CN114373841A - 一种led外延片、外延生长方法及led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片，LED外延片包括多量子阱层，多量子阱层是由量子阱层和量子垒层交替生长而成的周期性结构，量子阱层包括第一子层和第二子层，第一子层为InxGa1‑xN/InyGa1‑yN层，第二子层为Si掺杂的n型InyGa1‑yN/InxGa1‑xN层，且x>y，量子垒层为GaN层，其中，第一子层的In组分从第一子层的一端向相对的另一端逐渐减少，第二子层的In组分从第二子层的一端向相对的另一端逐渐增加。通过本发明可以解决当GaN基LED外延片的有源层采用的材料为InGaN/GaN时，晶格失配导致的LED发光效率下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件，由于其体积小、亮度高、能耗低等特点，吸引了越来越多研究者的注意。
其中，GaN材料由于其具有热产生效率低，抗辐射，击穿电压高，电子饱和漂移速度大，和介电常数小的优点，已被广泛应用于高频、高温、高压电子器件领域，发光二极管领域以及半导体激光器领域，成为当前研究的热点。
由于GaN基LED外延片的有源层采用的材料大多为InGaN/GaN，而InGaN和GaN之间存在较大的晶格失配，会导致多量子阱层中存在由自发极化和压电极化引起的内建极化场，其中，内建极化场的存在将产生量子斯塔克效应（QCSE），该效应会导致量子阱中能带发生严重的弯曲，那么，电子和空穴会被拉向量子阱的两侧，从而使得电子和空穴的空间波函数重叠率下降，内量子效率下降。
此外，当测试电流逐渐变大时，其极化效应会增强，导致电子和空穴的波函数重叠区域减少，从而影响到辐射复合效率，最终导致发光效率降低，即产生droop效应(droop效应指的是，当向芯片输入较大电流时，LED的光效反而会降低的现象)。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片，旨在解决现有技术中，GaN基LED外延片的有源层采用的材料为InGaN/GaN时，晶格失配导致的LED发光效率下降的问题。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片，包括多量子阱层，所述多量子阱层是由量子阱层和量子垒层交替生长而成的周期性结构，所述量子阱层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，所述第二子层为Si掺杂的n型InyGa1-yN/InxGa1- xN层，且x>y，所述量子垒层为GaN层；
其中，所述第一子层的In组分从所述第一子层的一端向相对的另一端逐渐减少，所述第二子层的In组分从所述第二子层的一端向相对的另一端逐渐增加。
优选地，所述LED外延片还包括依次层叠在蓝宝石衬底上的AlN缓冲层，未掺杂的GaN层，n型掺杂GaN层，所述多量子阱层，电子阻挡层，p型掺杂GaN层以及接触层。
优选地，所述AlN缓冲层的厚度为15nm～50nm，所述未掺杂的GaN层的厚度为1μm～3μm，所述n型掺杂GaN层的厚度为1μm～3μm，所述多量子阱层的厚度为60nm～312nm，所述电子阻挡层的厚度为20nm～100nm，所述p型掺杂GaN层的厚度为30nm～200nm，所述接触层的厚度为10nm～50nm。
优选地，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度，单个所述第一子层的厚度为3nm～4nm，单个所述第二子层的厚度为1nm～2nm，单个所述量子垒层的厚度为8nm～20nm。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片的外延生长方法，用于制备上述的LED外延片，所述外延生长方法包括：
生长多量子阱层，所述多量子阱层由量子阱层和量子垒层交替生长而成，所述量子阱层由第一子层和第二子层依次外延生长而成，所述第一子层为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，所述第二子层为n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，且x>y；
其中，在生长第一子层时，控制In组分的通入流量逐渐减少；
在生长第二子层时，控制In组分的通入流量逐渐增加，同时，掺杂Si。
优选地，所述外延生长方法还包括：
提供一生长所需的蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上依次外延生长AlN缓冲层，未掺杂的GaN层，n型掺杂GaN层，所述多量子阱层，电子阻挡层，p型掺杂GaN层和接触层。
优选地，所述在生长第一子层时，控制In组分的通入流量逐渐减少的步骤包括：
