CN113838954A - 一种led外延及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED外延及其制造方法，在图形化衬底上制备氮化物缓冲层，并在氮化物缓冲层上生成N型氮化镓层；基于N型氮化镓层交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为电子阻挡层的复合式量子阱层；基于复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延；因此通过在量子阱之间添加电子阻挡层，能够改变每一量子阱层的位错方向，从而减少量子阱层的位错密度；并且能够减少N型氮化镓的电子和P型氮化镓的空穴溢流的情况，减少电子和空穴的无效复合，从而提高电子空穴复合效率。

Description

一种LED外延及其制造方法
技术领域
本发明涉及LED制造领域，特别涉及一种LED外延及其制造方法。
背景技术
GaN基发光二极管(LED)由于其高效的发光性能和较低的成本，已经大范围使用在照明、背光、显示等领域。其基本结构中包含N型半导体层、活性层和P型半导体层，其中N型半导体层提供的电子和P型半导体层提供的空穴在活性层内复合发光。此种发光材料的发光效率主要由两个因素决定，第一是电子空穴在有源层的辐射复合效率，即内量子效率；第二是光的萃取效率。关于提升内量子效率方面，可通过量子阱能带设计、改善晶体质量、提升P型层空穴注入效率、改善电子溢流状况等手段提升内量子效率，其中量子阱能带设计是决定GaN基LED的瓶颈因素，由于电子空穴的复合发生在有源区内为有效复合，常出现电子空穴溢流的状况，内量子效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种LED外延及其制造方法，能够提高电子空穴复合效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种LED外延制造方法，包括步骤：
在图形化衬底上制备氮化物缓冲层；
基于所述氮化物缓冲层生成N型氮化镓层；
基于所述N型氮化镓交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为所述电子阻挡层的复合式量子阱层；
基于所述复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延。
为了解决上述技术问题，本发明采用另一种的技术方案为：
一种LED外延，包括图形化衬底、氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层。
所述图形化衬底上方依次为氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层；
所述复合式量子阱层包括电子阻挡层和量子阱层，所述电子阻挡层和所述量子阱层交替排列，所述复合式量子阱层的最底层和最上层均为所述电子阻挡层。
本发明的有益效果在于：在图形化衬底上制备氮化物缓冲层，并在氮化物缓冲层上生成N型氮化镓层；基于N型氮化镓层交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为电子阻挡层的复合式量子阱层；基于复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延；因此通过在量子阱之间添加电子阻挡层，能够改变每一量子阱层的位错方向，从而减少量子阱层的位错密度；并且能够减少N型氮化镓的电子和P型氮化镓的空穴溢流的情况，减少电子和空穴的无效复合，从而提高电子空穴复合效率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种LED外延制造方法的流程图；
图2为本发明实施例的一种LED外延的结构示意图；
图3为现有技术的LED外延的结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，本发明实施例提供了一种LED外延制造方法，包括步骤：
在图形化衬底上制备氮化物缓冲层；
基于所述氮化物缓冲层生成N型氮化镓层；
基于所述N型氮化镓交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为所述电子阻挡层的复合式量子阱层；
基于所述复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在图形化衬底上制备氮化物缓冲层，并在氮化物缓冲层上生成N型氮化镓层；基于N型氮化镓层交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为电子阻挡层的复合式量子阱层；基于复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延；因此通过在量子阱之间添加电子阻挡层，能够改变每一量子阱层的位错方向，从而减少量子阱层的位错密度；并且能够减少N型氮化镓的电子和P型氮化镓的空穴溢流的情况，减少电子和空穴的无效复合，从而提高电子空穴复合效率。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度沿着远离所述N型氮化镓的方向递增，所述量子阱层的厚度固定。
