CN115588723B - 发光二极管的外延片及其制作方法 - Google Patents
发光二极管的外延片及其制作方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115588723B CN115588723B CN202211581456.2A CN202211581456A CN115588723B CN 115588723 B CN115588723 B CN 115588723B CN 202211581456 A CN202211581456 A CN 202211581456A CN 115588723 B CN115588723 B CN 115588723B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- sublayer
- sub
- type
- growth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 54
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 37
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims description 94
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 16
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 15
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000004047 hole gas Substances 0.000 claims description 5
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 claims description 5
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 abstract description 9
- 239000007924 injection Substances 0.000 abstract description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 25
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 14
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 14
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 6
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 5
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 229910018509 Al—N Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017857 MgGa Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- VCZQFJFZMMALHB-UHFFFAOYSA-N tetraethylsilane Chemical compound CC[Si](CC)(CC)CC VCZQFJFZMMALHB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005570 vertical transmission Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/005—Processes
- H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
- H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
- H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制作方法。所述外延片包括依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层，所述p型半导体层包括依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层，所述p型空穴提供层包括层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低，所述第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场，所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，所述第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反。本发明提供一种发光二极管的外延片的空穴浓度高且注入能力强，辐射复合发光效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管的外延片，特别涉及一种发光二极管的外延片及其制作方法，属于光电子技术领域。
背景技术
紫外LED光源在高效节能，体积小，安全耐用，无汞环保，低工作电压低功耗等优点，目前被广泛应用于荧光激发，水净化，光治疗，植物生长照明，紫外固化等领域。