控制In组分的通入流量由第一流量逐渐减小至第二流量，生长得到第一子层。
优选地，所述在生长第二子层时，控制In组分的通入流量逐渐增加，同时，进行n型掺杂的步骤包括：
控制In组分的通入流量由所述第二流量逐渐增大至所述第一流量，并掺杂Si，生长得到第二子层；
其中，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度，所述Si的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。
优选地，所述多量子阱层的生长压力为100 Torr～300Torr，所述量子阱层的生长温度为800℃～900℃，所述量子垒层的生长温度为900℃～1000℃。
根据本发明实施例当中的一种LED芯片，包括上述的LED外延片。
与现有技术相比：通过第一子层和第二子层的量子阱层结构，由于第一子层为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，第二子层为Si掺杂的n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，且x>y，可以减弱量子阱层中由自发极化和压电极化所引起的内建极化场，改善量子阱层中能带弯曲的情况，增强电子和空穴波函数在空间上的重叠率，提高电子和空穴的辐射复合几率，又在第二子层中掺入Si，有利于量子阱层中In的富集，使得量子阱层中的自发辐射强度增加、有效能带宽度增大，从而可以降低droop效应，达到提高LED发光效率的目的。
附图说明
图1为本发明实施例一当中的LED外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例一中的多量子阱层的结构示意图；
图3为本发明实施例二当中的LED外延片的外延生长方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1和图2，图1为本发明实施例一中的LED外延片的结构示意图，图2为本发明实施例一中的多量子阱层的结构示意图，其中，LED外延片包括蓝宝石衬底1、以及在蓝宝石衬底1上依次外延生长的AlN缓冲层2，未掺杂的GaN层3，n型掺杂GaN层4，多量子阱层5，电子阻挡层6，p型掺杂GaN层7和接触层8。
在本实施例当中，多量子阱层5是由量子阱层和量子垒层53交替生长而成的周期性结构，量子阱层包括第一子层51和第二子层52，其中，第一子层51为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，第二子层52为Si掺杂的n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，且x>y，量子垒层53为GaN层，具体的，第一子层51的In组分从第一子层51的一端向相对的另一端逐渐减少，第二子层52的In组分从第二子层52的一端向相对的另一端逐渐增加。由于量子阱层等外延层的生长过程一般都是从衬底一侧向相对的另一侧逐渐生长，因此可以控制量子阱层生成过程当中的In组分的通入量在生长第一子层51逐渐减少，在生长第二子层52逐渐增加，继而制备得到In组分从一端向相对的另一端先逐渐减少再逐渐增加的量子阱层，即这种量子阱层的In组分呈现中间低两边高的状态。
示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，AlN缓冲层2的厚度为15nm～50nm，例如为20nm、30 nm、40 nm等；未掺杂的GaN层3的厚度为1μm～3μm，例如为1.5μm、2μm、2.5μm等；n型掺杂GaN层4的厚度为1μm～3μm，例如为1.5μm、2μm、2.5μm等；多量子阱层5的厚度为60nm～312nm，例如为86.4 nm、120 nm、156nm等；电子阻挡层6的厚度为20nm～100nm，例如为40 nm、60 nm、80nm等；p型掺杂GaN层7的厚度为30nm～200nm，例如为40 nm、60 nm、80nm等；接触层8的厚度为10nm～50nm，例如为20 nm、30 nm、40nm等。
需要说明的是，多量子阱层5由5到12个周期交替生长的量子阱层和量子垒层53组成，例如为9个，即量子阱层共生长9层，其中，第一子层51的厚度大于第二子层52的厚度，在厚度较薄的第二子层52中掺杂Si，可以保证量子阱的晶体质量，具体的，单个第一子层51的厚度为3nm～4nm，例如为3.2nm、3.5nm、3.8nm等；单个第二子层52的厚度为1nm～2nm，例如为1.2nm、1.5 nm、1.8nm等；单个量子垒层的厚度为8nm～20nm，例如为10nm、12nm、14nm。
实施例二
请参阅图3，所示为本发明实施例二提出的一种LED外延片的外延生长方法，用于制备上述实施例一当中的LED外延片，所述方法具体包括步骤S201至步骤S208，其中：
