CN115101638A - 一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents
一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管,涉及半导体光电器件领域。其中,发光二极管外延片包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、U‑GaN层、N‑GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P‑GaN层;所述N‑GaN层与所述多量子阱层之间设有电子调制层;所述电子调制层包括依次设于所述N‑GaN层上的第一超晶格层、N‑AlaGa1‑aN层和InbGa1‑bN层,所述第一超晶格层包括第一预设周期个交替层叠的SicN1‑c层和第一GaN层;其中,a为0.1‑0.2,b为0.1‑0.2,c为0.1‑0.3。实施本发明,可有效提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域,尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
发光二极管中,由P型层提供空穴,N型层提供电子,当发光二极管两端外加电场时,N型层中的电子向P型层方向迁移,P型层中的空穴向N型层方向迁移,两者在多量子阱层中汇合,从而实现发光。但由于空穴迁移率低,电子移动速度过快,导致电子空穴的复合几率较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种发光二极管外延片及其制备方法,其可有效降低电子的迁移速度,提升电子空穴的复合几率,进而提升发光二极管的光效。
本发明还要解决的技术问题在于,提供一种发光二极管,其光效高。
为了解决上述问题,本发明公开了一种发光二极管外延片,包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层;所述N-GaN层与所述多量子阱层之间设有电子调制层;所述电子调制层包括依次设于所述N-GaN层上的第一超晶格层、N-AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,所述第一超晶格层包括第一预设周期个交替层叠的SicN1-c层和第一GaN层;其中,a为0.1-0.2,b为0.1-0.2,c为0.1-0.3。
作为上述技术方案的改进,所述第一超晶格层中,单个SicN1-c层的厚度为1-3nm,单个第一GaN层的厚度为3-5nm,所述第一超晶格层的第一预设周期为10-20。
作为上述技术方案的改进,所述N-AlaGa1-aN层的厚度为20-50nm,所述InbGa1-bN层的厚度为10-20nm。
作为上述技术方案的改进,所述N-AlaGa1-aN层中Si的掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3,所述N-GaN层中Si的掺杂浓度为5×1018-1×1019cm-3。
作为上述技术方案的改进,所述电子阻挡层与所述P-GaN层之间设有空穴调制层,所述空穴调制层包括依次设于所述电子阻挡层上的第二超晶格层、P-AlxGa1-xN层和InyGa1- yN层,所述第二超晶格层包括第二预设周期个交替层叠的MgzN1-z层和第二GaN层;其中,x为0.1-0.2,y为0.1-0.2,z为0.1-0.3。
作为上述技术方案的改进,所述InyGa1-yN层呈氮极性。
作为上述技术方案的改进,所述第二超晶格层中,单个MgzN1-z层的厚度为1-3nm,单个第二GaN层的厚度为3-5nm,所述第二超晶格层中的第二预设周期为10-20。
作为上述技术方案的改进,所述P-AlxGa1-xN层的厚度为5-10nm,所述InyGa1-yN层的厚度为5-10nm。
作为上述技术方案的改进,所述P-AlxGa1-xN层中Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3,所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度为5×1019-1×1020cm-3。
相应的,本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法,用于制备上述的发光二极管外延片,其包括:
(1)提供衬底;
(2)在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、电子调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层;
所述电子调制层包括依次设于所述N-GaN层上的第一超晶格层、N-AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,所述第一超晶格层包括第一预设周期个交替层叠的SicN1-c层和第一GaN层;其中,a为0.1-0.2,b为0.1-0.2,c为0.1-0.3。
作为上述技术方案的改进,所述第一超晶格层生长时石墨基座的转动速度大于所述N-AlaGa1-aN层生长时石墨基座的转动速度,所述第一超晶格层的生长温度大于所述N-AlaGa1-aN层的生长温度;
所述N-AlaGa1-aN层生长时石墨基座的转动速度大于所述InbGa1-bN层生长时石墨基座的转动速度,所述N-AlaGa1-aN层的生长温度大于所述InbGa1-bN层的生长温度。
作为上述技术方案的改进,所述第一超晶格层的生长温度为1100-1200℃,生长时石墨基座的转速为900-1200rpm;
所述N-AlaGa1-aN层的生长温度为900-1000℃,生长时石墨基座的转速为700-900rpm;
所述InbGa1-bN层的生长温度为700-900℃,生长时石墨基座的转速为500-700rpm。
作为上述技术方案的改进,步骤(2)中,依次在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、电子调制层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴调制层和P-GaN层;
