的外延结构及其制备方法。
背景技术
紫外LED具有波长短、光子能量高、光束均匀等优点，因此在物理杀菌、高显色指数的照明以及高密度光存储等领域有着重要的应用。经过大量的研究，目前已经在晶体质量、高Al组分和短波长结构设计等技术方面取得了重要突破，例如已成功制备300nm以下的深紫外LED器件，实现毫瓦级的功率输出，并在可靠性方面取得很大进展。
然而，紫外LED经常使用Mg掺杂的P型AlGaN层，由于Mg在AlGaN中电离率随着Al组分的增加而降低，导致了P型AlGaN层相对较低的电导率，P型AlGaN的高串联电阻使得紫外LED的注入效率低和工作电压高。各研究机构探索了多种提高P型AlGaN层导电性的方法，比如短周期AlGaN/AlGaN超晶格，渐变AlGaN层极化掺杂，以及替代P型材料如掺Mg的氮化硼，但均未取得较好的效果。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种发光二极管的外延结构及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题。
作为本发明实施例的一个方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延结构，包括：衬底；上述衬底上设置氮化物成核层；上述氮化物成核层上设置氮化物层；上述氮化物层上设置N型氮化物层；上述N型氮化物层上设置多量子阱层；上述多量子阱层上设置至少两层P型AlGaN层其中，相邻两层上述P型AlGaN层之间设置有石墨烯层；上述P型AlGaN层上设置P型GaN层。
根据本发明实施例，衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底中的任意一种。
根据本发明实施例，氮化物成核层、氮化物层均包括GaN层、AlN层、AlGaN层中的任意一种。
根据本发明实施例，N型氮化物层包括N型GaN层、N型AlN层、N型AlGaN层中的任意一种。
根据本发明实施例，多量子阱层GaN层、AlN层、InN层、AlGaN层、InGaN层中的任意两种组合。
根据本发明实施例，多量子阱层的波长覆盖范围为200～1770nm。
作为本发明实施例的另一个方面，本发明实施例还提供了一种上述外延结构的制备方法，包括：提供一衬底；在上述衬底上生长氮化物成核层；在上述氮化物成核层上生长氮化物层；在上述氮化物层上生长N型氮化物层；在上述N型氮化物层上生长P型AlGaN层；在上述P型AlGaN层上生长石墨烯层；在上述石墨烯层上再生长P型AlGaN层；在上述P型AlGaN层生长P型GaN层。
根据本发明实施例，在上述氮化物成核层上生长氮化物层，包括：在1010～1300℃下，采用气相外延生长法在上述氮化物成核层上生长氮化物层。
根据本发明实施例，在P型AlGaN层上生长石墨烯层，包括：采用转移法或等离子体增强化学的气相沉积法在P型AlGaN层上生长石墨烯层。
根据本发明实施例，转移法包括干法转移法和湿法转移法中的任意一种。
本发明实施例中，由于石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，单层石墨烯的电子迁移率在50～500K温度下都可以达到15000cm2/(V·s)，具有超强导电性，因此在P型AlGaN层上生长石墨烯层，有效提高电流扩展能力，降低串联电压，提高发光二极管的电注入效率。
附图说明
图1示意性地示出了本发明实施例中发光二极管外延结构的剖面示意图；
图2示意性地示出了本发明实施例中制备发光二极管外延结构的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50～500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/(V·s)左右，层内具有超强导电性。同时，石墨烯面内分子之间原子通过sp2杂化组成六边形结构，性能稳定，与纤锌矿GaN的(0001)面相似，氮化物外延可以在石墨烯进行外延，当石墨烯层数不多情况下，对氮化物外延层影响较小。
因此，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延结构，包括：衬底；上述衬底上设置氮化物成核层；上述氮化物成核层上设置氮化物层；上述氮化物层上设置N型氮化物层；上述N型氮化物层上设置多量子阱层；上述多量子阱层上设置至少两层P型AlGaN层其中，相邻两层上述P型AlGaN层之间设置有石墨烯层；上述P型AlGaN层上设置P型GaN层。
图1示意性地示出了本发明实施例中发光二极管外延结构的剖面示意图。
如图1所示，发光二极管的外延结构自下至上依次包括：衬底1、氮化物成核层2、氮化物层3、N型氮化物层4、多量子阱层5、P型AlGaN层6、石墨烯层7，本发明的一个实施例中以设置三层P型P型AlGaN层为例，在相邻两层P型AlGaN层之间均设置石墨烯层7，在最上层的P型AlGaN层6上设置P型GaN层8。
通过本发明实施例，由于石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，单层石墨烯的电子迁移率在50～500K温度下都可以达到15000cm2/(V·s)，具有超强导电性，因此在P型AlGaN层上生长石墨烯层，有效提高电流扩展能力，降低串联电压，提高发光二极管的电注入效率。
根据本发明实施例，衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底中的任意一种。
本发明实施例中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底中的任意一种，还可以采用其他能在其上外延生长出氮化物材料的衬底。
根据本发明实施例，氮化物成核层、氮化物层均包括GaN层、AlN层、AlGaN层中的任意一种。
