CN114497305B - 一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管，所述外延片包括衬底、还包括依次层叠于所述衬底上的多量子阱层、复合过渡层以及AlGaN电子阻挡层；其中，所述复合过渡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的N型掺杂AlGaN子层、无掺杂AlGaN子层以及P型掺杂AlGaN子层，所述N型掺杂AlGaN子层的掺杂剂为Si，且Si掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，所述N型掺杂AlGaN子层的Si掺杂浓度由靠近所述多量子阱层一端向另一端逐渐降低。本发明解决了现有技术中的外延片发光效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管。
背景技术
过去十年中，AlGaN材料因其在紫外光电器件中的巨大应用潜力而备受关注，紫外LED具有光子能量高、波长短、体积小、功耗低、寿命长、环境友好等特点，在高显色指数白光照明、高密度光学数据储存、传感器、平版印刷、空气净化环保等领域具有广泛的应用。
然而，AlGaN基紫外LED的研制面临的许多的技术困难，如电子本身有效质量较小，具有较高的迁移率，导致电子很多容易通过量子阱而溢出到P层；并且随着Al组分的增加，容易导致外延生长的AlGaN薄膜缺陷密度高、表面不平整等问题，难以获得高晶体质量的AlGaN材料，且高Al组分的AlGaN材料不论是n型掺杂还是p型掺杂，相比GaN材料而言，AlGaN材料都是要困难的多，尤其是p-AlGaN的掺杂尤为棘手，掺杂剂Mg的活化效率低，导致空穴不足，辐射复合效率降低；另外，AlGaN基紫外LED内量子效率相对蓝绿光发光二极管偏低较多，量子阱中存在较强的极化电场，导致量子阱层能带弯曲，使得电子空穴波函数重叠率降低，严重限制紫外发光二极管的性能。因此，如何提高外延片的发光效率变得尤为重要。
现有技术中，LED外延片中一般在多量子阱层与P型掺杂GaN层之间设置AlGaN电子阻挡层，目的是为了阻止电子向P型层溢流，以提升发光效率，然而，AlGaN电子阻挡层虽然能抑制电子向P型层溢流，但是电子阻挡层同样阻挡了空穴的迁移率，导致空穴的迁移率进一步降低，使得量子阱内电子-空穴波函数重叠率下降，而导致发光效率依然低下的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种外延片、外延片制备方法以及发光二极管，旨在解决现有技术中的外延片发光效率低的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一种外延片，包括衬底、还包括依次层叠于所述衬底上的多量子阱层、复合过渡层以及AlGaN电子阻挡层；
其中，所述复合过渡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的N型掺杂AlGaN子层、无掺杂AlGaN子层以及P型掺杂AlGaN子层，所述N型掺杂AlGaN子层的掺杂剂为Si，且Si掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，所述N型掺杂AlGaN子层的Si掺杂浓度由靠近所述多量子阱层一端向另一端逐渐降低。
进一步的，所述P型掺杂AlGaN子层的掺杂剂为Mg，且Mg掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3。
进一步的，所述P型掺杂AlGaN子层的Mg掺杂浓度由靠近所述多量子阱层一端向另一端逐渐升高。
进一步的，所述复合过渡层中Al组分含量与所述AlGaN电子阻挡层中Al组分含量相同。
进一步的，所述复合过渡层的厚度为10nm~13nm，其中，所述N型掺杂AlGaN子层与所述P型掺杂AlGaN子层的厚度均为3nm~4nm，所述无掺杂AlGaN子层的厚度为4nm~5nm。
进一步的，所述外延片还包括AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层；
所述AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、复合过渡层、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层依次层叠于所述衬底上。
本发明的另一个目的在于提供一种外延片制备方法，用于制备上述任一项所述的外延片，所述外延片制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、复合过渡层、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层；
