CN115312643B - 一种具有插入层的led外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有插入层的LED外延片，包括衬底，以及在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、多量子阱层、插入层和P型半导体层；所述的插入层包括在多量子阱层表面依次生长的高温uGaN层和超晶格Mg掺杂层，所述高温uGaN层生长在多量子阱层表面，所述超晶格Mg掺杂层生长在高温uGaN层表面；所述的超晶格Mg掺杂层为交替层叠的MgGaN层和MgN层组成的超晶格结构。本发明通过高温多量子阱层、低温多量子阱层和插入层，该插入层是由高温生长uGaN和超晶格MgGaN与MgN组成，能够有效改善结晶质量，同时还可提高空穴浓度，增加电子空穴复合率，从而提升LED光。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，具体涉及一种具有插入层的LED外延片及其制备方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管（LED）具有光电效率转换高、体积小和寿命长等优点，广泛应用于固态照明和背光源，引领了第三代照明技术革命，取得了巨大的经济效益。
GaN基LED中的多量子阱（MQWs）结构是实现电－光转换的核心，其晶体质量直接决定了LED的光电性能，而其中V 形坑缺陷是GaN 基材料中的常见缺陷，其出现会加大材料所受应力，对GaN 材料结晶质量有所影响。由此V形坑的形成及填盖方法也引起了人们的极大重视。
如图1所示，目前GaN基发光二极管芯片结构为：蓝宝石图形化衬底1，AlN/AlGaN缓冲层2，非掺杂GaN层3，掺杂的n型GaN层4，多量子阱层和掺Mg的p型GaN层；其中多量子阱层包括：第一势垒层5，高温多量子阱层6和低温低温多量子阱层7和最后势垒层10。而主流填盖Vpits方法为利用高温和低温多量子阱生长掩盖，这种方式使得电子空穴复合率低，会影响发光效应。
另外，在高温多量子阱层生长过程中会产生Vpits，Vpits在高温多量子阱层生长完后仍有延伸，因此，该Vpits的填盖方式和程度均不同，会影响结晶质量，从而会影响ESD和发光效率。
发明内容
针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种具有插入层的LED外延片及其制备方法，通过高温多量子阱层、低温多量子阱层和插入层，该插入层是由高温生长uGaN和超晶格MgGaN与MgN组成，能够有效改善结晶质量，同时还可提高空穴浓度，增加电子空穴复合率从而提升LED光效；能有效的解决上述问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种具有插入层的LED外延片，包括衬底，以及在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、多量子阱层、插入层和P型半导体层；所述的插入层包括在uGaN层和超晶格Mg掺杂层，所述超晶格Mg掺杂层为交替层叠的MgGaN层和MgN层组成的超晶格结构。
进一步的，所述多量子阱层包括交替层叠设置的多个势垒层和势阱层，所述插入层直接设置于所述多量子阱层的最后一个势阱层上。
进一步的，所述超晶格Mg掺杂层中Mg杂质浓度为1E18~3E18。
进一步的，所述的N型半导体层包括缓冲层，非掺杂GaN层，掺Si的n型GaN层，所述的多量子阱层包括第一势垒层层、高温多量子阱层、低温多量子阱层。
进一步的，所述插入层的厚度为100～300nm。
进一步的，所述高温uGaN层的厚度为10～100nm，所述的超晶格Mg掺杂层中的MgGaN层和MgN层交替层叠2～10次，每一层MgGaN层的厚度为10～50nm，每一层MgN层的厚度为10～50nm。
一种LED外延层生长方法，用于制备上述的外延片结构，在PSS衬底上依次生长AlN层、缓冲层、非掺杂uGaN层、掺杂nGaN层、第一势垒层、高温多量子阱层、低温多量子阱层、插入层和LTP/PGaN层，所述插入层的生长方法为：在高温880～950℃的环境下，先生长UGaN层，而后再反复生长MgGaN/MgN超晶格。
进一步的，所述插入层的生长方法具体包括步骤：
第一步：在低温多量子阱层生长完后，控制温度为880～930℃，压力为300mbar，生长uGaN层第一子层；
第二步：恒温880～930℃，压力为300mbar条件下，进行超晶格生长MgGaN/MgN第二子层；MgGaN/MgN第二子层的生长厚度和Mg浓度的参数为：
a.生长MgGaN,Mg浓度1E18~3E18,生长时间为5~15s，厚度约50～200nm；
b.生长MgN, Mg浓度1E18~3E18，生长时间为3~10s，厚度约10～100nm；
.重复生长n个周期的MgGaN层和MgN层，n>1。
进一步的，所述uGaN层第一子层的生长时间为30s～1min。
进一步的，所述的衬底采用表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底。