其中,所述空穴调制层依次包括设于所述电子阻挡层上的第二超晶格层、P-AlxGa1-xN层和InyGa1-yN层,所述第二超晶格层包括第二预设周期个交替层叠的MgzN1-z层和第二GaN层;其中,x为0.1-0.2,y为0.1-0.2,z为0.1-0.3。
作为上述技术方案的改进,所述第二超晶格层的生长温度小于所述P-AlxGa1-xN层的生长温度;
所述P-AlxGa1-xN层生长时石墨基座的转动速度大于所述InyGa1-yN层生长时石墨基座的转动速度,所述P-AlxGa1-xN层的生长温度大于所述InyGa1-yN层的生长温度。
作为上述技术方案的改进,所述第二超晶格层的生长温度为800-900℃,生长时石墨基座的转速为700-1000rpm;
所述P-AlxGa1-xN层的生长温度为900-1000℃,生长时石墨基座的转速为700-1000rpm;
所述InyGa1-yN层的生长温度为600-800℃,生长时石墨基座的转速为500-700rpm。
作为上述技术方案的改进,所述InyGa1-yN层生长完成后,采用NH3对其进行处理,以使其呈氮极性。
相应的,本发明还公开了一种发光二极管,包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明,具有如下有益效果:
1. 本发明的发光二极管外延片,在N-GaN层与多量子阱层之间设置了电子调制层,其依次包括多个SicN1-c层和多个第一GaN层交替层叠形成的第一超晶格层、N-AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层。其中,SicN1-c/GaN形成了极化电场、导带偏移,该极化电场方向与电子迁移方向相同,降低了电子的迁移速率。N-AlaGa1-aN层中的Al由于原子较小,可以起到填补Ga空位,阻挡底层缺陷的作用。InbGa1-bN层的能阶较低,可以形成电子“陷阱”,进一步降低电子的迁移速率,增加电子空穴在多量子阱层的复合几率。三者复合,有效降低了电子的迁移速率,增加了电子的扩展能力,提升了电子空穴的复合几率,提升了发光效率。
2. 本发明的发光二极管外延片,在电子阻挡层与P-GaN层之间设置了空穴调制层,其包括多个MgzN1-z层和多个第二GaN层形成的第二超晶格层、P-AlxGa1-xN层和InyGa1-yN层,且InyGa1-yN层呈氮极性。其中,InyGa1-yN层与P-GaN层接触,由于InyGa1-yN层呈氮极性,一者,使得其与高掺Mg的P-GaN层结合更加紧密;二者氮极性不稳定,可以增加Mg和In的扩散,In原子可以降低Mg的激活能,得到更多空穴,增加空穴浓度。P-AlxGa1-xN层可起到空穴扩展的作用;此外,P-AlxGa1-xN层中的Al原子可以填补Ga空位,增加表面平整度。MgzN1-z层可以提供部分空穴。且MgzN1-z/GaN材料组成的超晶格结构会产生强的极化电场,形成二维空穴气。二维空穴气有很高的空穴迁移率,从而可以提高P-GaN层中的空穴迁移率;并且极化电场使得价带发生倾斜,使得更多的受主能级处在费米能级的下方,也有利于增加空穴浓度。通过空穴调制层中的三者复合,可以有效增加空穴浓度,增加空穴的扩展的迁移率,使得更多的空穴进入到多量子阱层,增加发光效率。
附图说明
图1是本发明一实施例中发光二极管外延片的结构示意图;
图2是本发明一实施例中电子调制层的结构示意图;
图3是本发明另一实施例中发光二极管外延片的结构示意图;
图4是本发明一实施例中空穴调制层的结构示意图;
图5是本发明一实施例中发光二极管外延片的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面对本发明作进一步地详细描述。
参考图1和图2,本发明公开了一种发光二极管外延片,包括衬底1和依次设于所述衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、电子调制层5、多量子阱层6、电子阻挡层7和P-GaN层8。
其中,电子调制层5包括依次设于N-GaN层4上的第一超晶格层51、N-AlaGa1-aN层52和InbGa1-bN层53,第一超晶格层包括第一预设周期个交替层叠的SicN1-c层511和第一GaN层512;其中,a为0.1-0.2,b为0.1-0.2,c为0.1-0.3。
其中,在第一超晶格层51中,SicN1-c/GaN形成了极化电场、导带偏移,该极化电场方向与电子迁移方向相同,降低了电子的迁移速率。具体的,在第一超晶格层51中,单个SicN1-c层511的厚度为1-3nm,当其厚度<1nm时,其形成电场较弱,难以有效降低电子迁移速率;当其厚度>3nm时,容易产生裂纹。示例性的,单个SicN1-c层511厚度为1.2nm、1.5nm、1.8nm、2.1nm、2.4nm或2.7nm,但不限于此。单个第一GaN层512的厚度为3-5nm,当其厚度<3nm时,晶体质量较差,难以有效形成极化电场,当其厚度>5nm时,虽然晶体质量高,但成本高。示例性的,单个第一GaN层512的厚度为3.1nm、3.5nm、3.9nm、4.3nm、4.5nm或4.8nm,但不限于此。具体的,第一超晶格层51的第一预设周期为10-20。当其周期<10时,其形成的极化电场弱,难以有效降低电子迁移速率;当其周期>20时,电子阻碍作用过强,反而不利于提升光效。
其中,N-AlaGa1-aN层52中的Al原子较小,可起到填补Ga空位的作用,从而阻挡底层缺陷。具体的,N-AlaGa1-aN层52中的掺杂元素为Si,但不限于此。N-AlaGa1-aN层52中Si的掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3,其低于N-GaN层4中Si的掺杂浓度(5×1018-1×1019cm-3)。低掺杂浓度的N-AlaGa1-aN层52具有较强的电子扩展能力。示例性的,N-AlaGa1-aN层52中Si的掺杂浓度为1.1×1016 cm-3、1.3×1016 cm-3、1.5×1016 cm-3、1.8×1016 cm-3或1.95×1016 cm-3,但不限于此。优选的,N-AlaGa1-aN层52中Si的掺杂浓度为1.3×1016-1.8×1016cm-3,该掺杂浓度的N-AlaGa1-aN层52的电子扩展能力、阻挡缺陷能力均较强。