其中，在生长所述复合过渡层时，依次在所述多量子阱层上生长N型掺杂AlGaN子层、生长无掺杂AlGaN子层以及P型掺杂AlGaN子层，所述复合过渡层的生长温度为950℃-1050℃、生长压力为50Torr~100Torr。
本发明的另一个目的在于提供一种发光二极管，包括上述任一项所述的外延片。
与现有技术相比，本发明在多量子阱层与电子阻挡层中插入了一层复合过渡层，通过复合过渡层中的P型掺杂AlGaN子层与电子阻挡层接触，缓解了量子阱层的最后一个量子垒与电子阻挡层间因为自发极化和压电极化所导致的能带以及费米能级严重的向下倾斜的程度，使得空穴的有效势垒高度降低，更容易注入到量子阱，提升了空穴的注入效率，电子的有效势垒高度升高，电子更容易被限制在量子阱中，降低了电子的溢出率，从而提升了量子阱中电子与空穴的辐射复合效率，另外，复合过渡层中的N型AlGaN层中N型掺杂AlGaN子层与量子阱的最后一个量子垒接触，有源层的两侧从N型半导体和P型半导体，变为N型半导体和N型半导体，减小了有源层内形成的内建电场，有助于空穴的注入到量子阱中，提升空穴的注入效率，并且设置的无掺杂AlGaN子层，能有效降低量子Stark 效应，因此，通过提升量子阱中空穴的注入以及电子的限制作用，从而提高电子与空穴的辐射复合几率，提升了外延片的发光效率。
附图说明
图1为本发明第一实施例当中提出的外延片的结构示意图；
图2为本发明第二实施例当中提出的外延片制备方法的流程图。
主要附图标记说明：
衬底10；AlN缓冲层20；未掺杂的AlGaN层30；N型掺杂AlGaN层31；多量子阱层32；复合过渡层33；N型掺杂AlGaN子层330；P型掺杂AlGaN子层331；无掺杂AlGaN子层332；AlGaN电子阻挡层34；P型掺杂AlGaN层35；AlGaN接触层36。
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，所示为本发明第一实施例中提出的外延片，所述外延片包括：
衬底10、依次外延生长于衬底上的AlN缓冲层20、未掺杂的AlGaN层30、N型掺杂AlGaN层31、多量子阱层32、复合过渡层33、AlGaN电子阻挡层34、P型掺杂AlGaN层35、以及AlGaN接触层36。
其中，复合过渡层33包括依次层叠于多量子阱层32上的N型掺杂AlGaN子层330、无掺杂AlGaN子层332以及P型掺杂AlGaN子层331。
可以理解的，通过在多量子阱层32与AlGaN电子阻挡层34中插入了一层复合过渡层33，利用复合过渡层33中的P型掺杂AlGaN子层331与AlGaN电子阻挡层34接触，缓解了多量子阱层32中的最后一个量子垒与AlGaN电子阻挡层34间因为自发极化和压电极化所导致的能带以及费米能级严重的向下倾斜的程度，使得空穴的有效势垒高度降低，更容易注入到量子阱，提升了空穴的注入效率，电子的有效势垒高度升高，电子更容易被限制在量子阱中，降低了电子的溢出率，从而提升了量子阱中电子与空穴的辐射复合效率，另外，复合过渡层33中的N型掺杂AlGaN子层330与多量子阱层32的最后一个量子垒接触，有源层的两侧从N型半导体和P型半导体，变为N型半导体和N型半导体，减小了有源层内形成的内建电场，有助于空穴的注入到量子阱中，提升空穴的注入效率，并且设置的无掺杂AlGaN子层332，能有效降低量子Stark 效应，进而提升了外延片的发光效率。
具体的，N型掺杂AlGaN子层330的掺杂剂为Si，P型掺杂AlGaN子层331的掺杂剂为Mg。
示例而非限定，在本实施例当中，N型掺杂AlGaN子层330的Si掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，例如，1*1017/cm3、1*1018/cm3，P型掺杂AlGaN子层331的Mg掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，例如，1*1017/cm3 、1*1018/cm3，且在具体实施时，P型掺杂AlGaN子层331中的Mg掺浓度低于AlGaN电子阻挡层34中Mg的掺杂浓度，由于掺杂浓度低会导致空穴浓度低，而电流由高浓度到低浓度走向时会横向扩散，将P型掺杂AlGaN子层331中的Mg掺浓度设置低于AlGaN电子阻挡层34中Mg的掺杂浓度，有利于外延片的电流扩展。
另外，在本发明一些较佳的实施例当中，N型掺杂AlGaN子层330的Si掺杂浓度由靠近所述多量子阱层32一端向另一端逐渐降低，P型掺杂AlGaN子层331的Mg掺杂浓度由靠近所述多量子阱层32一端向另一端逐渐升高。且N型掺杂AlGaN层31的掺杂浓度高于N型掺杂AlGaN子层330的掺杂浓度，这样做的目的在于，有源层的两侧从N型半导体和P型半导体，变为高浓度的N型半导体和低浓度的N型半导体，能进一步的减小有源层内形成的内建电场，内建电场的方向与空穴的迁移方向相反，有源层内建电场的减弱，有助于空穴的注入到量子阱中，提升空穴的注入效率。
