CN114464709B - 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，该LED外延片包括N型掺杂复合层，所述N型掺杂复合层是由第一N型掺杂GaN层、未故意掺杂的超晶格层以及第二N型掺杂GaN层依次生长而成的结构，其中，所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层中掺杂有Si，所述第一N型掺杂GaN层中掺杂Si的浓度大于所述第二N型掺杂GaN层中掺杂Si的浓度，所述未故意掺杂的超晶格层为InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN层，且x＞0，y≤1。通过本发明可以在提高LED的空穴迁移率的同时，调整电子迁移率，从而达到改善多量子阱内电子‑空穴波函数重叠率，提高发光效率的目的。
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。
目前，大部分的LED外延结构中都包括电子阻挡层，该电子阻挡层通常为AlGaN材料，通过提高Al组分能够很好的抑制电子向P型层溢流，但是电子阻挡层中Al组分的提高同样阻挡了空穴的迁移率，使得量子阱内电子-空穴波函数重叠率下降。在现有技术中，有通过将电子阻挡层设置成AlGaN/InGaN的结构，设置InGaN层虽然能降低价带势垒高度，有利于空穴的注入，但是In掺杂需要在低温条件下生长，而低温的生长环境将会影响外延层晶体质量，另外，将电子阻挡层设置为Al组分渐变的结构，虽能在一定程度上降低价带势垒高度，提高空穴迁移率，但其势垒高度相对GaN、InGaN仍然偏高，对空穴的迁移阻碍较大。
通过上述方法，虽然能一定程度上提高空穴的迁移率，但电子的分布还是集中在靠近P型层的量子阱中，使得LED多量子阱内电子、空穴分布不均匀，导致发光效率不高。
发明内容
基于此，本发明提供了一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片，目的在于提高LED的空穴迁移率的同时，调整电子迁移率，从而改善多量子阱内电子-空穴波函数重叠率，提高发光效率。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片，包括N型掺杂复合层，所述N型掺杂复合层是由第一N型掺杂GaN层、未故意掺杂的超晶格层以及第二N型掺杂GaN层依次生长而成的结构，其中，所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层中掺杂有Si，所述第一N型掺杂GaN层中掺杂Si的浓度大于所述第二N型掺杂GaN层中掺杂Si的浓度，所述未故意掺杂的超晶格层为InxGa1-xN/AlyGa1-yN层，且x＞0，y≤1。
优选地，所述LED外延片包括蓝宝石衬底，AlN缓冲层，未掺杂的GaN层，多量子阱层，P型掺杂GaN层及接触层；
所述AlN缓冲层，所述未掺杂的GaN层，所述N型掺杂复合层，所述多量子阱层，所述P型掺杂GaN层及所述接触层依次外延生长在所述蓝宝石衬底上。
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型掺杂复合层的厚度为1.7μm～3.5μm，所述多量子阱层的厚度为50nm～288nm，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，所述未故意掺杂的超晶格层为InxGa1-xN层与AlyGa1-yN层交替生长的周期性结构，所述多量子阱层为InGaN层和GaN层交替生长的周期性结构，其中，所述InGaN层为阱层，所述GaN层为垒层。
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：
在生长N型掺杂复合层时，控制第一N型掺杂GaN层、未故意掺杂的超晶格层以及第二N型掺杂GaN层依次进行生长；
在生长所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层时掺杂Si，且在生长所述第一N型掺杂GaN层时，Si的通入量大于生长所述第二N型掺杂GaN层时Si的通入量；
在生长所述未故意掺杂的超晶格层时，控制InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层进行周期性的交替生长，且x＞0，y≤1，其中，所述InxGa1-xN层的生长厚度小于所述AlyGa1-yN层的生长厚度。
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，所述N型掺杂复合层，多量子阱层，P型掺杂GaN层及接触层。
优选地，所述第一N型掺杂GaN层中，Si掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，所述第二N型掺杂GaN层中，Si掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3。
优选地，当x，y都等于1时，所述未故意掺杂的超晶格层为InN/AlN超晶格层。
优选地，所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层的生长压力为100Torr～300Torr，生长温度为1100℃～1200℃，所述未故意掺杂的超晶格层的生长温度为900℃～1200℃，生长压力为100Torr～300Torr。