本发明实施例中，氮化物层包括但不限于非故意掺杂氮化物层，非故意掺杂氮化物指材料本身含有杂质，而非人为掺杂的杂质。
根据本发明实施例，N型氮化物层包括N型GaN层、N型AlN层、N型AlGaN层中的任意一种。
本发明实施例中，氮化物成核层、氮化物层、N型氮化物层中所采用材料AlGaN，不限定材料中Al组分含量。
根据本发明实施例，多量子阱层GaN层、AlN层、InN层、AlGaN层、InGaN层中的任意两种组合。
根据本发明实施例，多量子阱层的波长覆盖范围为200～1770nm。
本发明实施例中，多量子阱层中所采用的材料AlGaN、InGaN，不限定材料中Al组分、In组分含量，只要满足多量子阱层能够提供的波长覆盖范围为200～1770nm之间的AlGaN、InGaN即可。
通过本发明实施例，多量子阱层作为有源区，限定其波长覆盖范围，从而限定了发光二极管的发光范围。
作为本发明实施例的另一个方面，本发明实施例还提供了一种上述外延结构的制备方法，包括：提供一衬底；在上述衬底上生长氮化物成核层；在上述氮化物成核层上生长氮化物层；在上述氮化物层上生长N型氮化物层；在上述N型氮化物层上生长P型AlGaN层；在上述P型AlGaN层上生长石墨烯层；在上述石墨烯层上再生长P型AlGaN层；在上述P型AlGaN层生长P型GaN层。
图2示意性地示出了本发明实施例中制备发光二极管外延结构的工艺流程图。
如图2所示，先选择一衬底，在衬底上生长氮化物成核层，在上述氮化物成核层上生长氮化物层；在上述氮化物层上生长N型氮化物层；在上述N型氮化物层上生长P型AlGaN层；在上述P型AlGaN层上生长石墨烯层；在上述石墨烯层上再生长P型AlGaN层；在上述P型AlGaN层生长P型GaN层。
本发明实施例中，可以根据实际需要，确定石墨烯层的数量，若需要增加一层石墨烯层，则相应地需要在增加的石墨烯层上再覆盖生长一层P型AlGaN层，最后在最上面的P型AlGaN层上生长P型GaN层。
通过本发明实施例，在相邻两层P型AlGaN层之间插入石墨烯层，利用石墨烯材料的高导电性和稳定性，增加层P型AlGaN层的导电率，从而提高电流扩展能力，降低串联电压，提高发光二极管的电注入效率。
根据本发明实施例，在上述氮化物成核层上生长氮化物层，包括：在1010～1300℃下，采用气相外延生长法在上述氮化物成核层上生长氮化物层。
本发明实施例中，采用气相外延生长法在氮化物成核层上生长氮化物层，由于采用的金属有机化学气相沉积系统的型号不同，可以根据系统要求在1010～1300℃的温度范围内进行调试，例如：1010℃、1050℃、1100℃、1200℃、1300℃。
根据本发明实施例，在P型AlGaN层上生长石墨烯层，包括：采用转移法或等离子体增强化学的气相沉积法在P型AlGaN层上生长石墨烯层。
根据本发明实施例，转移法包括干法转移法和湿法转移法中的任意一种。
通过本发明实施例，采用转移法或等离子体增强化学的气相沉积法生长石墨烯层，可以确保覆盖均匀的单层石墨烯层，单层石墨烯层可以在较宽的温度范围50～500K保持良好的导电率，从而使得外延结构保持较高的电流扩展性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管的外延结构，包括：衬底；
所述衬底上设置氮化物成核层；
所述氮化物成核层上设置氮化物层；
所述氮化物层上设置N型氮化物层；
所述N型氮化物层上设置多量子阱层；
所述多量子阱层上设置至少两层P型AlGaN层；其中，相邻两层所述P型AlGaN层之间设置有石墨烯层；
所述P型AlGaN层上设置P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其中，所述衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其中，所述氮化物成核层、所述氮化物层均包括GaN层、AlN层、AlGaN层中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其中，所述N型氮化物层包括N型GaN层、N型AlN层、N型AlGaN层中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的外延结构，其中，所述多量子阱层GaN层、AlN层、InN层、AlGaN层、InGaN层中的任意两种组合。
6.根据权利要求1或5所述的外延结构，其中，所述多量子阱层的波长覆盖范围为200～1770nm。
7.一种权利要求1～6任意一项所述的外延结构的制备方法，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长氮化物成核层；
在所述氮化物成核层上生长氮化物层；
在所述氮化物层上生长N型氮化物层；
在所述N型氮化物层上生长P型AlGaN层；
在所述P型AlGaN层上生长石墨烯层；
在所述石墨烯层上再生长所述P型AlGaN层；
在所述P型AlGaN层生长P型GaN层。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述在所述氮化物成核层上生长氮化物层，包括：在1010～1300℃下，采用气相外延生长法在所述氮化物成核层上生长氮化物层。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述在所述P型AlGaN层上生长石墨烯层，包括：采用转移法或等离子体增强化学的气相沉积法在所述P型AlGaN层上生长石墨烯层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述转移法包括干法转移法和湿法转移法中的任意一种。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210914 |