进一步的，复合过渡层33中Al组分含量与AlGaN电子阻挡层34中Al组分含量相同，且高于多量子阱层32中的Al组分含量，其主要作用是，可以减少电子和空穴提前复合，从而进一步提高发光效率。
在本实施例具体实施时，复合过渡层33的厚度为10nm~13nm，例如，10nm、12nm、13nm，其中，N型掺杂AlGaN子层330与所述P型掺杂AlGaN子层331的厚度均为3nm~4nm，例如3nm、3.5nm、4nm，无掺杂AlGaN子层332的厚度为4nm~5nm，例如4nm、4.5nm、5nm。
分别对不同厚度下的量子垒层及各个子层对应的光输出功率进行测试，得到如下表1所示数据。
表1
根据上表1可以明显看出，在N型掺杂AlGaN子层330与P型掺杂AlGaN子层331的厚度均为3nm~4nm，无掺杂AlGaN子层332的厚度为4nm~5nm时的光输出功率提升较为明显。
实施例二
请参阅图2，为本发明第二实施例中提出的外延片制备方法，所述外延片制备方法用于制备上述实施例一中提出的外延片，所述外延片制备方法包括步骤S10~S11。
步骤S10，提供衬底。
具体的，在本实施例当中，衬底采用蓝宝石衬底。
步骤S11，在所述衬底上依次外延生长AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、复合过渡层、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层。
更具体的，为了清楚的了解本发明的具体实施过程，以下对外延片的具体生长过程进行详细描述，其中为本发明的一种实施方式，但本发明外延片的生长过程不限于此，并不构成对本发明的限定。
在衬底上利用PVD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，生长厚度为15nm至50nm。
缓冲层在MOCVD中氢气气氛下进行原位退火处理。其中，温度在1000℃-1200℃，压力区间为150Torr-500Torr，时间在5分钟至10分钟之间。退火完成后，温度调节至1050℃-1200℃，生长厚度在1.0至3.0微米的未掺杂的AlGaN层。其中，生长压力在50Torr至100Torr之间，Al组分在0.3-0.8之间。
未掺杂的AlGaN层生长结束后，生长一层Si掺杂的N型掺杂AlGaN层，厚度在1.0微米-3.0微米之间，生长温度在1100℃-1200℃，压力在50Torr至100Torr之间，Si掺杂浓度在1019cm-3-1020cm-3之间，Al组分在0.2-0.6之间。
N型掺杂AlGaN层生长结束后生长多量子阱层，多量子阱层由5到12个周期交替生长的AlGaN量子阱层和AlGaN量子垒层组成，其中，AlGaN量子阱层的Al组分为0~0.3之间，量子阱层的生长温度范围在950℃-1050℃间，压力范围在50Torr与100Torr之间，单个周期内量子阱厚度为2nm~4nm。其中，AlGaN量子垒层的Al组分为0.3~0.6之间，量子垒层的生长温度范围在950℃-1100℃间，压力范围在50Torr与100Torr之间，单个周期内量子垒厚度为10nm~20nm。
多量子阱层生长完后生长复合过渡层，首先生长靠近量子垒侧的N型掺杂AlGaN子层，N型掺杂剂为Si，其掺杂浓度为恒定或者由靠近多量子阱层一端向另一端逐渐降低的方式，其掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，生长温度范围在950℃-1050℃间，压力范围在50Torr与100Torr之间，厚度为3nm~4nm，Al组分为0.4~0.7之间。
其次，生长无掺杂AlGaN子层，生长温度范围在950℃-1050℃间，压力范围在50Torr与100Torr之间，无掺杂AlGaN子层厚度为4nm~5nm，Al组分为0.4~0.7之间。
最后，生长靠近电子阻挡层侧的P型掺杂AlGaN子层，P型掺杂剂为Mg，其掺杂浓度为恒定或者靠近多量子阱层一端向另一端逐渐升高的方式，其掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，且低于电子阻挡层中Mg的掺杂浓度，生长温度范围在950℃-1050℃间，压力范围在50Torr与100Torr之间，P型掺杂AlGaN子层厚度为3nm~4nm，Al组分为0.4~0.7之间。