具体的,N-AlaGa1-aN层52的厚度为20-50nm,当其厚度<20nm时,N-AlaGa1-aN层52中晶体质量差,难以有效阻挡缺陷,且对电子的扩展能力较差;当其厚度>50nm时,N-AlaGa1- aN层52的厚度过高,对电子阻碍能力过强,反而降低光效。示例性的,N-AlaGa1-aN层52的厚度为25nm、30nm、35nm、40nm或45nm,但不限于此。
其中,InbGa1-bN层53靠近多量子阱层设置,其能阶较低,可形成电子陷阱,进一步降低电子的迁移速率。具体的,InbGa1-bN层53的厚度为10-20nm,当其厚度<10nm时,难以有效降低电子的迁移速率;当其厚度>10nm时,降低了晶格质量。示例性的,InbGa1-bN层53的厚度为12nm、14nm、16nm、18nm或19nm,但不限于此。
进一步的,在本发明中,控制电子调制层的总厚度为80-140nm,示例性的为85nm、95nm、108nm、112nm、125nm、132nm、134nm或138nm,但不限于此。
其中,衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底,但不限于此。
其中,缓冲层2可为AlN层和/或AlGaN层,但不限于此;优选的,缓冲层2为AlGaN层,其可提升电子调制层5的晶体质量。缓冲层2的厚度为20-80nm,示例性的为25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、60nm、70nm或75nm,但不限于此。
其中,U-GaN层3的厚度500-800nm,示例性的为520nm、560nm、600nm、650nm、700nm、720nm或780nm,但不限于此。
其中,N-GaN层4的掺杂元素为Si,但不限于此。N-GaN层4的掺杂浓度为5×1018-1×1019cm-3,厚度为1-3μm。
其中,多量子阱层6为多个InGaN阱层和多个GaN垒层形成的周期性结构,其周期数为3-15。单个InGaN阱层的厚度为2-5nm,单个GaN垒层的厚度为3-15nm。具体的,InGaN阱层中In所占摩尔比为10%-35%。
其中,电子阻挡层7为多个AlαGa1-αN层和多个InβGa1-βN层形成的周期性结构,其周期数为3-15个。其中,α为0.05-0.2,β为0.1-0.5。电子阻挡层7的厚度为20-50nm,示例性的为22nm、28nm、36nm、40nm或45nm,但不限于此。
其中,P-GaN层8中的掺杂元素为Mg,但不限于此。P-GaN层8中Mg的掺杂浓度为5×1017-1×1020cm-3;优选的,在本发明的一个实施例中,当引入空穴调制层9后,通过空穴调制层9的综合作用,可将P-GaN层8中Mg的掺杂浓度提高至5×1019-1×1020cm-3。具体的,P-GaN层8的厚度为200-300nm。示例性的为210nm、225nm、240nm、250nm或280nm,但不限于此。
优选的,参考图3和图4,在本发明的一个实施例中,电子阻挡层7上还设置了空穴调制层9。空穴调制层9包括依次设于电子阻挡层7上的第二超晶格层91、P-AlxGa1-xN层92和InyGa1-yN层93,第二超晶格层91包括第二预设周期个交替层叠的MgzN1-z层911和第二GaN层912,InyGa1-yN层93呈氮极性。其中,x为0.1-0.2,y为0.1-0.2,z为0.1-0.3。
其中,InyGa1-yN层93与P-GaN层8接触。由于InyGa1-yN层93呈氮极性,使得InyGa1-yN层93与掺Mg的P-GaN层8结合更加紧密,进而使得P-GaN层8可采用更高的Mg掺杂浓度。具体的,本发明的P-GaN层8中Mg掺杂浓度为5×1019-1×1020cm-3,而采用传统的P-GaN层中Mg的掺杂浓度仅为5×1017-2×1019cm-3。此外,InyGa1-yN层93中的In和P-GaN层8中Mg相互扩散,In降低了Mg的激活能,增加了空穴浓度。具体的,InyGa1-yN层93通过NH3的处理赋予氮极性,其处理时间为10-30s。
具体的,InyGa1-yN层93的厚度为5-10nm,若其厚度<5nm,则难以有效增加空穴浓度;若其厚度>10nm,则晶格质量降低,发光亮度下降。示例性的,InyGa1-yN层93的厚度为5.5nm、6nm、6.5nm、7nm、7.5nm、8nm或9nm,但不限于此。
其中,P-AlxGa1-xN层92可起到空穴扩展的作用。此外,P-AlxGa1-xN层92中的Al原子可以填补Ga空位,增加表面平整度。具体的,P-AlxGa1-xN层92的厚度为5-10nm;若其厚度<5nm,则空穴扩展作用较弱;若其厚度>10nm,则对空穴的阻碍作用过强,导致发光亮度下降。示例性的为,P-AlxGa1-xN层92的厚度为5.5nm、6nm、6.5nm、7nm、7.5nm、8nm或9nm,但不限于此。具体的,P-AlxGa1-xN层92中Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3,其小于P-GaN层8中Mg的掺杂浓度,这种低掺杂浓度的P-AlxGa1-xN层92可进一步提升对于空穴的扩展作用。
其中,在第二超晶格层91中,MgzN1-z层911可以提供部分空穴,且MgzN1-z/GaN材料会产生强的极化电场,形成二维空穴气。二维空穴气有很高的空穴迁移率,从而可以提高P-GaN层8中的空穴迁移率;并且极化电场使得价带发生倾斜,使得更多的受主能级处在费米能级的下方,也有利于增加空穴浓度。
具体的,在第二超晶格层91中,单个MgzN1-z层911的厚度为1-3nm,当其厚度<1nm时,难以有效提升空穴迁移率;当其厚度>3nm时,容易产生裂纹。示例性的,单个MgzN1-z层911的厚度为1.3nm、1.6nm、1.8nm、2nm、2.2nm、2.4nm、2.6nm或2.8nm,但不限于此。单个第二GaN层912的厚度为3-5nm,当其厚度<3nm时,晶格质量差,产生的极化电场弱;当其厚度>5nm时,材料成本过高。示例性的,单个第二GaN层912的厚度为3.3nm、3.6nm、3.8nm、4nm、4.2nm、4.4nm、4.6nm或4.8nm,但不限于此。具体的,第二超晶格层91中的第二预设周期为10-20,当其周期<10时,形成的极化电场弱,无法产生二维空穴气;当其周期>20时,材料成本过高。
