CN114709309A - 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，所述外延片包括多量子阱层，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层均为AlGaN层；其中，所述量子垒层通过Al组分含量的变化形成双三角形势垒结构。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，AlGaN基紫外LED内量子效率相对蓝绿光发光二极管偏低较多，由于P型掺杂AlGaN的激活能高，空穴浓度不高，且电子迁移速率较快，容易通过多量子阱层而溢出到P层，最终导致电子空穴辐射复合效率偏低。另外，量子阱层中存在较强自发极化和压电极化引起的内建极化场，内建极化场的存在产生了量子斯塔克效应(QCSE)，尤其在量子阱中能带发生严重的弯曲，电子和空穴的空间波函数重叠率下降，而导致发光效率低下的问题。
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，包括多量子阱层，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层均为AlGaN层；
其中，所述量子垒层通过Al组分含量的变化形成双三角形势垒结构。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述量子垒层包括依次层叠设置的第一量子垒子层、量子垒复合子层以及第二量子垒子层，所述量子垒复合子层的Al组分含量由一端向相对的另一端依次经过递增、递减、递增以及递减以形成所述双三角形势垒结构。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述量子垒层为N型掺杂层，掺杂剂为Si，掺杂浓度为7*1018/cm3～8*1018/cm3。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述量子垒复合子层的Al组分含量为0.5～0.7，所述第一量子垒子层与所述第二量子垒子层的Al组分含量均恒定为0.4～0.5。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述量子垒层的厚度为10～20nm，其中，所述第一量子垒子层和所述第二量子垒子层的厚度均为1～2nm，所述量子垒复合子层的厚度为8～16nm。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述外延片还包括衬底、AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、AlGaN电子阻挡层、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、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。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述AlGaN电子阻挡层与所述P型掺杂AlGaN层之间还设有P型掺杂的AlN/MgN超晶格层，所述AlN/MgN超晶格层包括周期性层叠的AlN子层和MgN子层。
进一步的，根据上述的外延片，其中，所述AlN子层的掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1*1017cm-3～1*1019cm-3。
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、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂的AlN/MgN超晶格层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层。
其中，在生长量子垒层时，控制Al组分通入流量恒定，生长得到第一量子垒子层、再控制Al组分通入流量依次经过递增、递减、递增以及递减，生长得到量子垒复合子层，最后控制Al组分通入流量恒定，生长得到第二量子垒子层。
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，本发明通过将多量子阱层设置成量子垒层和量子阱层交替分布，并根据Al组分含量的变化将量子垒层结构设计为具有双三角形势垒的结构，其中，Al梯度变化可以降低因高掺Al突变导致的晶格失配，梯度Al交界处极化匹配能够使导带的有效势垒高度增高，价带的有效势垒高度降低，从而更好的阻挡电子溢流，提高空穴的注入，根据费米狄拉克分布，随着载流子的注入的增加，载流子更倾向占据高价量子态的能带填充效应，而产生高阶能带的子带，提高电子-空穴波函数的重叠率，从而增强电子-空穴的辐射复合几率，进而提高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为图1中多量子阱层的结构示意图；
图3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。
主要原件符号说明：
衬底10、AlN缓冲层20、未掺杂的AlGaN层30、N型掺杂AlGaN层40、多量子阱层50、量子阱层51、量子垒层52、第一量子垒子层520、量子垒复合子层521、第二量子垒层522、AlGaN电子阻挡层60、P型掺杂的AlN/MgN超晶格层70、P型掺杂AlGaN层80以及AlGaN接触层90。
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。
此外，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。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的一者”连接的项目的列表可意味着所列项目中的任一者。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的一者”意味着仅A或仅B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的一者”意味着仅A；仅B；或仅C。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。在具体实施方式及权利要求书中，由术语“中的至少一者”、“中的至少一种”或其他相似术语所连接的项目的列表可意味着所列项目的任何组合。例如，如果列出项目A及B，那么短语“A及B中的至少一者”或“A或B中的至少一者”意味着仅A；仅B；或A及B。在另一实例中，如果列出项目A、B及C，那么短语“A、B及C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”意味着仅A；或仅B；仅C；A及B(排除C)；A及C(排除B)；B及C(排除A)；或A、B及C的全部。项目A可包含单个元件或多个元件。项目B可包含单个元件或多个元件。项目C可包含单个元件或多个元件。
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10上的AlN缓冲层20、未掺杂的AlGaN层30、N型掺杂AlGaN层40、多量子阱层(MQW)50、AlGaN电子阻挡层(EBL)60、P型掺杂的AlN/MgN超晶格层70、P型掺杂AlGaN层80以及AlGaN接触层90。
其中，多量子阱层50包括周期性交替层叠的量子阱层51和量子垒层52，量子阱层51和量子垒层52均为AlGaN层，进一步的，量子垒层52通过Al组分含量的变化形成双三角形势垒结构。