由上述描述可知，电子阻挡层的厚度逐渐增加，能够将N型氮化镓提供的电子和P型氮化镓提供的空穴限制在远离N型氮化镓的预设个数的量子阱层中，减少电子往P型氮化镓溢流的情况，并且在远离N型氮化镓的预设个数的量子阱层中进行电子空穴复合，能够提高复合效率并且提高LED的发光效率。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度范围为1～20nm。
进一步地，所述电子阻挡层的材料为氮化铝，所述量子阱层的材料为氮化铟镓或者氮化镓。
由上述描述可知，使用氮化铝作为电子阻挡层的材料，使用很薄的氮化铝即可得到较好的阻挡能力，从而减小LED外延的厚度。
进一步地，所述衬底的材料为蓝宝石或者硅或者碳化硅。
由上述描述可知，能够根据实际需求选择对应的衬底材料，提高外延制造的灵活性。
请参照图2，一种LED外延，包括图形化衬底、氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层。
所述图形化衬底上方依次为氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层；
所述复合式量子阱层包括电子阻挡层和量子阱层，所述电子阻挡层和所述量子阱层交替排列，所述复合式量子阱层的最底层和最上层均为所述电子阻挡层。
由上述描述可知，在图形化衬底上制备氮化物缓冲层，并在氮化物缓冲层上生成N型氮化镓层；基于N型氮化镓层交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为电子阻挡层的复合式量子阱层；基于复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延；因此通过在量子阱之间添加电子阻挡层，能够改变每一量子阱层的位错方向，从而减少量子阱层的位错密度；并且能够减少N型氮化镓的电子和P型氮化镓的空穴溢流的情况，减少电子和空穴的无效复合，从而提高电子空穴复合效率。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度沿着远离所述N型氮化镓的方向递增，所述量子阱层的厚度固定。
由上述描述可知，电子阻挡层的厚度逐渐增加，使得电子能够保持在复合式量子阱层中，减少电子往P型氮化镓溢流的情况。
进一步地，所述电子阻挡层的厚度范围为1～20nm。
进一步地，所述电子阻挡层的材料为氮化铝，所述量子阱层的材料为氮化铟镓或者氮化镓。
由上述描述可知，使用氮化铝作为电子阻挡层的材料，使用很薄的氮化铝即可得到较好的阻挡能力，从而减小LED外延的厚度。
进一步地，所述衬底的材料为蓝宝石或者硅或者碳化硅。
由上述描述可知，能够根据实际需求选择对应的衬底材料，提高外延制造的灵活性。
本发明的一种LED外延及其制造方法，发明了一种复合式的量子阱层结构，能够降低电子空穴溢流状况，减少电子和空穴的无效复合，提高LED的复合效率，以下通过具体实施方式进行说明：
实施例一
请参照图1和图2，一种LED外延制造方法，包括步骤：
S1、在图形化衬底上制备氮化物缓冲层。
具体的，在图形化衬底上制备氮化物缓冲层，衬底材料包括蓝宝石(Al2O3)或者Si或者SiC等；
基于图形化衬底，用AlN溅射设备镀一层ALN缓冲层。
S2、基于所述氮化物缓冲层生成N型氮化镓层。
具体的，在本实施例中，基于AlN缓冲层，在MOCVD反应腔中，生长N型GaN层，N型GaN层提供的电子向P型GaN层的方向移动。
S3、基于所述N型氮化镓交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为所述电子阻挡层的复合式量子阱层。
其中，电子阻挡层的厚度沿着远离所述N型氮化镓的方向递增，所述量子阱层的厚度固定。
具体的，请参照图2，基于N型GaN层，生长复合式量子阱层，复合式量子阱层为若干依次层叠的InGaN层/GaN层和电子阻挡层n；
电子阻挡层的材料为ALN，ALN材料很薄的厚度就可以达到较好的阻挡能力；电子阻挡层的厚度从底部往上厚度逐渐增加，厚度范围从1nm到20nm。因此，能够使得电子通过电子阻挡层之后较难往反方向溢流，且电子阻挡层的厚度逐渐增加，使得电子能够保持在复合式量子阱层中，减少电子往P型氮化镓溢流的情况。
通过多个厚度递增的电子阻挡层将N型氮化镓提供的电子和P型氮化镓提供的空穴限制在远离N型氮化镓的预设个数的量子阱层中，进一步减少了电子溢流情况，并且在远离N型氮化镓的预设个数的量子阱层中进行电子空穴复合，能够提高复合效率并且提高LED的发光效率。
并且，通过在每个量子阱层之间增加电子阻挡层，能够改变每一量子阱层的位错方向，从而减少量子阱层的位错密度，有利于后续进行电流扩展。
S4、基于所述复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延。