优选的,在本发明中,控制空穴调制层9的总厚度为50-80nm,示例性的为55nm、60nm、65nm、70nm或75nm,但不限于此。
相应的,参考图5,本申请还公开了一种发光二极管外延片的制备方法,其用于制备上述的发光二极管外延片,其包括以下步骤:
S1:提供衬底;
具体的,该衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底,但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
优选的,在本发明的一个实施例之中,对衬底进行退火处理。具体的,将衬底加载至MOCVD中,控制反应室温度为1000-1200℃,反应室压力为200-600Torr,石墨基座转速为500-1200rpm,在H2气氛下对衬底进行5-8min的高温退火。通过退火,可清洁衬底表面的颗粒和氧化物。
S2:在衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、电子调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层;
具体的,S2包括:
S21:在衬底上生长缓冲层;
具体的,控制反应室温度为500-700℃,反应室压力为200-400Torr,石墨基座转速为500-1200rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,TMAl作为Al源,生长AlGaN层作为缓冲层。
S22:在缓冲层上生长U-GaN层;
具体地,控制反应室为1100-1150℃,反应室压力为100-500Torr,石墨基座转速为500-1200rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,生长得到U-GaN层。
S23:在U-GaN层上生长N-GaN层;
具体的,控制反应室温度为1100-1150℃,反应室压力为100-500Torr,石墨基座转速为500-1200rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,SiH4作为硅源,生长得到N-GaN层。
S24:在N-GaN层上生长电子调制层;
其中,电子调制层5中,第一超晶格层51生长时石墨基座的转动速度大于N-AlaGa1-aN层52生长时石墨基座的转动速度,第一超晶格层51的生长温度大于N-AlaGa1-aN层52的生长温度;N-AlaGa1-aN层52生长时石墨基座的转动速度大于InbGa1-bN层53生长时石墨基座的转动速度,N-AlaGa1-aN层52的生长温度大于InbGa1-bN层53的生长温度。通过上述温度、转动速度的控制,可有效释放N-GaN层4生长后的应力,避免应力积累到多量子阱层6中,造成缺陷增多,影响发光效率。
具体的,S24包括:
S241:在N-GaN层上生长第一超晶格层;
具体的,控制反应室温度为1100-1200℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为900-1200rpm,通入N2和H2做载气,通入NH3作为N源,SiH4作为Si源,以生长SicN1-c层;然后控制温度、压力、转速不变,关闭SiH4,通入TMGa作为Ga源,以生长第一GaN层。如此周期性循环,直至生长出第一超晶格层。
S242:在第一超晶格层上生长N-AlaGa1-aN层;
具体的,控制反应室温度为900-1000℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为700-900rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,SiH4作为Si源,以生长N-AlaGa1-aN层。
S243:在N-AlaGa1-aN层上生长InbGa1-bN层;
具体的,控制反应室温度为700-900℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为500-700 rpm;通入N2和H2作为载气,通入TEGa作为Ga源(TEGa比TMGa更有利于In源并入),通入TMIn作为In源,NH3作为N源,以生长InbGa1-bN层。
S25:在电子调制层上生长多量子阱层;
具体的,控制反应室温度为700-800℃,反应室压力为100-500Torr,石墨基座转速为600-1000rpm,通入N2作为载气,通入NH3作为N源,TEGa作为Ga源,TMIn作为In源,生长InGaN阱层;然后将反应室温度提升为800-900℃,关闭TMIn,并通入用H2和N2做载气,以生长GaN垒层;如此重复若干个周期,形成多量子阱层。
S26:在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,控制反应室温度为900-1000℃,反应室压力为100-500Torr,石墨基座转速为600-1200rpm,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,以生长AlαGa1-αN层。然后关闭Al源,继续通入Ga源,通入TMIn作为In源,以生长InβGa1-βN层,如此重复3-15个周期,得到电子阻挡层。
S27:在电子阻挡层上生长空穴调制层;
其中,空穴调制层9中,第二超晶格层91的生长温度小于P-AlxGa1-xN层92的生长温度;P-AlxGa1-xN层92生长时石墨基座的转动速度大于InyGa1-yN层93生长时石墨基座的转动速度,P-AlxGa1-xN层92的生长温度大于InyGa1-yN层93的生长温度。基于以上控制,一者,防止第二超晶格层91生长温度过高破坏量子阱层;二者,P-AlxGa1-xN层92生长温度高,提升其晶体质量,增加了对P-GaN层8中Mg的激活。三者,InyGa1-yN层93生长时温度和转速均较低,有利于In的并入。