步骤S201，提供一生长所需的蓝宝石衬底。
步骤S202，生长AlN缓冲层，其生长厚度为15nm～50nm。
在本实施例当中，利用PVD（物理气相沉积）设备，在蓝宝石衬底上生长AlN缓冲层，其中，生长温度为400℃～650℃，溅射功率为2000W～4000W，压力为1Torr～10Torr。
步骤S203，生长未掺杂的GaN层，其生长厚度为1μm～3μm。
需要说明的是，在生长未掺杂的GaN层前需要将生长的AlN缓冲层在具有氢气气氛的MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备中进行原位退火处理，退火温度为1000℃～1200℃，压力为150Torr～500Torr，退火时间为5min～10min。
具体的，退火完成后，将温度调节至1050℃～1200℃，在压力为100Torr～500Torr的条件下生长未掺杂的GaN层。
步骤S204，生长n型掺杂GaN层，其生长厚度为1μm～3μm。
在本实施例当中，生长n型掺杂GaN层的生长温度为1100℃～1200℃，生长压力为100Torr～300Torr，其中，n型掺杂GaN层掺杂有Si，Si掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
需要说明的是，三甲基铝（TMAl）、三甲基镓或三乙基镓（TMGa或TEGa）和氨气分别作为Ⅲ族源和Ⅴ族源的前驱体，硅烷和二茂镁分别作为n型掺杂剂和p型掺杂剂的前驱体，氮气和氢气作为载气。
步骤S205，交替生长量子阱层和量子垒层，以生长得到多量子阱层，其生长厚度为60nm～312nm。
其中，多量子阱层的生长压力为100Torr～300Torr，量子阱层的生长温度为800℃～900℃，量子垒层的生长温度为900℃～1000℃。
步骤S206，生长电子阻挡层，该电子阻挡层厚度为20nm～100nm。
具体的，生长AlGaN电子阻挡层的温度为1000℃～1100℃，生长压力为50Torr～100Torr，Al组分为0.1～0.5。
步骤S207，生长p型掺杂GaN层，其厚度为30nm～200nm。
需要说明的是，生长温度为950℃～1050℃，生长压力为100Torr～600Torr，其中，p型掺杂GaN层中掺杂有Mg，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
步骤S208，生长接触层，其厚度为10nm～50nm。
具体的，在p型掺杂GaN层上生长GaN接触层，生长温度为1000℃～1100℃，生长压力为100Torr～300Torr，GaN接触层生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中进行退火处理，退火温度为650℃～850℃，退火时间为5min～15min，直至达到室温。
此外，所述外延生长方法还包括：
在生长量子阱层时，控制In组分的通入流量先逐渐减少再逐渐增加，以生长得到In组分从量子阱层的一端向相对的另一端先逐渐减少再逐渐增加的量子阱层。
更具体地，在生长量子阱层时，控制In组分的通入流量先逐渐减少再逐渐增加的具体步骤包括：
在生长量子阱层时，控制In组分的通入流量由第一流量逐渐减小至第二流量，生长得到第一子层，再控制In组分的通入流量由第二流量逐渐增大至第一流量，并掺杂Si，生长得到第二子层，其中，Si的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3；
由于在第二子层中掺杂Si，掺杂较多会影响量子阱层的晶体质量，所以第一子层的厚度大于第二子层的厚度，即在厚度较薄的第二子层中掺杂Si，可以保证量子阱的晶体质量，可以理解的，量子阱层由第一子层和第二子层组成。
多量子阱层的具体生长过程可以为：先生长3.5nm的InxGa1-xN/InyGa1-yN复合层，即第一子层，生长过程中控制In组分的通入流量由第一流量逐渐减小至第二流量，再生长1.5nm的Si掺杂的n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，即第二子层，生长过程中控制In组分的通入流量由第二流量逐渐增大至第一流量，并掺杂Si，在第一子层和第二子层生长结束后，再生长一层10nm的量子垒层，该量子垒层为GaN层，可以理解的，生长一层第一子层、一层第二子层以及一层量子垒层为多量子阱层生长的一个周期。
综上，本发明实施例当中的LED外延片及其外延生长方法，通过第一子层和第二子层的量子阱层结构，由于第一子层为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，第二子层为Si掺杂的n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，且x>y，可以减弱量子阱层中由自发极化和压电极化所引起的内建极化场，改善量子阱层中能带弯曲的情况，增强电子和空穴波函数在空间上的重叠率，提高电子和空穴的辐射复合几率，又在第二子层中掺入Si，有利于量子阱层中In的富集，使得量子阱层中的自发辐射强度增加、有效能带宽度增大，从而可以降低droop效应，达到提高LED发光效率的目的。