可以理解的，通过将多量子阱层50设置成量子垒层52和量子阱层51交替分布，并根据Al组分含量的变化将量子垒层52结构设计为具有双三角形势垒的结构，其中，Al梯度变化可以降低因高掺Al突变导致的晶格失配，梯度Al交界处极化匹配能够使导带的有效势垒高度增高，价带的有效势垒高度降低，从而更好的阻挡电子溢流，提高空穴的注入，根据费米狄拉克分布，随着载流子的注入的增加，载流子更倾向占据高价量子态的能带填充效应，而产生高阶能带的子带，提高电子-空穴波函数的重叠率，从而增强电子-空穴的辐射复合几率，进而提高外延片的发光效率。
示例而非限定，为了实现上述的三角形势垒结构，在本实施例当中，如图2所示，量子垒层52包括依次层叠设置的第一量子垒子层520、量子垒复合子层521以及第二量子垒子层522，量子垒复合子层521的Al组分含量由一端向相对的另一端依次经过递增、递减、递增以及递减以形成双三角形势垒结构。
具体的，量子垒复合子层521的Al组分含量为0.5～0.7，例如，0.5、0.6、0.7等；第一量子垒子层520与第二量子垒子层522的Al组分含量均恒定为0.4～0.5，例如，0.4、0.45、0.5等，在进行生长时，先生长Al组分含量恒定的第一量子垒子层520、后根据Al组分含量依次经过逐渐增加、逐渐减小、逐渐增加以及逐渐减小生长量子垒复合子层521，最后生长Al组分含量恒定的第二量子垒子层522。
更具体的，在本实施例具体实施时，量子垒层52的厚度为10～20nm，其中，第一量子垒子层520和第二量子垒子层522的厚度均为1～2nm，量子垒复合子层521的厚度为8～16nm。
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，在第一量子垒子层520和第二量子垒子层522的厚度均为1～2nm，量子垒复合子层521的厚度为8～16nm时的光输出功率提升较为明显。
进一步的，在AlGaN电子阻挡层60与P型掺杂AlGaN层80之间还设有P型掺杂的AlN/MgN超晶格层70，其中，AlN/MgN超晶格层70包括周期性层叠的AlN子层(图未示)和MgN子层(图未示)，通过在多量子阱层50后面插入一层P型掺杂的AlN层与MgN层交替生长的超晶格层，能够提高进行辐射复合的空穴数量，进而提高紫外发光二极管的内量子效率，进一步的提升外延片的发光效率。
具体的，P型掺杂的AlN/MgN超晶格层70中AlN子层的掺杂剂为Mg，且掺杂浓度为1*1017cm-3～1*1019cm-3。
实施例二
请参阅图3，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S20～S21。
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、P型掺杂的AlN/MgN超晶格层、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，以下对本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2000～4000W，压力为1～10torr，生长厚度为15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1.0-3.0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2～4nm。其中，单个周期内的AlGaN量子垒层为依次层叠设置的第一量子垒子层、量子垒复合子层以及第二量子垒子层，具体的，生长温度范围在950℃-1100℃间，压力范围在50Torr与100Torr之间。
更具体的，在生长量子垒层时，控制Al组分通入流量恒定，生长得到第一量子垒子层、再控制Al组分通入流量依次经过递增、递减、递增以及递减，生长得到量子垒复合子层，最后控制Al组分通入流量恒定，生长得到第二量子垒子层。
多量子阱层生长完后生长5～10个周期交替的P型掺杂的AlN/MgN超晶格层，单个周期内AlN子层的厚度为1nm，MgN子层的厚度为1nm，生长温度在900℃与1000℃之间，生长压力为50Torr与100Torr间，生长厚度在20nm至100nm间，Al组分在0.1-0.5之间，AlN子层的Mg掺杂浓度在1017cm-3-1019cm-3之间。
P型掺杂的AlN/MgN超晶格层生长完后长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0.1-0.5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 (10)
1.一种外延片，包括多量子阱层，其特征在于，所述多量子阱层包括周期性交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层均为AlGaN层；
其中，所述量子垒层通过Al组分含量的变化形成双三角形势垒结构。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述量子垒层包括依次层叠设置的第一量子垒子层、量子垒复合子层以及第二量子垒子层，所述量子垒复合子层的Al组分含量由一端向相对的另一端依次经过递增、递减、递增以及递减以形成所述双三角形势垒结构。
3.根据权利要求1或2所述的外延片，其特征在于，所述量子垒层为N型掺杂层，掺杂剂为Si，掺杂浓度为7*1018/cm 3～8*1018/cm3。
4.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述量子垒复合子层的Al组分含量为0.5～0.7，所述第一量子垒子层与所述第二量子垒子层的Al组分含量均恒定为0.4～0.5。
5.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述量子垒层的厚度为10～20nm，其中，所述第一量子垒子层和所述第二量子垒子层的厚度均为1～2nm，所述量子垒复合子层的厚度为8～16nm。
6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括衬底、AlN缓冲层、未掺杂的AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、AlGaN电子阻挡层、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、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.根据权利要求6所述的外延片，其特征在于，所述AlGaN电子阻挡层与所述P型掺杂AlGaN层之间还设有P型掺杂的AlN/MgN超晶格层，所述AlN/MgN超晶格层包括周期性层叠的AlN子层和MgN子层。
8.根据权利要求7所述的外延片，其特征在于，所述AlN子层的掺杂剂为Mg，掺杂浓度为1*1017cm-3～1*1019cm-3。
9.一种外延片制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至8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、AlGaN电子阻挡层、P型掺杂的AlN/MgN超晶格层、P型掺杂AlGaN层以及AlGaN接触层；
其中，在生长量子垒层时，控制Al组分通入流量恒定，生长得到第一量子垒子层、再控制Al组分通入流量依次经过递增、递减、递增以及递减，生长得到量子垒复合子层，最后控制Al组分通入流量恒定，生长得到第二量子垒子层。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的外延片。
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