具体的,S27包括:
S271:在电子阻挡层上生长第二超晶格层;
具体的,控制反应室温度为800-900℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为700-1000rpm,通入N2和H2做载气,通入NH3作为N源,CP2Mg作为镁源,以生长MgzN1-z层911。然后关闭CP2Mg,通入TMGa作为Ga源,生长第二GaN层912。如此周期性循环,直至生长出第二超晶格层。
S272:在第二超晶格层上生长P-AlxGa1-xN层;
具体的,控制反应室温度为900-1000℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为700-1000rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,CP2Mg作为Mg源,生长P-AlxGa1-xN层。
S273:在P-AlxGa1-xN层上生长InyGa1-yN层;
具体的,控制反应室温度为600-800℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为500-700rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TEGa作为Ga源,TMIn作为In源,生长InyGa1-yN层。
S274:将InyGa1-yN层进行氮极性处理;
具体的,控制反应室温度为600-800℃,反应室压力为150-500Torr,石墨基座转速为500-700rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3,对InyGa1-yN层处理10-30s。
S28:在空穴调制层上生长P-GaN层;
具体的,控制反应室温度为800-1000℃,反应室压力为100-300Torr,石墨基座转速为800-1200rpm,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,CP2Mg作为P型掺杂剂,生长得到P-GaN层。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明:
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片,参考图1、图2,其包括衬底1和依次设于所述衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、电子调制层5、多量子阱层6、电子阻挡层7和P-GaN层8。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,缓冲层2为AlGaN层,其厚度为30nm,U-GaN层3的厚度600nm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为7.5×1018cm-3,其厚度为2μm。
其中,电子调制层5包括依次设于N-GaN层4上的第一超晶格层51、N-AlaGa1-aN层52和InbGa1-bN层53,第一超晶格层51为SicN1-c层511和第一GaN层512交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为12;其中,a为0.15,b为0.12,c为0.2。单个SicN1-c层511的厚度为1.5nmn,单个第一GaN层512的厚度为4.2nm。N-AlaGa1-aN层中Si的掺杂浓度为4.5×1016cm-3,厚度为30nm,InbGa1-bN层53的厚度为15nm。
其中,多量子阱层6为InGaN阱层和GaN垒层交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为10。单个InGaN阱层的厚度为3nm,单个GaN垒层的厚度为10nm。具体的,InGaN阱层中In所占摩尔比为22%。
其中,电子阻挡层7为AlαGa1-αN层和InβGa1-βN层交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为8。其中,α为0.1,β为0.35。单个AlαGa1-αN层的厚度为3nm,单个InβGa1-βN层的厚度为3nm,电子阻挡层7的总厚度为48nm。
其中,P-GaN层8中Mg的掺杂浓度为6.5×1018 cm-3,厚度为240nm。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法为:
(1)提供衬底;
具体的,提供蓝宝石衬底,将衬底加载至MOCVD中,控制反应室温度为1100℃,反应室压力为420Torr,石墨基座转速为1000rpm,在H2气氛下对衬底进行7min的高温退火。
(2)在衬底上生长缓冲层;
具体的,控制反应室温度为550℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为800rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,TMAl作为Al源,生长AlGaN层作为缓冲层。
(3)在缓冲层上生长U-GaN层;
具体地,控制反应室为1120℃,反应室压力为400Torr,石墨基座转速为900rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,生长得到U-GaN层。
(4)在U-GaN层上生长N-GaN层;
具体的,控制反应室温度为1130℃,反应室压力为400Torr,石墨基座转速为1100rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,SiH4作为硅源,生长得到N-GaN层。
(5)在N-GaN层上生长第一超晶格层;