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：由于LED外延层结构中不设置电子阻挡层，有利于P型层中的空穴注入到多量子阱层中，需要说明的是，一般的外延层中，电子的浓度远高于空穴的浓度，那么，大量的电子会越过多量子阱层，与P型层中的空穴复合，其中，在P型层中，电子与空穴的复合是不发光的，即本该在多量子阱层与电子复合的空穴被消耗，而N型掺杂复合层设置为第一N型掺杂GaN层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN层和第二N型掺杂GaN层的复合结构，其中，由于第一N型掺杂GaN层和第二N型掺杂GaN层中掺杂有Si，且掺杂浓度不一样，可以起到电流扩展的作用，即电子横向扩展，使电子的均匀性更好，达到提高发光效率的目的，另外，InxGa1- xN/AlyGa1-yN层的超晶格结构由于具有较高的势垒，能够起到阻挡电子的作用，使得电子不至于向P型层溢流，从而提高了空穴进入多量子阱层的浓度，具体的，可通过调整InxGa1-xN/AlyGa1-yN层的周期数，使电子与空穴迁移率相接近，最终使多量子阱层内的电子、空穴分布更加均匀，电子、空穴波函数重叠率提高，从而提高LED的发光效率。
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N型掺杂复合层的结构示意图；
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，所示为本发明实施例一中的LED外延片的结构示意图，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型掺杂复合层4，多量子阱层5，P型掺杂GaN层6及接触层7。
在本实施例当中，如图2所示，N型掺杂复合层4是由第一N型掺杂GaN层41、未故意掺杂的超晶格层42以及第二N型掺杂GaN层43依次生长而成的结构，其中，第一N型掺杂GaN层41和第二N型掺杂GaN层43中掺杂有Si，未故意掺杂的超晶格层42为InxGa1-xN/AlyGa1-yN层，且x＞0，y≤1。
需要说明的是，未故意掺杂的超晶格层42是由InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层交替生长而成的周期性结构，其中，InxGa1-xN层的厚度小于AlyGa1-yN层的厚度，可以理解的，当x，y都等于1时，未故意掺杂的超晶格层42为InN/AlN超晶格层。
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型掺杂复合层4的厚度为1.7μm～3.5μm，例如为2μm、2.5μm、3μm等；多量子阱层5的厚度为50nm～288nm，例如为100 nm、120 nm、140nm等；P型掺杂GaN层6的厚度为30nm～200nm，例如为40 nm、60 nm、80nm等；接触层7的厚度为10nm～50nm，例如为20 nm、30 nm、40nm等，另外，单个周期内，InxGa1-xN层厚度为3nm～5nm，AlyGa1-yN层厚度为10nm～20nm，而未故意掺杂的超晶格层42厚度为0.2μm～0.5μm。
具体的，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组成，例如为9个，即量子阱层共生长9层，其中，InGaN为阱层，GaN为垒层，单个周期InGaN阱层厚度为2nm～4nm，单个周期GaN垒层厚度为8nm～20nm。
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-步骤S207，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型掺杂复合层，其生长厚度为1.7μm～3.5μm。
在本实施例当中，在未掺杂的GaN层上依次生长第一N型掺杂GaN层、未故意掺杂的超晶格层以及第二N型掺杂GaN层，具体的，在生长第一N型掺杂GaN层时，控制Si掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，生长压力为100Torr～300Torr，生长温度为1100℃～1200℃；在生长未故意掺杂的超晶格层时，控制InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层进行周期性的交替生长，且x＞0，y≤1，其中，所述InxGa1-xN层的生长厚度小于所述AlyGa1-yN层的生长厚度；在生长第二N型掺杂GaN层时，控制Si掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3，生长压力为100Torr～300Torr，生长温度为1100℃～1200℃。
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50nm～288nm。
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S207，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。
