CN115995516A - 一种外延片、外延片制备方法及led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外延片、外延片制备方法及LED芯片，所述外延片包括衬底，依次层叠在所述衬底上的AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层、复合层、多量子阱层、电子阻挡层以及p型掺杂的GaN层，所述复合层包括周期性交替层叠在所述应力释放层上的第一复合子层和第二复合子层，其中，所述第一复合子层为AlGaN层，所述第二复合子层为AlN层。本发明解决了现有技术中的LED芯片在热态下发光效率低的问题。
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、外延片制备方法及LED芯片。
背景技术
LED芯片是一种能发光的半导体电子元件，具有体积小、亮度高、能耗小等特点，被广泛应用于照明等领域。LED芯片由LED外延片经过一定的制作工艺得到。LED外延片包括衬底及在衬底上生长的外延层。
目前，常使用蓝宝石、硅或碳化硅等材料作为衬底。随着不同应用领域的扩展，一些灯具产品会在高温下工作（比如照明筒灯，景观灯丝照明等），随着工作时间的增长，器件会产生热量，导致器件温度升高。随着温度的升高，LED的发光效率会下降，因此提升热态下的发光效率成为当下重要的技术课题。
由于LED芯片在热态下电子具有更高的热动能，相较冷态下会比较活跃，因此比较容易溢流，从而降低与空穴的复合效率，导致发光效率降低。因此，亟待提出一种能在热态下保持发光效率的LED芯片外延片及制备方法。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种外延片、外延片制备方法及LED芯片，旨在解决现有技术中的外延片在热态状态下发光效率低的问题。
本发明实施例是这样实现的：
一方面，本发明提出一种外延片，包括衬底，依次层叠在所述衬底上的AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层、复合层、多量子阱层、电子阻挡层以及p型掺杂的GaN层，所述复合层包括周期性交替层叠在所述应力释放层上的第一复合子层和第二复合子层，其中，所述第一复合子层为AlGaN层，所述第二复合子层为AlN层，所述AlGaN层中Al组分为5%~30%，生长气氛为氮气、氢气以及氨气的混合气体，所述AlN层的厚度为1nm~3nm，生长气氛为氮气和氨气的混合气体。
另外，根据本发明提出的外延片，还可以具有如下的附加技术特征：
进一步的，所述第一复合子层的厚度为5nm~10nm。
进一步的，所述第一复合子层的厚度为6nm，所述第二复合子层的厚度为2nm。
进一步的，所述第一复合子层和第二复合子层的生长周期为5~10。
进一步的，所述第一复合子层和第二复合子层的生长周期均为7。
另一方面，本发明提出一种外延片制备方法，用于制备上述的外延片，所述方法包括：
提供一衬底；
依次在所述衬底上生长AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层；
在所述应力释放层上周期性交替生长第一复合子层和第二复合子层以形成复合层；
在所述复合层上依次生长多量子阱层、电子阻挡层以及p型掺杂的GaN层；
其中，所述第一复合子层为AlGaN层，所述第二复合子层为AlN层，所述AlGaN层中Al组分为5%~30%，生长气氛为氮气、氢气以及氨气的混合气体，所述AlN层的厚度为1nm~3nm，生长气氛为氮气和氨气的混合气体。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述复合层的生长温度为900℃~1000℃。
进一步的，上述外延片制备方法，其中，所述复合层的生长压力为200torr~300torr。
再一方面，本发明提出一种LED芯片，包括上述的外延片。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
由于电子浓度远远大于空穴浓度，在量子阱里电子和空穴复合才会发光，因此能够在量子阱里和电子复合的空穴浓度高低就决定了发光效率的高低。然而在热态下电子有更高的热动能，会有更多的电子溢流至P型层和空穴复合，此部分的复合为非辐射复合不能发光，因此大大的降低了发光效率。本发明在应力释放层和多量子阱层中间引入复合层，因为复合层为AlGaN/AlN交替生长结构，可以利用Al的势垒较高的优势，通过多重势垒保障实现降低电子的迁移率，减少电子溢流的目的，并且，将AlGaN层中Al组分设置在5%~30%，生长气氛设置为氮气、氢气以及氨气的混合气体，避免生长的AlGaN层由于Al组分太低起不到阻挡电子的作用，组分太高产生裂纹，AlN层中的Al组份高于AlGaN层的Al组分，进一步的加强阻挡电子的作用，并将AlN层的厚度限定在1nm~3nm，避免生长产生裂纹，影响后续层的生长，另外由于Al原子比较活跃，预反应强烈，生长气氛设置为氮气以及氨气的混合气体，保障AlN层的生长质量，其中，先长AlGaN层再长AlN层也是可以更好的起到由GaN层过渡到AlN层的衔接作用，最终提高了发光效率。
附图说明
图1为本发明一实施例当中的外延片的结构示意图；
图2为本发明一实施例当中的外延片制备方法的流程图；
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
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。
本发明实施例针对外延片在热态下的发光效率低的问题，提出了一种外延片、外延片制备方法及LED芯片，其中：
请参阅图1，所示为本发明一实施例当中提出的外延片的结构示意图，该外延片包括：