具体的，在复合式量子阱层上生长P型GaN层，P型GaN层提供的空穴向N型GaN层的方向移动；
因此，请参照图3，相较于现有技术中在量子阱后面增加一层电子阻挡层来改善电子溢流情况，本实施例通过提升发光二极管复合效率的外延结构及其制备方法，可以有效提升LED的发光效率，从而提升了外延片的价值。通过此方法制备的外延片，其LED芯片亮度比正常高1％-3％，提高了发光效率，较正常的外延片价格提升5％～10％左右，提升内量子效率。
实施例二
请参照图2，一种LED外延，包括图形化衬底、氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层。
图形化衬底上方依次为氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层；
复合式量子阱层包括电子阻挡层和量子阱层，电子阻挡层和量子阱层交替排列，复合式量子阱层的最底层和最上层均为电子阻挡层；
量子阱层的厚度固定，电子阻挡层的厚度沿着远离所述N型氮化镓的方向递增，电子阻挡层的厚度范围为1～20nm；
电子阻挡层的材料为氮化铝，量子阱层的材料为氮化铟镓或者氮化镓，衬底的材料为蓝宝石或者硅或者碳化硅。
综上所述，本发明提供的一种LED外延及其制造方法，在图形化衬底上制备氮化物缓冲层，并在氮化物缓冲层上生成N型氮化镓层；基于N型氮化镓层交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为电子阻挡层的复合式量子阱层，其中，通过在N型氮化镓上交替生长多个电子阻挡层和量子阱层，能够使得电子通过电子阻挡层之后较难往反方向溢流，且电子阻挡层的厚度逐渐增加，将N型氮化镓提供的电子和P型氮化镓提供的空穴限制在远离N型氮化镓的预设个数的量子阱层中，进一步减少了电子溢流情况，并且在远离N型氮化镓的预设个数的量子阱层中进行电子空穴复合，能够提高复合效率并且提高LED的发光效率；通过在每个量子阱层之间增加电子阻挡层，能够改变每一量子阱层的位错方向，从而减少量子阱层的位错密度；使用氮化铝作为电子阻挡层的材料，使用很薄的氮化铝即可得到较好的阻挡能力，从而减小LED外延的厚度；基于复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延；因此通过在量子阱之间添加电子阻挡层，能够减少N型氮化镓的电子和P型氮化镓的空穴溢流的情况，减少电子和空穴的无效复合，从而提高电子空穴复合效率。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种LED外延制造方法，其特征在于，包括步骤：
在图形化衬底上制备氮化物缓冲层；
基于所述氮化物缓冲层生成N型氮化镓层；
基于所述N型氮化镓交替生成电子阻挡层和量子阱层，得到最底层和最上层均为所述电子阻挡层的复合式量子阱层；
基于所述复合式量子阱层生成P型氮化镓层，得到LED外延。
2.根据权利要求1所述的一种LED外延制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度沿着远离所述N型氮化镓的方向递增，所述量子阱层的厚度固定。
3.根据权利要求1所述的一种LED外延制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度范围为1～20nm。
4.根据权利要求1所述的一种LED外延制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层的材料为氮化铝，所述量子阱层的材料为氮化铟镓或者氮化镓。
5.根据权利要求1所述的一种LED外延制造方法，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石或者硅或者碳化硅。
6.一种LED外延，其特征在于，包括图形化衬底、氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层。
所述图形化衬底上方依次为氮化物缓冲层、N型氮化镓层、复合式量子阱层和P型氮化镓层；
所述复合式量子阱层包括电子阻挡层和量子阱层，所述电子阻挡层和所述量子阱层交替排列，所述复合式量子阱层的最底层和最上层均为所述电子阻挡层。
7.根据权利要求6所述的一种LED外延，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度沿着远离所述N型氮化镓的方向递增，所述量子阱层的厚度固定。
8.根据权利要求6所述的一种LED外延，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度范围为1～20nm。
9.根据权利要求6所述的一种LED外延，其特征在于，所述电子阻挡层的材料为氮化铝，所述量子阱层的材料为氮化铟镓或者氮化镓。
10.根据权利要求6所述的一种LED外延，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石或者硅或者碳化硅。
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