目前紫外LED外延片通常包括衬底和在衬底上的AlN缓冲层、AlN三维成核层、AlN二维恢复层、n型AlGaN层、MQW发光层和p型层；LED通电后，载流子(包括n型AlGaN层的电子和p型层的空穴)会向发光层迁移，并在注入发光层后复合发光。但现有宽禁带AlN基LED外延片中，由于p型掺杂剂存在较高的受主激活能和较低的溶解度，导致外延片P型层通常具有较低的电导率和较高的接触电阻，进而产生较低的空穴浓度和注入效率，以及，其中的p型层一般采用GaN材料，GaN材料的能带宽度较AlGaN低，具有较强的吸光效应，进而导致取光效率较低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种发光二极管的外延片及其制作方法，可以改善发光二极管空穴注入效率，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明一方面提供了一种发光二极管的外延片，包括沿第一方向依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层，所述p型半导体层包括沿第一方向依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层，
所述p型空穴提供层由含有Al的III族氮化物形成，且所述p型空穴提供层包括至少一个周期结构，每一周期结构包括沿第一方向依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；
所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低，所述第一子层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场，所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，所述第三子层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反，所述第二方向与第一方向相反；
所述第二子层中的Al组分均匀分布，且所述第二子层中的Al组分的平均含量大于所述第一子层、第三子层中任一者的Al组分的平均含量。
本发明另一方面还提供了所述的发光二极管的外延片的制作方法，包括制作沿第一方向依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层的步骤，所述p型半导体层包括沿第一方向依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层；所述p型空穴提供层的制作方法包括：
1）在第一生长温度、第一生长压力条件下生长含有Al的III族氮化物，以形成第一子层，并使所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低；
2）在第二生长温度、第二生长压力条件下，于所述第一子层上生长含有Al的III族氮化物，以形成第二子层，并使所述第二子层中的Al组分的平均含量大于第一子层中的Al组分的平均含量，以使所述第一子层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场；
3）在第三生长温度、第三生长压力条件下，于所述第二子层上生长含有Al的III族氮化物，以形成第三子层，并使所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，且使所述第三子层中的Al组分的平均含量小于第二子层中的Al组分的平均含量，以使所述第三子层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反，所述第一方向与第二方向相反。
与现有技术相比，本发明提供一种发光二极管的外延片的空穴浓度高且注入能力强，辐射复合发光效率高。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明一典型实施案例中提供的一种发光二极管的外延片中p型电子阻挡层、p型空穴提供层的结构示意图；
图3是本发明一典型实施案例中提供的一种发光二极管的外延片中p型空穴提供层的结构示意图；
图4是本发明一典型实施案例中提供的一种发光二极管的外延片的部分结构示意图；
图5是本发明一典型实施案例中提供的一种发光二极管的外延片的制作流程示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明一方面提供了一种发光二极管的外延片，包括沿第一方向依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层，所述p型半导体层包括沿第一方向依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层，
所述p型空穴提供层由含有Al的III族氮化物形成，且所述p型空穴提供层包括至少一个周期结构，每一周期结构包括沿第一方向依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；
所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低，所述第一子层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场，所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，所述第三子层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反，所述第二方向与第一方向相反；
所述第二子层中的Al组分均匀分布，且所述第二子层中的Al组分的平均含量大于所述第一子层、第三子层中任一者的Al组分的平均含量。