衬底1，依次层叠在衬底1上的AlN层2、缓冲层3、三维生长的GaN层4、不掺杂的GaN层5、n型掺杂的GaN层6、应力释放层7、复合层8、多量子阱层9、电子阻挡层10以及p型掺杂的GaN层11。
其中，复合层8包括周期性交替层叠在应力释放层上的第一复合子层81和第二复合子层82，其中，第一复合子层81为AlGaN层，第二复合子层82为AlN层。
具体的，AlGaN层中Al组分为5%~30%，生长气氛为氮气、氢气以及氨气的混合气体，AlN层的厚度为1nm~3nm，生长气氛为氮气和氨气的混合气体。
可以理解的，由于电子浓度远远大于空穴浓度，在量子阱里电子和空穴复合才会发光，因此能够在量子阱里和电子复合的空穴浓度高低就决定了发光效率的高低。然而在热态下电子有更高的热动能，会有更多的电子溢流至P型层和空穴复合，此部分的复合为非辐射复合不能发光，因此大大的降低了发光效率。本发明在应力释放层和多量子阱层中间引入复合层8，因为复合层8为AlGaN/AlN交替生长结构，可以利用Al的势垒较高的优势，通过多重势垒保障实现降低电子的迁移率，减少电子溢流的目的。
另外，将AlGaN层中Al组分设置在5%~30%，生长气氛设置为氮气、氢气以及氨气的混合气体，避免生长的AlGaN层由于Al组分太低起不到阻挡电子的作用，组分太高产生裂纹，AlN层中的Al组份高于AlGaN层的Al组分，进一步的加强阻挡电子的作用，并将AlN层的厚度限定在1nm~3nm，通过厚度的设定保障阻挡电子的作用的前提下，避免生长产生裂纹，影响后续层的生长，另外，由于AlN层中的Al原子比较活跃，预反应强烈，生长气氛设置为氮气以及氨气的混合气体，进一步的保障AlN层的生长质量，其中，先长AlGaN层再长AlN层也是可以更好的起到由GaN层过渡到AlN层的衔接作用，最终提高了发光效率。
具体的，衬底1可以是蓝宝石衬底；
其中，AlN层2的厚度可以是10nm~30nm，该层是在PVD设备中生长。
其中，缓冲层3的厚度可以是15nm～35nm，主要也是生长的GaN层；从缓冲层3开始是在MOCVD设备中生长。
其中，三维生长的GaN层4的厚度可以是500nm~2000nm；
其中，不掺杂的GaN层5的厚度可以是800nm～1200nm；
其中，n型掺杂的GaN层6的厚度为1000nm～3000nm，该层提供电子；
其中，应力释放层7可以是InGaN层和GaN层交替生长的周期性结构；
其中，多量子阱层9可以是InGaN层和GaN层交替生长的周期性结构；InGaN层的厚度可以是2nm～4nm，GaN层的厚度可以是8nm～10nm；
其中，电子阻挡层10可以是AlGaN层和GaN层交替生长的周期性结构，厚度可以是10nm~60nm；
其中，p型掺杂的GaN层11为厚度为5nm~100nm，该层提供空穴；
更具体的，第一复合子层81的厚度为5nm~10nm，例如5nm、6nm以及10nm等，第二复合子层82的厚度为1nm~3nm，例如1nm、2nm以及3nm等，第一复合子层81和第二复合子层82的生长周期为5~10，例如5、7以及10等。
请参阅图2，另一方面，本发明实施例提出的外延片制备方法，用于制备上述的外延片，所述外延片制备方法包括步骤S10~S13。
步骤S10，提供一衬底。
其中，衬底包括但不限于蓝宝石、硅或碳化硅衬底，在本实施例当中，衬底为蓝宝石衬底。
步骤S11，依次在所述衬底上生长AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层。
其中，AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层与现有技术中AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层生长过程无异，这不予赘述。
步骤S12，在所述应力释放层上周期性交替生长第一复合子层和第二复合子层以形成复合层。
具体的，通常温度在900℃~1000℃，压力在200torr~300torr，N2/H2做为载气，NH3做为反应气，TEGa/TMAl做为源，通入TEGa和TMAl生长AlGaN层以在应力释放层上形成第一个第一复合子层，N2做为载气，NH3做为反应气，只通入TMAl生长AlN层以在第一复合子层生长第二复合子层，重复循环生长，一般在5~10个周期，以形成复合层，在生长过程中，通过TEGa/TMAl流量设定控制厚度，一般AlGaN层厚度在5~10nm，AlN层厚度在1~3nm。
步骤S13，在所述复合层上依次生长多量子阱层、电子阻挡层以及p型掺杂的GaN层。
其中，电子阻挡层可以是AlGaN层和GaN层交替生长的周期性结构，厚度可以是10~60nm，量子阱层可以是InGaN层和GaN层交替生长的周期性结构，InGaN层的厚度可以是2～4nm，GaN层的厚度可以是8～10nm。
另一方面，本发明实施例提出的LED芯片，包括上述的外延片。
为了便于理解本发明，下面将参照相关实施例对本发明进行更全面的描述。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。
实施例一
提供一衬底；
在PVD设备内，在衬底上生长AlN层；
在MOCVD设备内，依次生长缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层、复合层、多量子阱层、电子阻挡层以及P型掺杂的GaN层；
其中，复合层的生长温度为900~1000℃、生长温度为200~300torr、H2流量为20L/min、N2流量为160L/min、NH3流量为140L/min、第一复合子层（AlGaN层）的生长厚度为5nm、第二复合子层（AlN层）的生长厚度为1nm、第一复合子层和第二复合子层的生长周期为5。
实施例二
本发明实施例二也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
第一复合子层和第二复合子层的生长周期为7。