具体的,控制反应室温度为1110℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为1100rpm,通入N2和H2做载气,通入NH3作为N源,SiH4作为Si源,以生长SicN1-c层;然后控制温度、压力、转速不变,关闭SiH4,通入TMGa作为Ga源,以生长第一GaN层。如此周期性循环,直至生长出第一超晶格层。
(6)在第一超晶格层上生长N-AlaGa1-aN层;
具体的,控制反应室温度为950℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为880rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,SiH4作为Si源,以生长N-AlaGa1-aN层。
(7)在N-AlaGa1-aN层上生长InbGa1-bN层;
具体的,控制反应室温度为790℃,反应室压力为450Torr,石墨基座转速为650pm;通入N2和H2作为载气,通入TEGa作为Ga源(TEGa比TMGa更有利于In源并入),通入TMIn作为In源,NH3作为N源,以生长InbGa1-bN层。
(8)在InbGa1-bN层上生长多量子阱层;
具体的,控制反应室温度为720℃,反应室压力为360Torr,石墨基座转速为800rpm,通入N2作为载气,通入NH3作为N源,TEGa作为Ga源,TMIn作为In源,生长InGaN阱层;然后将反应室温度提升为870℃,关闭TMIn,并通入H2和N2做载气,以生长GaN垒层;如此重复形成多量子阱层。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,控制反应室温度为950℃,反应室压力为350Torr,石墨基座转速为1050rpm,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,以生长AlαGa1-αN层。然后关闭Al源,继续通入Ga源,通入TMIn作为In源,以生长InβGa1-βN层,如此重复得到电子阻挡层。
(10)在电子阻挡层上生长P-GaN层;
具体的,控制反应室温度为950℃,反应室压力为150Torr,石墨基座转速为1000rpm,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,CP2Mg作为P型掺杂剂,生长得到P-GaN层。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片,参考图3、图4,其包括衬底1和依次设于所述衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、电子调制层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、空穴调制层9和P-GaN层8。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,缓冲层2为AlGaN层,其厚度为30nm,U-GaN层3的厚度600nm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为7.5×1018cm-3,其厚度为2μm。
其中,电子调制层5包括依次设于N-GaN层4上的第一超晶格层51、N-AlaGa1-aN层52和InbGa1-bN层53,第一超晶格层51为SicN1-c层511和第一GaN层512交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为12;其中,a为0.15,b为0.12,c为0.2。单个SicN1-c层511的厚度为1.5nmn,单个第一GaN层512的厚度为4.2nm。N-AlaGa1-aN层中Si的掺杂浓度为4.5×1016cm-3,厚度为30nm,InbGa1-bN层53的厚度为15nm。
其中,多量子阱层6为InGaN阱层和GaN垒层交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为10。单个InGaN阱层的厚度为3nm,单个GaN垒层的厚度为10nm。具体的,InGaN阱层中In所占摩尔比为22%。
其中,电子阻挡层7为AlαGa1-αN层和InβGa1-βN层交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为8。其中,α为0.1,β为0.35。单个AlαGa1-αN层的厚度为3nm,单个InβGa1-βN层的厚度为3nm,电子阻挡层7的总厚度为48nm。
其中,空穴调制层9包括依次设于电子阻挡层7上的第二超晶格层91、P-AlxGa1-xN层92和InyGa1-yN层93,第二超晶格层为MgzN1-z层911和第二GaN层912交替层叠形成的周期性超晶格结构,其周期数为12。其中,x为0.14,y为0.15,z为0.22。单个MgzN1-z层911的厚度为2nm,单个第二GaN层912的厚度为4nm。P-AlxGa1-xN层92的厚度为8nm,Mg的掺杂浓度为8×1017cm-3。InyGa1-yN层93的厚度为8nm,其呈氮极性。
其中,P-GaN层8中Mg的掺杂浓度为6.5×1018 cm-3,厚度为240nm。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法为:
(1)提供衬底;
具体的,提供蓝宝石衬底,将衬底加载至MOCVD中,控制反应室温度为1100℃,反应室压力为420Torr,石墨基座转速为1000rpm,在H2气氛下对衬底进行7min的高温退火。
(2)在衬底上生长缓冲层;
具体的,控制反应室温度为550℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为800rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,TMAl作为Al源,生长AlGaN层作为缓冲层。
(3)在缓冲层上生长U-GaN层;
具体地,控制反应室为1120℃,反应室压力为400Torr,石墨基座转速为900rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,生长得到U-GaN层。
(4)在U-GaN层上生长N-GaN层;