进一步的，所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向由50at.%逐渐降低至30at.%，所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向由30at.%逐渐升高至50at.%，所述第二子层中的Al组分含量在60at.%以上。
进一步的，所述含Al的III族氮化物包括AlGaN等。
进一步的，所述第一子层为AlxGa1-xN层、第二子层为AlyGa1-yN层、第三子层为AlzGa1-zN层，0＜x≤0.5，0.5≤y＜1，0＜z≤0.5。
进一步的，所述第二子层的p型掺杂浓度为1×1019-1×1020cm-3。
进一步的，所述第一子层和第二子层的界面处还形成有只能在平面内移动的二维电子气，所述第三子层和第二子层的界面处还形成有只能在平面内移动的二维空穴气。
进一步的，所述第一子层的厚度为15-20nm。
进一步的，所述第二子层的厚度为5-10nm。
进一步的，所述第三子层的厚度为15-20nm。
进一步的，所述p型空穴提供层包括20-30个周期结构。
本发明另一方面还提供了所述的发光二极管的外延片的制作方法，包括制作沿第一方向依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层的步骤，所述p型半导体层包括沿第一方向依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层；所述p型空穴提供层的制作方法包括：
1）在第一生长温度、第一生长压力条件下生长含有Al的III族氮化物，以形成第一子层，并使所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低；
2）在第二生长温度、第二生长压力条件下，于所述第一子层上生长含有Al的III族氮化物，以形成第二子层，并使所述第二子层中的Al组分的平均含量大于第一子层中的Al组分的平均含量，以使所述第一子层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场；
3）在第三生长温度、第三生长压力条件下，于所述第二子层上生长含有Al的III族氮化物，以形成第三子层，并使所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，且使所述第三子层中的Al组分的平均含量小于第二子层中的Al组分的平均含量，以使所述第三子层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反，所述第一方向与第二方向相反。
进一步的，所述第一生长温度为1000-1200℃、第一生长压力为100-250torr；所述第二生长温度为1200℃、第二生长压力为100torr；第三生长温度为1000-1200℃、第三生长压力为100-250torr。
进一步的，所述步骤1）具体包括：在生长所述第一子层的过程中，使所述第一生长温度以50℃/min-100℃/min的降温速度由1200℃逐渐降低至1000℃，第一生长压力以100-200torr/min的升压速度由100torr逐渐升高至250tor；
所述步骤2）具体包括：在生长形成所述第二子层的过程中，使所述第二生长温度和第二生长压力保持恒定；
所述步骤3）具体包括：在生长形成所述第三子层的过程中，使所述第三生长温度以50℃/min-100℃/min的升温速度由1000℃逐渐升高至1200℃，生长压力以100-200torr/min的降压速度由250torr逐渐降低至100torr。
进一步的，所述含Al的III族氮化物包括AlGaN等。
进一步的，所述第一子层为AlxGa1-xN层、第二子层为AlyGa1-yN层、第三子层为AlzGa1-zN层，0＜x≤0.5，0.5≤y＜1，0＜z≤0.5，并且所述的制作方法具体包括：在生长所述第一子层和第三子层的过程中，连续提供铝源、镓源和氮源，以及，在生长所述第二子层的过程中，停止提供铝源、镓源，而继续提供氮源；其中，所述第二子层的生长时间大于第一子层和第三子层任一者的生长时间。
进一步的，所述第一子层和第三子层的生长时间均为20-30s，所述第二子层的生长时间为50-80s。
进一步的，所述的发光二极管的外延片的制作方法具体包括：重复步骤1）-步骤3）两次以上。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的PVD、MOCVD等设备均是本领域技术人员已知的。
实施例1
请参阅图1、图2和图3，一种紫外发光二极管的外延片，包括依次层叠的n型半导体层50、发光层60和p型半导体层70，所述p型半导体层70包括沿第一方向依次层叠设置在发光层60上的p型电子阻挡层71、p型空穴提供层72和p型欧姆接触层73。
在本实施例中，所述p型空穴提供层72由含有Al的III族氮化物（本实施例主要以AlGaN为例，下同）形成，且所述p型空穴提供层72包括至少一个周期结构，每一周期结构包括沿第一方向[0001]依次层叠设置的第一子层721、第二子层722和第三子层723；所述第一子层721中的Al组分含量沿第一方向[0001]逐渐降低，所述第三子层723中的Al组分含量沿第一方向[0001]逐渐升高，所述第二子层722中的Al组分是均匀分布的，且所述第二子层722中的Al组分的平均含量大于所述第一子层721、第三子层723中任一者的Al组分的平均含量。
在本实施例中，所述第一子层721中的Al组分含量沿第一方向[0001]逐渐降低，所述第一子层721内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层721靠近第二子层722的界面处形成最大的第一压电极化场，从而诱导了界面能带的较大弯曲；所述第三子层723中的Al组分含量沿第一方向[0001]逐渐升高，所述第三子层723内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强，而压缩应变越来越弱，这在第三子层723靠近第二子层722的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反；其中，所述第一方向与第二方向相反，第一方向为p型电子阻挡层71指向p型欧姆接触层72的方向，可以理解的，所述第一方向和第二方向均可以视为器件的纵向方向。