实施例三
本发明实施例三也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
第一复合子层和第二复合子层的生长周期为10。
实施例四
本发明实施例四也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
第一复合子层（AlGaN层）的生长厚度为6nm、第二复合子层（AlN层）的生长厚度为2nm、第一复合子层和第二复合子层的生长周期为7。
实施例五
本发明实施例五也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
第一复合子层（AlGaN层）的生长厚度为7nm、第二复合子层（AlN层）的生长厚度为2nm、第一复合子层和第二复合子层的生长周期为7。
实施例六
本发明实施例六也提出一种外延片制备方法，本实施例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
第一复合子层（AlGaN层）的生长厚度为7nm、第二复合子层（AlN层）的生长厚度为3nm、第一复合子层和第二复合子层的生长周期为7。
为了与本发明上述实施例进行对比，本发明实施例还提出以下对照例。
对照例一
本发明对照例一也提出一种外延片制备方法，本对照例当中的外延片制备方法与实施例一当中的外延片制备方法的不同之处在于：
在应力释放层与多量子阱层之间不生长复合层。
请参阅下表一，所示为本发明上述实施例一至实施例六及对照例一对应的参数。
表一
其中，在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例一至实施例六、及对照例一所对应的制备方法及参数制备得到对应的外延片，并对各实施例制备得到的外延片以及对照例中制备的外延片分别不同温度下进行芯片亮度测试，测试数据如下表二所示。
需要说明的是，为了保证验证结果的可靠性，本发明上述实施例一至实施例六、及对照例一对应制备外延片时除上述参数不同以外、其它都应当相同，例如外延片的每一层的制备工艺及参数都应当保持一致，以及复合层的生长温度、生长压力、H2流量（L/min）、N2流量（L/min）、NH3流量（L/min）。
表二
结合上述表一和表二的数据可以明显看出，本发明实施例在在应力释放层和多量子阱层中间引入复合层，因为复合层为AlGaN/AlN交替生长结构，Al的势垒较高，可以降低电子的迁移率，减少电子溢流，从而提高了发光效率。
另外，分别结合实施例一至实施例三、实施例四和实施例五以及实施例五和实施例六可以明显看出，合适的生长厚度以及生长周期对提高外延片的热态发光效率有着促进作用，且在第一复合子层的厚度为6nm，第二复合子层的厚度为2nm，生长周期为7时表现最佳。
对照例一中，未在应力释放层与多量子阱层之间生长复合层，在热态下电子有更高的热动能，会有更多的电子溢流至P型层和空穴复合，此部分的复合为非辐射复合不能发光，因此大大的降低了发光效率。
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 (9)
1.一种外延片，包括衬底，依次层叠在所述衬底上的AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层以及p型掺杂的GaN层，其特征在于，所述应力释放层与多量子阱层之间设有复合层，所述复合层包括周期性交替层叠在所述应力释放层上的第一复合子层和第二复合子层，其中，所述第一复合子层为AlGaN层，所述第二复合子层为AlN层，所述AlGaN层中Al组分为5%~30%，生长气氛为氮气、氢气以及氨气的混合气体，所述AlN层的厚度为1nm~3nm，生长气氛为氮气和氨气的混合气体。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一复合子层的厚度为5nm~10nm。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述第一复合子层的厚度为6nm，所述第二复合子层的厚度为2nm。
4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一复合子层和第二复合子层的生长周期均为5~10。
5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，所述第一复合子层和第二复合子层的生长周期均为7。
6.一种外延片制备方法，用于制备权利要求1至5中任一项所述的外延片，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
依次在所述衬底上生长AlN层、缓冲层、三维生长的GaN层、不掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN层、应力释放层；
在所述应力释放层上周期性交替生长第一复合子层和第二复合子层以形成复合层；
在所述复合层上依次生长多量子阱层、电子阻挡层以及p型掺杂的GaN层；
其中，所述第一复合子层为AlGaN层，所述第二复合子层为AlN层，所述AlGaN层中Al组分为5%~30%，生长气氛为氮气、氢气以及氨气的混合气体，所述AlN层的厚度为1nm~3nm，生长气氛为氮气和氨气的混合气体。
7.根据权利要求6所述的外延片制备方法，其特征在于，所述复合层的生长温度为900℃~1000℃。
8.根据权利要求6或7所述的外延片制备方法，其特征在于，所述复合层的生长压力为200torr~300torr。
9.一种LED芯片，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的外延片。
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