具体的,控制反应室温度为1130℃,反应室压力为400Torr,石墨基座转速为1100rpm,通入N2和H2做载气,通入TMGa作为Ga源,NH3作为N源,SiH4作为硅源,生长得到N-GaN层。
(5)在N-GaN层上生长第一超晶格层;
具体的,控制反应室温度为1110℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为1100rpm,通入N2和H2做载气,通入NH3作为N源,SiH4作为Si源,以生长SicN1-c层;然后控制温度、压力、转速不变,关闭SiH4,通入TMGa作为Ga源,以生长第一GaN层。如此周期性循环,直至生长出第一超晶格层。
(6)在第一超晶格层上生长N-AlaGa1-aN层;
具体的,控制反应室温度为950℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为880rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,SiH4作为Si源,以生长N-AlaGa1-aN层。
(7)在N-AlaGa1-aN层上生长InbGa1-bN层;
具体的,控制反应室温度为790℃,反应室压力为450Torr,石墨基座转速为650pm;通入N2和H2作为载气,通入TEGa作为Ga源(TEGa比TMGa更有利于In源并入),通入TMIn作为In源,NH3作为N源,以生长InbGa1-bN层。
(8)在InbGa1-bN层上生长多量子阱层;
具体的,控制反应室温度为720℃,反应室压力为360Torr,石墨基座转速为800rpm,通入N2作为载气,通入NH3作为N源,TEGa作为Ga源,TMIn作为In源,生长InGaN阱层;然后将反应室温度提升为870℃,关闭TMIn,并通入用H2和N2做载气,以生长GaN垒层;如此重复形成多量子阱层。
(9)在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,控制反应室温度为950℃,反应室压力为350Torr,石墨基座转速为1050rpm,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,以生长AlαGa1-αN层。然后关闭Al源,继续通入Ga源,通入TMIn作为In源,以生长InβGa1-βN层,如此重复得到电子阻挡层。
(10)在电子阻挡层上生长第二超晶格层;
具体的,控制反应室温度为850℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为800rpm,通入N2和H2做载气,通入NH3作为N源,CP2Mg作为镁源,以生长MgzN1-z层911。然后关闭CP2Mg,通入TMGa作为Ga源,生长第二GaN层912。如此周期性循环,直至生长出第二超晶格层。
(11)在第二超晶格层上生长P-AlxGa1-xN层;
具体的,控制反应室温度为960℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为800rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,TMAl作为Al源,CP2Mg作为Mg源,生长P-AlxGa1-xN层。
(12)在P-AlxGa1-xN层上生长InyGa1-yN层;
具体的,控制反应室温度为640℃,反应室压力为280Torr,石墨基座转速为550rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3作为N源,TEGa作为Ga源,TMIn作为In源,生长InyGa1- yN层。
(13)将InyGa1-yN层进行氮极性处理;
具体的,控制反应室温度为640℃,反应室压力为300Torr,石墨基座转速为550rpm,通入N2和H2作为载气,通入NH3,对InyGa1-yN层处理20s。
(14)在InyGa1-yN层上生长P-GaN层;
具体的,控制反应室温度为950℃,反应室压力为150Torr,石墨基座转速为1000rpm,通入NH3作为N源,TMGa作为Ga源,CP2Mg作为P型掺杂剂,生长得到P-GaN层。
实施例3
本实施例与实施例2的区别在于,本实施例中P-GaN层中Mg的掺杂浓度为8.5×1019cm-3,其他均与实施例2相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于,不设置电子调制层,相应的,制备方法中也不包括电子调制层的制备步骤。
对比例2
本对比例与实施例2的区别在于,不设置电子调制层,相应的,制备方法中也不包括电子调制层的制备步骤。
将实施例1-3,对比例1-2所得的发光二极管外延片进行亮度测试,具体结果如下:
由表中可以看出,当在外延结构中引入电子调制层后(实施例1),亮度即可提升至187.2mW,相较对比例1提升了1.68%,相较仅设置空穴调制层的对比例2提升了0.75%。表明本发明中的电子调制层可有效提升发光效率。
以上所述是发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (17)
1.一种发光二极管外延片,包括衬底和依次设于所述衬底上的缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层;其特征在于,所述N-GaN层与所述多量子阱层之间设有电子调制层;所述电子调制层包括依次设于所述N-GaN层上的第一超晶格层、N-AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,所述第一超晶格层包括第一预设周期个交替层叠的SicN1-c层和第一GaN层;其中,a为0.1-0.2,b为0.1-0.2,c为0.1-0.3。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述第一超晶格层中,单个SicN1-c层的厚度为1-3nm,单个第一GaN层的厚度为3-5nm,所述第一超晶格层的第一预设周期为10-20。