在本实施例中，所述第一子层721中的Al组分含量沿第一方向由50at.%逐渐降低至30at.%，所述第三子层723中的Al组分含量沿第一方向由30at.%逐渐升高至50at.%，所述第二子层722中的Al组分含量（该层中的Al组分均匀分布，因此也可以理解为平均含量）为60at.%。
在本实施例中，所述第一子层721为AlxGa1-xN层、第二子层722为AlyGa1-yN层、第三子层723为AlzGa1-zN层，0＜x≤0.5，0.5≤y＜1，0＜z≤0.5。
在本实施例中，所述第二子层722为调制p型掺杂的，具体地，所述第二子层722的p型掺杂剂为Mg，所述第二子层722的Mg掺杂浓度为1×1019-1×1020 cm-3。
在本实施例中，请参阅图3，所述第二子层722的中下界面（所述第一子层721和第二子层722的界面处，下同）还形成有只能在平面内移动的二维电子气2DEG，所述第二子层722的上界面（第三子层723和第二子层722的界面处，下同）还形成有只能在平面内移动的二维空穴气2DHG；一方面，所述第二子层中上界面的二维空穴气有利于第二子层Mg电离产生的空穴往发光层方向移动，另一方面，所述第二子层中下界面的二维电子气利于吸引第二子层Mg电离产生的空穴往往发光层方向移动，大大促进了空穴向发光层的注入。
在本实施例中，所述第一子层和第三子层的厚度不能过厚，否则空穴势垒过大将不利于空穴的垂直传输，所述第一子层和第三子层的厚度也不能过薄，否则无法在第一子层和第三子层内形成无应变或者应变量较小的外延子层（该外延子层是第一子层和第三子层的内部层，是在外延生长过程中形成的），所述第二子层的厚度不能过厚，过厚则会导致第二子层驰豫而无法在第二子层上下界面形成较大的压电极化场从而产生二维空穴气和二维电子气，所述第二子层的厚度不能过薄，过薄则会导致Mg掺效率较低而无法形成足够的空穴浓度；具体地，所述第一子层721的厚度为15-20nm，所述第二子层722的厚度为5-10nm，所述第三子层723的厚度为15-20nm。
在本实施例中，所述p型空穴提供层72所包含的周期结构的数量可以为20-30个。
在本实施例中，所述p型电子阻挡层71和p型欧姆接触层73的材质均可以是AlGaN。
在本实施例中，所述p型电子阻挡层71的Al组分含量沿第一方向从80at.%渐变至30at.%，所述p型电子阻挡层71的平均Al组分含量为65at.%；所述p型电子阻挡层71的厚度可以为100nm-150nm，优选为120nm。
在本实施例中，所述p型欧姆接触层73的厚度可以为30nm-60nm，Al组分含量为5at.%~15at.%，示例性的，所述p型欧姆接触层73的厚度为50nm，Al组含量为10at.%；在本实施例中，所述p型欧姆接触层73中Mg的掺杂浓度可以为1*10 20 -5*1020 cm-3，优选为3*1020cm-3。
在本实施例中，请一并参阅图4，所述发光层60可以包括阱垒依次交替层叠的4-6个周期的AlaGa1-aN阱层61和AlbGa1-bN垒层62，0.3≤a≤0.5，0.5≤b≤0.8；可选地，所述AlaGa1-aN阱层61的厚度可以为2-4nm，所述AlbGa1-bN垒层62的厚度可以为10-15nm，示例性的，所述AlaGa1-aN阱层61的厚度为2.5nm，AlbGa1-bN垒层62的厚度为12nm。
需要说明的是，图3中所示出的AlaGa1-aN阱层61和AlbGa1-bN垒层62的层数仅为示意，并不用以限制其各自的层数。
在本实施例中，所述n型半导体层50的材质可以是AlGaN，所述n型半导体层50可以包含有层叠设置的n型AlmGa1-mN层51和 n型AlnGa1-nN层52，1＞m＞n＞0。具体地，n型AlmGa1- mN层51的厚度可以为500-1000nm，示例性的，所述n型AlmGa1-mN层51的厚度为700nm；具体地，所述n型AlnGa1-nN层52的厚度可以为1500-2500nm，示例性的，所述n型AlnGa1-nN层52的厚度为2200nm；具体地，所述n型半导体层50中n型AlmGa1-mN层51和 n型AlnGa1-nN层52的Si的掺杂浓度可以为1019 -1020 cm-3；示例性的，n型AlmGa1-mN层51和n型AlnGa1-nN层52的Si掺杂浓度分别为3*1019和5*1019。具体地，所述n型AlmGa1-mN层51中的Al组分含量为50at.%~70at.%，n型AlGaN 中n型AlnGa1-nN层52中的Al组分含量为40at.%~60at.%，示例性的，所述n型AlmGa1- mN层51中的Al组分含量为65at.%，n型AlnGa1-nN层52中的Al组分含量为55at.%。需要说明的是，n型半导体层50还可以采用其他掺杂源，例如Ge等。
在本实施例中，所述n型半导体层50叠层设置在AlN二维恢复层40上，AlN二维恢复层40叠层设置在AlN三维成核层30上，AlN三维成核层30叠层设置在AlN缓冲层20上，AlN缓冲层20叠层设置在衬底10上。
在本实施例中，所述衬底10可以为蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底等，蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低，所以优选为图形化的蓝宝石衬底。
在本实施例中，所述AlN缓冲层20的厚度为20-30nm，优选为25nm，通过生长AlN缓冲层，一方面，可以为后续AlN生长层提供成核点和一定的晶格生长方向；另一方面可以释放衬底与AlGaN材料之间的晶格失配和热失配，降低位错密度。