综上，本发明实施例当中的LED外延片及其外延生长方法，由于LED外延层结构中不设置电子阻挡层，有利于P型层中的空穴注入到多量子阱层中，需要说明的是，一般的外延层中，电子的浓度远高于空穴的浓度，那么，大量的电子会越过多量子阱层，与P型层中的空穴复合，其中，在P型层中，电子与空穴的复合是不发光的，即本该在多量子阱层与电子复合的空穴被消耗，而N型掺杂复合层设置为第一N型掺杂GaN层、InxGa1-xN/AlyGa1-yN层和第二N型掺杂GaN层的复合结构，其中，由于第一N型掺杂GaN层和第二N型掺杂GaN层中掺杂有Si，且掺杂浓度不一样，可以起到电流扩展的作用，即电子横向扩展，使电子的均匀性更好，达到提高发光效率的目的，另外，InxGa1-xN/AlyGa1-yN层的超晶格结构由于具有较高的势垒，能够起到阻挡电子的作用，使得电子不至于向P型层溢流，从而提高了空穴进入多量子阱层的浓度，具体的，可通过调整InxGa1-xN/AlyGa1-yN层的周期数，使电子与空穴迁移率相接近，最终使多量子阱层内的电子、空穴分布更加均匀，电子、空穴波函数重叠率提高，从而提高LED的发光效率。
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 (9)
1.一种LED外延片，其特征在于，包括蓝宝石衬底以及在所述蓝宝石衬底依次层叠的AlN缓冲层，未掺杂的GaN层，N型掺杂复合层，多量子阱层，P型掺杂GaN层以及接触层，所述N型掺杂复合层是由第一N型掺杂GaN层、未故意掺杂的超晶格层以及第二N型掺杂GaN层依次生长而成的结构，其中，所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层中掺杂有Si，所述第一N型掺杂GaN层中掺杂Si的浓度大于所述第二N型掺杂GaN层中掺杂Si的浓度，所述第一N型掺杂GaN层中，Si掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，所述第二N型掺杂GaN层中，Si掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3，所述未故意掺杂的超晶格层为InxGa1-xN/AlyGa1-yN层，且x＞0，y≤1，所述InxGa1-xN层的生长厚度小于所述AlyGa1-yN层的生长厚度。
2.根据权利要求1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型掺杂复合层的厚度为1.7μm～3.5μm，所述多量子阱层的厚度为50nm～288nm，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。
3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述未故意掺杂的超晶格层为InxGa1-xN层与AlyGa1-yN层交替生长的周期性结构，所述多量子阱层为InGaN层和GaN层交替生长的周期性结构，其中，所述InGaN层为阱层，所述GaN层为垒层。
4.一种LED外延片的外延生长方法，其特征在于，用于制备权利要求1-3任一项所述的LED外延片，所述外延生长方法包括：
在生长N型掺杂复合层时，控制第一N型掺杂GaN层、未故意掺杂的超晶格层以及第二N型掺杂GaN层依次进行生长；
在生长所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层时掺杂Si，且在生长所述第一N型掺杂GaN层时，Si的通入量大于生长所述第二N型掺杂GaN层时Si的通入量；
在生长所述未故意掺杂的超晶格层时，控制InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层进行周期性的交替生长，且x＞0，y≤1，其中，所述InxGa1-xN层的生长厚度小于所述AlyGa1-yN层的生长厚度。
5.根据权利要求4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，所述N型掺杂复合层，多量子阱层，P型掺杂GaN层及接触层。
6.根据权利要求4所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述第一N型掺杂GaN层中，Si掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3，所述第二N型掺杂GaN层中，Si掺杂浓度为1×1016cm-3～1×1018cm-3。
7.根据权利要求4所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，当x，y都等于1时，所述未故意掺杂的超晶格层为InN/AlN超晶格层。
8.根据权利要求4所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述第一N型掺杂GaN层和所述第二N型掺杂GaN层的生长压力为100Torr～300Torr，生长温度为1100℃～1200℃，所述未故意掺杂的超晶格层的生长温度为900℃～1200℃，生长压力为100 Torr～300Torr。
9.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的LED外延片。
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