3.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述N-AlaGa1-aN层的厚度为20-50nm,所述InbGa1-bN层的厚度为10-20nm。
4.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述N-AlaGa1-aN层中Si的掺杂浓度为1×1016-1×1017cm-3,所述N-GaN层中Si的掺杂浓度为5×1018-1×1019cm-3。
5.如权利要求1~4任一项所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述电子阻挡层与所述P-GaN层之间设有空穴调制层,所述空穴调制层包括依次设于所述电子阻挡层上的第二超晶格层、P-AlxGa1-xN层和InyGa1-yN层,所述第二超晶格层包括第二预设周期个交替层叠的MgzN1-z层和第二GaN层;其中,x为0.1-0.2,y为0.1-0.2,z为0.1-0.3。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述InyGa1-yN层呈氮极性。
7.如权利要求5所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述第二超晶格层中,单个MgzN1-z层的厚度为1-3nm,单个第二GaN层的厚度为3-5nm,所述第二超晶格层中的第二预设周期为10-20。
8.如权利要求5所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述P-AlxGa1-xN层的厚度为5-10nm,所述InyGa1-yN层的厚度为5-10nm。
9.如权利要求5所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述P-AlxGa1-xN层中Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3,所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度为5×1019-1×1020cm-3。
10.一种发光二极管外延片的制备方法,用于制备如权利要求1-9任一项所述的发光二极管外延片,其特征在于,包括:
(1)提供衬底;
(2)在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、电子调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层;
所述电子调制层包括依次设于所述N-GaN层上的第一超晶格层、N-AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,所述第一超晶格层包括第一预设周期个交替层叠的SicN1-c层和第一GaN层;其中,a为0.1-0.2,b为0.1-0.2,c为0.1-0.3。
11.如权利要求10所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述第一超晶格层生长时石墨基座的转动速度大于所述N-AlaGa1-aN层生长时石墨基座的转动速度,所述第一超晶格层的生长温度大于所述N-AlaGa1-aN层的生长温度;
所述N-AlaGa1-aN层生长时石墨基座的转动速度大于所述InbGa1-bN层生长时石墨基座的转动速度,所述N-AlaGa1-aN层的生长温度大于所述InbGa1-bN层的生长温度。
12.如权利要求10或11所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述第一超晶格层的生长温度为1100-1200℃,生长时石墨基座的转速为900-1200rpm;
所述N-AlaGa1-aN层的生长温度为900-1000℃,生长时石墨基座的转速为700-900rpm;
所述InbGa1-bN层的生长温度为700-900℃,生长时石墨基座的转速为500-700rpm。
13.如权利要求10所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,依次在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、电子调制层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴调制层和P-GaN层;
其中,所述空穴调制层依次包括设于所述电子阻挡层上的第二超晶格层、P-AlxGa1-xN层和InyGa1-yN层,所述第二超晶格层包括第二预设周期个交替层叠的MgzN1-z层和第二GaN层;其中,x为0.1-0.2,y为0.1-0.2,z为0.1-0.3。
14.如权利要求13所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述第二超晶格层的生长温度小于所述P-AlxGa1-xN层的生长温度;
所述P-AlxGa1-xN层生长时石墨基座的转动速度大于所述InyGa1-yN层生长时石墨基座的转动速度,所述P-AlxGa1-xN层的生长温度大于所述InyGa1-yN层的生长温度。
15.如权利要求13或14所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述第二超晶格层的生长温度为800-900℃,生长时石墨基座的转速为700-1000rpm;
所述P-AlxGa1-xN层的生长温度为900-1000℃,生长时石墨基座的转速为700-1000rpm;
所述InyGa1-yN层的生长温度为600-800℃,生长时石墨基座的转速为500-700rpm。
16.如权利要求13所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述InyGa1-yN层生长完成后,采用NH3对其进行处理,以使其呈氮极性。
17.一种发光二极管,其特征在于,包括如权利要求1~9任一项所述的发光二极管外延片。
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