在本实施例中，所述AlN三维生长层30的厚度为500-1000nm，所述AlN三维生长层30包括多个窄而深的立方形晶柱，通过生长AlN三维生长层，可以形成窄而深的立方形晶柱，为后续AlN二维恢复层提供良好的模板；当AlN三维生长层的厚度过薄，则会导致其表面较为疏松和粗糙，不能为后续外延结构的生长提供一个好的模板；若当AlN三维生长层的厚度过厚，则会导致其表面过于致密，同样不利于后续外延结构的生长，无法减少外延层中的晶格缺陷。示例性的，所述AlN三维生长层30的厚度为800nm。
在本实施例中，所述AlN二维恢复层40的厚度可以为2000-3000nm，通过生长AlN二维恢复层40，一方面可以继续填平图形化的蓝宝石衬底，利于后续结构的生长；示例性的，所述AlN二维恢复层40的厚度可以为2500nm。
请一并参阅图5，一种紫外发光二极管的外延片的制作方法，可以包括如下步骤：
首先需要说明的是，本发明实施例中以MOCVD工艺进行半导体材料的生长时，采用高纯H2作为载气，分别采用TEGa或TMGa、TMAl、TMIn和NH3 分别作为Ga源、Al源、In源和N源，并可以分别采用SiH4 和Cp2Mg作为n型和p型掺杂剂，当然，还可以采用TeESi(四乙基硅)和Si2H6作为Si源，当然，也可以采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片的生长。
S10、提供衬底10。
具体地，所述衬底10可以是蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底等，本实施例选用图形化蓝宝石衬底，蓝宝石衬底是一种常见的衬底，技术成熟，成本低。
S20、在衬底10上生长形成AlN缓冲层20。
步骤S20具体包括：
S21）将蓝宝石衬底放置在PVD反应腔内，将PVD设备的反应腔内温度调整至400-700℃，调整溅射功率为3000-5000W，调整压力为1-10torr，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-30nm的AlN缓冲层20；
S22）将生长有AlN缓冲层20的衬底传入MOCVD设备的反应腔内，将反应腔内的温度设置为1000℃-1100℃、压力设置为200torr-500torr，然后在氢气气氛中退火处理10分钟，以去除衬底上的水气及表面附着物（脱氧过程）；然后进行下一步外延生长。
S30、在AlN缓冲层20上生长AlN三维成核层30。
具体地，所述AlN三维生长层30的厚度为500-1000nm，所述AlN三维生长层30包括多个窄而深的立方形晶柱。
S40、在AlN三维成核层30上生长AlN二维恢复层40。
具体地，所述AlN二维恢复层40 的厚度可以为2000-3000nm，示例性的，所述AlN二维恢复层40的厚度为2500nm。
具体地，所述AlN二维恢复层40的生长温度可以为1100℃-1300℃，生长压力为50-150torr，生长时间可以为20-40分钟；示例性的，所述AlN二维恢复层40的生长温度为1200℃，生长压力为100torr。
S50、在AlN二维恢复层40上生长AlGaN以形成n型半导体层50。
具体地，所述n型半导体层50可以包含有层叠设置的n型AlmGa1-mN层51和 n型AlnGa1-nN层52，1＞m＞n＞0。具体地，n型AlmGa1-mN层51的厚度可以为500-1000nm，所述n型AlnGa1-nN层52的厚度可以为1500-2500nm，所述n型半导体层50中n型AlmGa1-mN层51和 n型AlnGa1-nN层52的Si的掺杂浓度可以为1019 -1020 cm-3 ；所述n型AlmGa1-mN层51中的Al组分含量为50at.%~70at.%，n型AlGaN 中n型AlnGa1-nN层52中的Al组分含量为40at.%~60at.%。
S60、在n型半导体层50上生长发光层（MQW发光层）60。
具体地，所述发光层60可以包括阱、垒相互交替层叠的4-6个周期的AlaGa1-aN阱层61和AlbGa1-bN垒层62，0.3≤a≤0.5，0.5≤b≤0.8，其中，所述AlaGa1-aN阱层61的厚度可以为2-4nm，所述AlbGa1-bN垒层62的厚度可以为10-15nm，示例性的，所述AlaGa1-aN阱层61的厚度为2.5nm，AlbGa1-bN垒层62的厚度为12nm。
具体地，所述AlaGa1-aN阱层61的生长温度可以为900-1000℃，生长压力可以为100-200torr；所述AlbGa1-bN垒层62的生长温度可以为1000-1100℃，生长压力可以为50-150torr；示例性的，所述AlaGa1-aN阱层61的生长温度为950℃，AlbGa1-bN垒层62的生长温度为1050℃，AlaGa1-aN阱层61和AlbGa1-bN垒层62的生长压力均为100torr。
S70、在发光层60上生长p型半导体层70，从而形成外延片。
具体的，所述p型半导体层70可以包括依次层叠设置的p型电子阻挡层71、p型空穴提供层72和p型欧姆接触层73，所述p型电子阻挡层71和p型欧姆接触层73可以采用本领域技术人员已知的生长工艺进行生长获得，在此不再赘述，如下将重点说明p型空穴提供层72的制作方法。
具体的，所述p型空穴提供层72的制作方法包括：
S71）、将生长完p型电子阻挡层71的外延结构转移至MOCVD设备的反应腔内，向所述反应腔内通入铝源、镓源和氮源，以生长AlGaN材料，生长时间为20-30s，且在生长过程中，使反应腔内的温度由1200℃以50-100℃/min的降温速度逐渐降低1000℃，使反应腔内的压力由100torr以100-200torr/min的升压速度逐渐升高至250torr，从而形成厚度为15-20nm的AlxGa1-xN层，0＜x≤0.5，并以所述AlxGa1-xN层作为第一子层；
所述AlxGa1-xN层中的Al组分含量沿第一方向（也可以理解为AlxGa1-xN层的生长方向）逐渐降低；