进一步的，所述的掺杂nGaN层是掺Si的n型GaN层，生长时间为20～30min，厚度为约1.5～2um。
有益效果
本发明提出的一种具有插入层的LED外延片及其制备方法，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
（1）本技术方案通过高温多量子阱、低温多量子阱层和插入层，该插入层是由高温生长uGaN和超晶格MgGaN与MgN组成，能够有效改善结晶质量，同时还可提高空穴浓度，增加电子空穴复合率从而提升LED光效。
（2）本技术方案中的插入层为：在低温多量子阱层生长完成后，先在高温环境生长uGaN层，时间为30s～1min，由于高温下会对InGaN有一定影响，厚度需控制在100nm以内；其次再进行超晶格MgGaN/MgN的生长，由于只生长MgN结晶，质量会差，故采用超晶格生长方式进行掺mg的外延生长；这样的结构设计可减小Vpits延伸出的缺陷，改善Vpits平整度从而提升结晶质量，从而提升了ESD能力；另由于减小与MQW层的间距，提升空穴浓度，增加载流子在阱间交互，从而提升LED的发光效率。
附图说明
图1是原有的LED器件结构示意图。
图2是本发明中的LED器件结构示意图。
图3是本发明中插入层的结构示意图。
图4是本发明的LED器件与原LED器件的结构对比图。
附图中的标记为：1-AlN层、2-缓冲层、3-非掺杂uGaN层、4-掺杂nGaN层、5-第一势垒层、6-高温多量子阱层、7-低温多量子阱层、8-插入层、81-高温uGaN层、82-超晶格Mg掺杂层、821-MgGaN层、822-MgN层、9-PGaN层、10-最后势垒层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。
实施例1：
一种具有插入层的LED外延片，包括衬底，以及在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、多量子阱层、插入层和P型半导体层。
如图2所示，一种具有插入层的LED外延片的具体结构为：衬底，所述的衬底采用表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底。从下至上依次设置在衬底上的AlN层1，缓冲层2，非掺杂GaN层3，掺Si的n型GaN层4，第一势垒层层5，高温多量子阱层6，低温多量子阱层7，插入层8和掺Mg的p型GaN层9。
如图3所示，所述的插入层8包括在多量子阱层7表面依次生长的高温uGaN层81和超晶格Mg掺杂层82，所述高温uGaN层81生长在多量子阱层表面，所述超晶格Mg掺杂层82生长在高温uGaN层81表面；所述的超晶格Mg掺杂层82为交替层叠的MgGaN层821和MgN层822组成的超晶格结构。
所述插入层8的总厚度为100～300nm，其中，高温uGaN层81的厚度为10～100nm，所述的超晶格Mg掺杂层82中的MgGaN层821和MgN层822交替层叠2～10次，每一层MgGaN层821的厚度为10～50nm，每一层MgN层822的厚度为10～50nm。所述超晶格Mg掺杂层中Mg杂质浓度为5E17~5E18，优选为1E18。
如图4所示，所述低温多量子阱层包括交替层叠设置的多个势垒层和势阱层，所述插入层（8）直接设置于所述多量子阱层的最后一个势阱层上。
实施例2：
一种LED外延层生长方法，用于制备上述的外延片结构，在表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底上依次生长AlN层1、缓冲层2、非掺杂uGaN层3、掺杂nGaN层4、第一势垒层层5（即第一势垒层）、高温多量子阱层6（即高温多量子阱层）、低温多量子阱层7，插入层8和掺Mg的p型GaN层9。
具体的操作步骤为：
步骤1：通过PVD方式在表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底上蒸镀，得到AlN层，AlN层厚度为25nm。
步骤2：控制温度为600℃、压力为300torr下，生长厚度为20nm的缓冲层。
步骤3：在生长好的缓冲层上，高温低压条件下（控制温度为1100℃、压力为600torr），生长厚度为3.5～4um的非掺杂GaN层。
步骤4：掺杂nGaN层，高温低压条件下（恒温1100℃、控制压力为100torr），通入Si浓度2E19，进行外延生长约20～30min，得到厚度为1.5～2um的掺杂nGaN层。
步骤5：控制温度为800～900℃，压力为300torr，掺入Si浓度2E18，得到厚度为200～500nm的第一势垒层。
步骤6：生长3～5个周期的的高温多量子阱层，其厚度约0.05um；其中控制温度为850℃，压力为300torr下，生长的高温势垒层约8nm；调整温度为780℃，生长的高温势阱层约2nm。
步骤7：然后在低温下再生长8～12个周期的低温多量子阱，其厚度约0.01um。控制压力为300torr，在温度为830℃下生长厚度为8nm低温势垒层；调整温度为780℃，生长厚度为2nm的低温势阱层；
步骤8：生长插入层：所述插入层的生长方法为：在高温880～950℃的环境下，先生长UGaN层，而后再反复生长MgGaN/MgN超晶格。
所述插入层的生长方法具体包括步骤：
第一步：在低温多量子阱层生长完后，控制温度为880～930℃，压力为300mbar，生长uGaN层第一子层；
第二步：恒温880～930℃，压力为300mbar条件下，进行超晶格生长MgGaN/MgN第二子层；MgGaN/MgN第二子层的生长厚度和Mg浓度的参数为：
a.生长MgGaN,Mg浓度1E18~3E18,生长时间为10s，厚度约50～200nm；
b.生长MgN, Mg浓度1E18~3E18，生长时间为5s，厚度约10～100nm；
c.重复生长n个周期的MgGaN层和MgN层，n>1。
步骤9：生长LTP/PGaN层：通入TMGa，控制温度为950℃、压力为200torr，在氮气和氢气的混合气氛中生长厚度为0.2um的PGaN层。
比较例：
比较例提供的LED外延片结构及制备方法与实施例1和实施例2的区别在于，多量子阱层与P型GaN层之间未设置有插入层，而是设置有一层GaN层。
发明人将产用本发明的方法得到的LED外延片结构和比较例的LED外延片结构结构进行测试，测试得到的结果如表1所示：
通过表1的数据得到结论，本发明得到的LED外延片结构的AFM平整度测试得到的值小于原结构的值，即本发明得到的LED外延片结构的平整度更佳 。
将本发明LED外延片和比较例相比，本发明得到的LED外延片结构的产品的亮度值大于原结构的亮度值，提升了LED的发光效率。同时，本发明得到的LED外延片结构的产品的通电电压值小于比较例的通电电压，使得本发明产生的产品更省电。
Claims (7)
1.一种具有插入层的LED外延片，包括衬底，以及在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、多量子阱层、插入层（8）和P型半导体层（9）；其特征在于：所述的插入层（8）包括在多量子阱层（7）表面依次生长的高温uGaN层（81）和超晶格Mg掺杂层（82）；所述高温uGaN层（81）生长在多量子阱层表面，所述超晶格Mg掺杂层（82）生长在高温uGaN层（81）表面；所述超晶格Mg掺杂层（82）为交替层叠的MgGaN层（821）和MgN层（822）组成的超晶格结构；插入层（8）的总厚度为100～300nm，其中，高温uGaN（81）层的厚度为10～100nm，超晶格Mg掺杂层（82）中的MgGaN层（821）和MgN层（822）交替层叠2～10次，每一层MgGaN层（821）的厚度为10～50nm，每一层MgN层（822）的厚度为10～50nm；所述高温uGaN层（81）和超晶格Mg掺杂层（82）的生长温度为880～930℃。
2.根据权利要求1所述的一种具有插入层的LED外延片，其特征在于：所述多量子阱层包括交替层叠设置的多个势垒层和势阱层，所述插入层（8）直接设置于所述多量子阱层的最后一个势阱层上。
3.根据权利要求1所述的一种具有插入层的LED外延片，其特征在于，所述超晶格Mg掺杂层中Mg杂质浓度为1E18～3E18。
4.一种LED外延层的生长方法，包括：提供一PSS衬底，在PSS衬底上依次生长AlN层（1）、缓冲层（2）、非掺杂uGaN层（3）、掺杂nGaN层（4）、多量子阱层、插入层（8）和LTP/PGaN层（9），其中所述多量子阱层依次包括第一势垒层、高温多量子阱层和低温多量子阱层，其特征在于：所述插入层（8）的生长方法为：在高温880～950℃的环境下，先生长uGaN层（81），而后再反复生长MgGaN/MgN超晶格；具体包括步骤：
第一步：在低温多量子阱层生长完后，控制温度为880～930℃，压力为300mbar，生长uGaN层第一子层；
第二步：恒温880～930℃，压力为300mbar条件下，进行超晶格生长MgGaN/MgN第二子层；MgGaN/MgN第二子层的生长厚度和Mg浓度的参数为：
a .生长MgGaN ,Mg浓度1E18～3E18 ,生长时间为5～15s，厚度为50～200nm；
b .生长MgN , Mg浓度1E18～3E18，生长时间为3～10s，厚度为10～100nm；
c .重复生长n个周期的MgGaN层和MgN层，n>1。
5.根据权利要求4所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于：所述uGaN层第一子层的生长时间为30s～1min。
6.根据权利要求4所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于：所述的衬底采用表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底。
7.根据权利要求4所述的一种LED外延层生长方法，其特征在于：所述的掺杂nGaN层是掺Si的n型GaN层，生长时间为20～30min，厚度为1 .5～2um。
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| GR01 | Patent grant | ||
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