复合过渡层生长完后生长AlGaN电子阻挡层，生长温度在1000℃与1100℃之间，生长压力为50Torr与100Torr间，生长厚度在20nm至100nm间，Al组分在0.4-0.7之间。
电子阻挡层生长完后生长一层P型掺杂AlGaN层，厚度在30nm至200nm之间，生长温度在950℃-1050℃之间，生长压力区间为50Torr-100Torr，Mg掺杂浓度在1019cm-3-1020cm-3之间。
在P型掺杂AlGaN层上生长AlGaN接触层，厚度为10nm至50nm之间，生长温度区间为1000℃-1100℃，生长压力区间为50Torr-100Torr，Al组分在0.0-0.3之间。
该外延结构生长结束后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温外延生长结束。
进一步的，三甲基铝（TMAl）、三甲基镓或三乙基镓（TMGa或TEGa）、NH3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，N2和H2作为载气。
实施例三
本发明第三实施例中提出的发光二极管，包括上述实施例一中的外延片，所述外延片由上述实施例二当中外延片制备方法制备得到。
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 (8)
1.一种外延片，包括衬底，其特征在于，还包括依次层叠于所述衬底上的N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、复合过渡层以及AlGaN电子阻挡层；
其中，所述复合过渡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的N型掺杂AlGaN子层、无掺杂AlGaN子层以及P型掺杂AlGaN子层，所述N型掺杂AlGaN子层的掺杂剂为Si，且Si掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3，所述N型掺杂AlGaN子层的Si掺杂浓度由靠近所述多量子阱层一端向另一端逐渐降低，所述P型掺杂AlGaN子层的掺杂剂为Mg，P型掺杂AlGaN子层中的Mg掺杂浓度低于所述AlGaN电子阻挡层中Mg的掺杂浓度，所述N型掺杂AlGaN层的Si掺杂浓度高于所述N型掺杂AlGaN子层的Si掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述P型掺杂AlGaN子层的Mg掺杂浓度为1*1017/cm3~1*1018/cm3。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述P型掺杂AlGaN子层的Mg掺杂浓度由靠近所述无掺杂AlGaN子层一端向另一端逐渐升高。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述复合过渡层中Al组分含量与所述AlGaN电子阻挡层中Al组分含量相同。
5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述复合过渡层的厚度为10nm~13nm，其中，所述N型掺杂AlGaN子层与所述P型掺杂AlGaN子层的厚度均为3nm~4nm，所述无掺杂AlGaN子层的厚度为4nm~5nm。
6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层；
所述AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、复合过渡层、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层依次层叠于所述衬底上。
7.一种外延片制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至6中任一项所述的外延片，所述外延片制备方法包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、多量子阱层、复合过渡层、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层；
其中，在生长所述复合过渡层时，依次在所述多量子阱层上生长N型掺杂AlGaN子层、生长无掺杂AlGaN子层以及P型掺杂AlGaN子层，所述复合过渡层的生长温度为950℃-1050℃、生长压力为50Torr~100Torr。
8.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的外延片。
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