S72）、停止向所述反应腔内通入铝源、镓源（需要说明的是，反应腔内还留存有铝源和镓源），保持氮源的连续通入，并向反应腔内通入Mg源，以在AlxGa1-xN层上生长调制p型掺杂的AlGaN材料，生长时间为50-80s，且在生长过程中，使反应腔内的温度保持在1200℃左右、压力保持在100tor左右，从而形成厚度为5-10nm的p型AlyGa1-yN层，0.5≤y＜1，并以所述p型AlyGa1-yN层作为第二子层；
所述p型AlyGa1-yN层的Mg掺杂浓度为1×1019-1×1020 cm-3，所述p型AlyGa1-yN层中的Al组分是均为分布的，且所述AlyGa1-yN层中的Al组分的平均含量大于AlxGa1-xN层中的Al组分的平均含量；所述AlxGa1-xN层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在AlxGa1-xN层靠近p型AlyGa1-yN层的界面处形成第一压电极化场；
S73）、继续向所述反应腔内通入铝源、镓源，并保持氮源的连续通入，以在p型AlyGa1-yN层上继续生长AlGaN材料，生长时间为20-30s，且在生长过程中，使反应腔内的温度由1000℃以50-100℃/min的升温速度逐渐升高至1200℃，使反应腔内的压力由250torr以100-200torr/min的降压速度逐渐降低至100torr，从而形成厚度为15-20nm的AlzGa1-zN层，0＜z≤0.5，并以所述AlzGa1-zN层作为第三子层；
所述AlzGa1-zN层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，所述AlzGa1-zN层中的Al组分的平均含量小于p型AlyGa1-yN层中的Al组分的平均含量；所述AlzGa1-zN层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在AlzGa1-zN层靠近p型AlyGa1-yN层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反；其中，所述第一方向与第二方向相反，第一方向为p型电子阻挡层指向p型欧姆接触层的方向；
S74）、重复S71）- S73）1-30次，优选为20-30次。
具体的，所述生长的p型空穴提供层的第一子层和第三子层的过程中，前驱体III族源（TMAl和TMGa）和V族源（NH3）是一直通入的，而第二子层在生长过程中前驱体III族源（TMAl和TMGa）是关闭的，仅仅通人V族源和P型掺杂剂Mg源，因此，第二子层的生长条件是富氮环境、V/III比较大且Ga-N键能较Al-N键能低，Ga原子更容易从晶格中脱附，这有利于Mg并入到大量三族元素Ga和一些Al原子的晶格点处而形成MgGa 和MgAl，从而提高了Mg的并入效率，另外，由于Ga原子脱附能力较强，所以在此条件下生长的第二子层晶格内的Al/Ga比较大，即Al组分较第一子层和第二子层的平均Al含量高。
具体的，在完成p型半导体层70的生长后，可以在氮气气氛中对形成的外延片进行退火处理，退火温度为750-800℃，退火处理时间为20-30分钟。
具体的，经过测试，本实施例中获得的外延片的空穴浓度达到了（5-8）*1018cm-3，与传统的P-GaN空穴注入层相比，其空穴浓度提升了1个数量级的水平。采用本实施例中的发光二极管的外延片制作而成的LED芯片，在同电流密度的测试条件下，其发光亮度提升了约20at.%-30at.%。
本发明提供的一种发光二极管的外延片中的p型空穴提供层的第一子层中Al组分含量随着沿生长方向逐渐降低，在第一子层和第二子层的界面会形成最大的压电极化场，诱导了第一子层和第二子层界面能带的较大弯曲，这导致第二子层中的受主能级与第一子层的子带能级非常接近，这为第二子层中Mg的活化提供了能量上的可能性；进一步的，第二子层的生长条件是富氮环境，V/III比较大且Ga-N键能较Al-N键能低，Ga原子更容易从晶格中脱附，这有利于Mg并入到大量II族元素Ga和一些Al原子的晶格点处形成MgGa 和MgAl，从而提高了Mg的并入效率。
本发明提供的一种发光二极管的外延片的p型空穴提供层的第二子层中Mg的大量并入抬升了第二子层的价带能级，导致第一子层和第二子层的价带带阶变小，空穴注入势垒降低，从而改善了空穴注入的能力，有利于更多的空穴注入到多量子阱有源区，进一步提高了电子和空穴的辐射复合。此外，本发明提供的一种发光二极管的外延片的p型空穴提供层的第三子层中Al组分含量随着沿生长方向逐渐升高，这同样诱导了第二子层和第三子层界面能带的较大弯曲，有利于Mg的进一步活化。
本发明提供的一种发光二极管的外延片的p型空穴提供层的第三子层内部引起的压电场与第一子层中内部引起的压电场方向相反，会抵消部分第一子层内部产生的较大应变，有利于控制整个p型空穴提供层的压电场，避免了p型空穴提供层较大应变场的产生。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管的外延片，包括沿第一方向依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层，所述p型半导体层包括沿第一方向依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层，其特征在于：
所述p型空穴提供层由含有Al的III族氮化物形成，且所述p型空穴提供层包括至少一个周期结构，每一周期结构包括沿第一方向依次层叠设置的第一子层、第二子层和第三子层；
所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低，所述第一子层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场，所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，所述第三子层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反，所述第二方向与第一方向相反；