实施例三
本发明实施例三提供一种LED芯片，包括上述实施例一当中的LED外延片，所述LED外延片可由上述实施例二当中的LED外延片的外延生长方法外延生长得到。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种LED外延片，其特征在于，包括多量子阱层，所述多量子阱层是由量子阱层和量子垒层交替生长而成的周期性结构，所述量子阱层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，所述第二子层为Si掺杂的n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，且x>y，所述量子垒层为GaN层；
其中，所述第一子层的In组分从所述第一子层的一端向相对的另一端逐渐减少，所述第二子层的In组分从所述第二子层的一端向相对的另一端逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述LED外延片还包括依次层叠在蓝宝石衬底上的AlN缓冲层，未掺杂的GaN层，n型掺杂GaN层，所述多量子阱层，电子阻挡层，p型掺杂GaN层以及接触层。
3.根据权利要求2所述的LED外延片，其特征在于，所述AlN缓冲层的厚度为15nm～50nm，所述未掺杂的GaN层的厚度为1μm～3μm，所述n型掺杂GaN层的厚度为1μm～3μm，所述多量子阱层的厚度为60nm～312nm，所述电子阻挡层的厚度为20nm～100nm，所述p型掺杂GaN层的厚度为30nm～200nm，所述接触层的厚度为10nm～50nm。
4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度，单个所述第一子层的厚度为3nm～4nm，单个所述第二子层的厚度为1nm～2nm，单个所述量子垒层的厚度为8nm～20nm。
5.一种LED外延片的外延生长方法，其特征在于，用于制备权利要求1-4任一项所述的LED外延片，所述外延生长方法包括：
生长多量子阱层，所述多量子阱层由量子阱层和量子垒层交替生长而成，所述量子阱层由第一子层和第二子层依次外延生长而成，所述第一子层为InxGa1-xN/InyGa1-yN层，所述第二子层为n型InyGa1-yN/InxGa1-xN层，且x>y；
其中，在生长第一子层时，控制In组分的通入流量逐渐减少；
在生长第二子层时，控制In组分的通入流量逐渐增加，同时，掺杂Si。
6.根据权利要求5所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述外延生长方法还包括：
提供一生长所需的蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上依次外延生长AlN缓冲层，未掺杂的GaN层，n型掺杂GaN层，所述多量子阱层，电子阻挡层，p型掺杂GaN层和接触层。
7.根据权利要求5所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述在生长第一子层时，控制In组分的通入流量逐渐减少的步骤包括：
控制In组分的通入流量由第一流量逐渐减小至第二流量，生长得到第一子层。
8.根据权利要求7所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述在生长第二子层时，控制In组分的通入流量逐渐增加，同时，进行n型掺杂的步骤包括：
控制In组分的通入流量由所述第二流量逐渐增大至所述第一流量，并掺杂Si，生长得到第二子层；
其中，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度，所述Si的掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。
9.根据权利要求5所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述多量子阱层的生长压力为100Torr～300Torr，所述量子阱层的生长温度为800℃～900℃，所述量子垒层的生长温度为900℃～1000℃。
10.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的LED外延片。
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