所述第二子层中的Al组分均匀分布，且所述第二子层中的Al组分的平均含量大于所述第一子层、第三子层中任一者的Al组分的平均含量。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于：所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向由50at.%逐渐降低至30at.%，所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向由30at.%逐渐升高至50at.%，所述第二子层中的Al组分含量在60at.%以上。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管的外延片，其特征在于：所述第一子层为AlxGa1-xN层、第二子层为AlyGa1-yN层、第三子层为AlzGa1-zN层，0＜x≤0.5，0.5≤y＜1，0＜z≤0.5；和/或，所述第二子层的p型掺杂浓度为1×1019-1×1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于：所述第一子层和第二子层的界面处还形成有只能在平面内移动的二维电子气，所述第三子层和第二子层的界面处还形成有只能在平面内移动的二维空穴气；
和/或，所述第一子层的厚度为15-20nm；
和/或，所述第二子层的厚度为5-10nm；
和/或，所述第三子层的厚度为15-20nm；
和/或，所述p型空穴提供层包括20-30个周期结构。
5.如权利要求1-4中任一项所述的发光二极管的外延片的制作方法，包括制作沿第一方向依次层叠的n型半导体层、发光层和p型半导体层的步骤，所述p型半导体层包括沿第一方向依次层叠的p型电子阻挡层、p型空穴提供层和p型欧姆接触层；其特征在于，所述p型空穴提供层的制作方法包括：
1）在第一生长温度、第一生长压力条件下生长含有Al的III族氮化物，以形成第一子层，并使所述第一子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐降低；
2）在第二生长温度、第二生长压力条件下，于所述第一子层上生长含有Al的III族氮化物，以形成第二子层，并使所述第二子层中的Al组分的平均含量大于第一子层中的Al组分的平均含量，以使所述第一子层内由压缩应变引起的压电极化沿第一方向逐渐增强并在第一子层与第二子层的界面处形成第一压电极化场；
3）在第三生长温度、第三生长压力条件下，于所述第二子层上生长含有Al的III族氮化物，以形成第三子层，并使所述第三子层中的Al组分含量沿第一方向逐渐升高，且使所述第三子层中的Al组分的平均含量小于第二子层中的Al组分的平均含量，以使所述第三子层内由拉伸应变引起的压电极化沿第二方向逐渐增强并在第三子层与第二子层的界面处形成第二压电极化场，所述第一压电极化场与第二压电极化场的大小相同而方向相反，所述第一方向与第二方向相反。
6.根据权利要求5所述的发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于：所述第一生长温度为1000-1200℃、第一生长压力为100-250torr；所述第二生长温度为1200℃、第二生长压力为100torr；第三生长温度为1000-1200℃、第三生长压力为100-250torr。
7.根据权利要求5或6所述的发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述步骤1）具体包括：在生长所述第一子层的过程中，使所述第一生长温度以50℃/min-100℃/min的降温速度由1200℃逐渐降低至1000℃，第一生长压力以100-200torr/min的升压速度由100torr逐渐升高至250tor；
所述步骤2）具体包括：在生长形成所述第二子层的过程中，使所述第二生长温度和第二生长压力保持恒定；
所述步骤3）具体包括：在生长形成所述第三子层的过程中，使所述第三生长温度以50℃/min-100℃/min的升温速度由1000℃逐渐升高至1200℃，生长压力以100-200torr/min的降压速度由250torr逐渐降低至100torr。
8.根据权利要求7所述的发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述第一子层为AlxGa1-xN层、第二子层为AlyGa1-yN层、第三子层为AlzGa1-zN层，0＜x≤0.5，0.5≤y＜1，0＜z≤0.5，并且所述的制作方法具体包括：在生长所述第一子层和第三子层的过程中，连续提供铝源、镓源和氮源，以及，在生长所述第二子层的过程中，停止提供铝源、镓源，而继续提供氮源；其中，所述第二子层的生长时间大于第一子层和第三子层任一者的生长时间。
9.根据权利要求8所述的发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，所述第一子层和第三子层的生长时间均为20-30s，所述第二子层的生长时间为50-80s。
10.根据权利要求5所述的发光二极管的外延片的制作方法，其特征在于，具体包括：重复步骤1）-步骤3）两次以上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211581456.2A CN115588723B (zh) | 2022-12-10 | 2022-12-10 | 发光二极管的外延片及其制作方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211581456.2A CN115588723B (zh) | 2022-12-10 | 2022-12-10 | 发光二极管的外延片及其制作方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115588723A CN115588723A (zh) | 2023-01-10 |
| CN115588723B true CN115588723B (zh) | 2023-02-21 |
Family
ID=84782965
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211581456.2A Active CN115588723B (zh) | 2022-12-10 | 2022-12-10 | 发光二极管的外延片及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115588723B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116454184B (zh) * | 2023-06-16 | 2023-09-29 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种高光效led外延片及其制备方法、led |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109192829B (zh) * | 2018-07-09 | 2020-12-01 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其生长方法 |
| CN110600595A (zh) * | 2019-09-19 | 2019-12-20 | 深圳市洲明科技股份有限公司 | 铝镓氮基紫外led外延结构及紫外led灯 |
| CN115241337A (zh) * | 2022-07-04 | 2022-10-25 | 开发晶照明（厦门）有限公司 | 发光二极管 |
| CN115347098B (zh) * | 2022-10-18 | 2023-01-31 | 江西兆驰半导体有限公司 | 低工作电压发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 |
-
2022
- 2022-12-10 CN CN202211581456.2A patent/CN115588723B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115588723A (zh) | 2023-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101488550B (zh) | 高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED的制造方法 | |
| CN108365069B (zh) | 一种高亮度v型极化掺杂深紫外led制备方法 | |
| KR102191213B1 (ko) | 자외선 발광 소자 | |
| CN105633235B (zh) | 一种n型GaN结构的GaN基LED外延结构及生长方法 | |
| CN101488548A (zh) | 一种高In组分多InGaN/GaN量子阱结构的LED | |
| CN110246938B (zh) | 发光器件 | |
| CN114597293B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN106299052B (zh) | 一种用于LED的GaN外延结构以及制备方法 | |
| CN115799416A (zh) | 一种深紫外发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN108831974B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN109103303B (zh) | 一种发光二极管外延片的制备方法及发光二极管外延片 | |
| CN116014043B (zh) | 深紫外发光二极管外延片及其制备方法、led | |
| CN105206726A (zh) | 一种led结构及其生长方法 | |
| CN114256395B (zh) | 一种led外延片、外延生长方法及led芯片 | |
| KR20100122516A (ko) | 질화물 반도체 발광 소자 | |
| CN115020558B (zh) | 一种高复合效率的发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN106972085A (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN115832131A (zh) | 深紫外发光二极管外延片及其制备方法、深紫外发光二极管 | |
| CN115588723B (zh) | 发光二极管的外延片及其制作方法 | |
| CN114256394B (zh) | 一种发光二极管及其制备方法 | |
| CN109346568B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| KR100616516B1 (ko) | 질화갈륨계 반도체 발광소자 및 그 제조방법 | |
| CN104465916A (zh) | 氮化镓发光二极管外延片 | |
| CN114464709B (zh) | 一种led外延片、外延生长方法及led芯片 | |
| CN113594317B (zh) | 降低工作电压的紫外发光二极管外延片及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |