CN116014041A - 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents
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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。发光二极管外延片包括衬底和依次设于所述衬底上的形核层、本征GaN层、N‑GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P‑GaN层,所述多量子阱层为周期性结构,每个周期均包括势阱层和势垒层;所述势垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,其中,所述第一子层为依次层叠的第一GaO层和MgGaN层,所述第二子层为GaN层,所述第三子层为第二GaO层。实施本发明,可提升发光二极管的发光效率、降低工作电压。
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
目前,GaN基发光二极管已经大量应用于固态照明领域以及显示领域,吸引越来越多的人关注。外延结构对发光二极管的光电性能具有很大影响。在发光二极管外延片中,多量子阱层是发光的核心结构,传统的多量子阱层为InGaN量子阱层和GaN量子垒层的周期性层叠结构,其还存在以下问题:(1)很多载流子在势阱层还来不及复合,就有“逃逸”出势阱层的现象,尤其是迁移率很高的电子,这种现象更加严重,严重影响发光效率。(2)载流子在多量子阱层扩展能力差,引起二极管工作电压高的问题。
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,其可提升发光二极管的发光效率,降低工作电压。
本发明还要解决的技术问题在于,提供一种发光二极管,其发光效率高、工作电压低。
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形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层,所述多量子阱层为周期性结构,每个周期均包括势阱层和势垒层;所述势垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,其中,所述第一子层为依次层叠的第一GaO层和MgGaN层,所述第二子层为GaN层,所述第三子层包括第二GaO层。
作为上述技术方案的改进,所述第一GaO层中Ga组分的占比为0.1-0.4,所述MgGaN层中Mg的掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3,所述第三子层中Ga组分的占比为0.1-0.4。
作为上述技术方案的改进,所述第一GaO层的厚度为1.5nm-10nm,所述MgGaN层的厚度为1.5nm-10nm,所述GaN层的厚度为2nm-4nm,所述第三子层的厚度为1.5nm-10nm。
作为上述技术方案的改进,所述第三子层还包括SiGaN层,所述SiGaN层设于所述第二GaO层之上;
所述SiGaN层中Si的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3,所述SiGaN层的厚度为1.5nm-10nm。
作为上述技术方案的改进,所述第一子层为第一GaO层和MgGaN层交替层叠形成的周期性结构,周期数为3-10;
单个所述第一GaO层的厚度为0.5nm-1nm,单个所述MgGaN层的厚度为0.5nm-1nm。
作为上述技术方案的改进,所述第三子层为第二GaO层和SiGaN层交替层叠形成的周期性结构,周期数为3-10;
单个所述第二GaO层的厚度为0.5nm-1nm,单个所述SiGaN层的厚度为0.5nm-1nm。
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:
提供衬底,在所述衬底上依次生长形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层,所述多量子阱层为周期性结构,每个周期均包括势阱层和势垒层,所述势垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,其中,所述第一子层为依次层叠的第一GaO层和MgGaN层,所述第二子层为GaN层,所述第三子层为第二GaO层。
作为上述技术方案的改进,所述第一子层的生长温度为820℃-870℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2;
所述第二子层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2;
所述第三子层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2。
作为上述技术方案的改进,所述第三子层还包括SiGaN层,所述SiGaN层设于所述第二GaO层之上,所述SiGaN层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2。
相应的,本发明还公开了一种发光二极管,其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中,势垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,其中,第一子层为依次层叠的第一GaO层和MgGaN层,第二子层为GaN层,第三子层为第二GaO层。首先,GaO材料禁带宽度大,在多量子阱层的两端采用GaO材料,提升了多量子阱层的能阶高度,加深了对载流子在势阱区的限制,防止电子和空穴对还来不及复合就“逃逸”出去的现象,提升发光效率。其次,第一子层中的MgGaN层可提高空穴浓度,增加注入势阱层中的载流子浓度,提高发光效率,并且MgGaN材料可增加势垒层的电导率,减少电阻,降低二极管的工作电压。
2. 本发明的发光二极管外延片中,第三子层还包括SiGaN层,SiGaN层设于第二GaO层之上。基于这种设置,一方面,势垒层的两端分别为P型掺杂和N型掺杂,本身可以产生部分载流子,增加注入势阱层中的载流子浓度,提高发光效率,并且,第二子层可以隔开P型掺杂和N型掺杂,避免N型和P型掺杂互相扩散,影响多量子阱层载流子注入;另一方面,SiGaN材料可进一步增加势垒层的电导率,减少电阻,降低工作电压。
3. 本发明的发光二极管外延片中,第一子层为交替生长的周期性结构。基于这种设置,首先,第一子层的超晶格结构可产生内建电场,形成二维电子气,增加载流子的迁移率,增加载流子的扩展,提高发光效率;其次,受极化电场诱导的能带弯曲能够降低受/施主层级,尤其是对于激活能较高的Mg原子,本发明的超晶格结构增加了Mg受体活化效率,提高了空穴浓度,提高了发光效率。
4. 本发明的发光二极管外延片中,第三子层为交替生长的周期性结构。基于这种设置,第三子层的超晶格结构可产生内建电场,形成二维电子气,进一步增加载流子的迁移率,增加载流子的扩展,提高发光效率。
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势垒层的结构示意图;
图3是本发明一实施例中第一子层的结构示意图;
图4是本发明一实施例中第三子层的结构示意图;
图5是本发明另一实施例中第一子层的结构示意图;
图6是本发明另一实施例中第三子层的结构示意图;
图7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-图3,本发明公开了一种发光二极管外延片,包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。其中,多量子阱层5为周期性结构,周期数为3-15,每个周期均包括势阱层51和势垒层52。
其中,势垒层52包括依次层叠的第一子层521、第二子层522和第三子层523,其中,第一子层521为依次层叠的第一GaO层5211和MgGaN层5212,第二子层522为GaN层,第三子层523为第二GaO层。首先,GaO材料禁带宽度大,在多量子阱层5的两端采用GaO材料,提升了多量子阱层5的能阶高度,加深了对载流子在势阱区的限制,防止电子和空穴对还来不及复合就“逃逸”出去的现象,提升发光效率。其次,第一子层521中的MgGaN层可提高空穴浓度,增加注入势阱层51中的载流子浓度,提高发光效率,并且MgGaN材料可增加势垒层52的电导率,减少电阻,降低二极管的工作电压。
具体的,第一GaO层5211中Ga组分的占比为0.05-0.45。Ga组分的占比<0.05,起不到限制势阱层51中的载流子的作用;Ga组分的占比>0.45,能阶过高,影响载流子的注入。优选的,第一GaO层5211中Ga组分的占比为0.1-0.4,示例性的为0.15、0.2、0.25、0.3或0.35,但不限于此。
第一GaO层5211的厚度为1nm-12nm。厚度<1nm,起不到限制势阱层51中的载流子的作用;厚度>12nm,能阶过高,影响载流子的注入。优选的,第一GaO层5211的厚度为1.5nm-10nm,示例性的为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm,但不限于此。
具体的,MgGaN层5212中Mg的掺杂浓度为7×1014cm-3-5×1016cm-3,Mg的掺杂浓度<7×1014cm-3,产生的空穴较少,难以有效提高发光效率;Mg的掺杂浓度>5×1016cm-3,会产生过多的缺陷,成为非辐射复合中心,影响发光效率。优选的,MgGaN层5212中Mg的掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3,示例性的为2×1015cm-3、3×1015cm-3、4×1015cm-3、5×1015cm-3、6×1015cm-3、7×1015cm-3、8×1015cm-3或9×1015cm-3,但不限于此。
MgGaN层5212的厚度为1nm-12nm,其厚度<1nm,产生的空穴较少,难以有效提高发光效率;其厚度>12nm,会带来过多的缺陷。优选的,MgGaN层5212的厚度为1.5nm-10nm,示例性的为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm,但不限于此。
具体的,第二子层522的厚度为1nm-5nm,厚度<1nm,难以有效的将载流子限制在势阱区,提高发光效率;厚度>5nm,会造成载流子穿梭时间过长,影响发光效率。优选的,第二子层522的厚度为2nm-4nm,示例性的为2.5nm、2.8nm、3nm、3.5nm或3.8nm,但不限于此。
具体的,第三子层523中Ga组分的占比为0.05-0.45。Ga组分的占比<0.05,起不到限制势阱层51中的载流子的作用;Ga组分的占比>0.45,能阶过高,影响载流子的注入。优选的,第三子层523中Ga组分的占比为0.1-0.4,示例性的为0.15、0.2、0.25、0.3或0.35,但不限于此。
第三子层523的厚度为1nm-12nm。厚度<1nm,起不到限制势阱层51中的载流子的作用;厚度>12nm,能阶过高,影响载流子的注入。优选的,第三子层523的厚度为1.5nm-10nm,示例性的为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm,但不限于此。
优选的,在本发明的一个实施例中,参考图4,第三子层523包括依次层叠的第二GaO层5231和SiGaN层5232。基于这种设置,一方面,势垒层52的两端分别为P型掺杂和N型掺杂,本身可以产生部分载流子,增加注入势阱层51中的载流子浓度,提高发光效率,并且,第二子层522可以隔开P型掺杂和N型掺杂,避免N型和P型掺杂互相扩散,影响多量子阱层5载流子注入;另一方面,SiGaN材料可进一步增加势垒层52的电导率,减少电阻,降低工作电压。
具体的,SiGaN层5232中Si的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3,掺杂浓度<1×1016cm-3,难以产生足够的电子;掺杂浓度>1×1017cm-3,容易形成缺陷,形成非辐射复合中心,影响发光效率。示例性的,SiGaN层5232中Si的掺杂浓度为2×1016cm-3、3×1016cm-3、4×1016cm-3、5×1016cm-3、6×1016cm-3、7×1016cm-3、8×1016cm-3或9×1016cm-3,但不限于此。
SiGaN层5232的厚度为1.5nm-10nm,其厚度<1.5nm,产生的电子较少,难以有效提高发光效率;其厚度>10nm,会带来过多的缺陷。示例性的,SiGaN层5232的厚度为2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm,但不限于此。
优选的,参考图5,在本发明的一个实施例中,第一子层521为交替生长的周期性结构。基于这种设置,首先,第一子层521的超晶格结构可产生内建电场,形成二维电子气,增加载流子的迁移率,增加载流子的扩展,提高发光效率;其次,受极化电场诱导的能带弯曲能够降低受/施主层级,尤其是对于激活能较高的Mg原子,本发明的超晶格结构增加了Mg受体活化效率,提高了空穴浓度,提高了发光效率。
具体的,第一子层521交替生长的周期数为3-10,示例性的为4、5、6、7、8或9,但不限于此。
具体的,单个第一GaO层5211的厚度为0.5nm-1nm,示例性的为0.6nm、0.7nm、0.8nm或0.9nm,但不限于此。单个MgGaN层5212的厚度为0.5nm-1nm,示例性的为0.6nm、0.7nm、0.8nm或0.9nm,但不限于此。
优选的,参考图6,在本发明的一个实施例中,第三子层523为交替生长的周期性结构。基于这种设置,第三子层523的超晶格结构可产生内建电场,形成二维电子气,进一步增加载流子的迁移率,增加载流子的扩展,提高发光效率。
具体的,第三子层523交替生长的周期数为3-10,示例性的为4、5、6、7、8或9,但不限于此。
具体的,单个第二GaO层5231的厚度为0.5nm-1nm,示例性的为0.6nm、0.7nm、0.8nm或0.9nm,但不限于此。单个SiGaN层5232的厚度为0.5nm-1nm,示例性的为0.6nm、0.7nm、0.8nm或0.9nm,但不限于此。
其中,势阱层51为InGaN层,但不限于此。势阱层51的厚度为3nm-7nm,示例性的为4nm、5nm或6nm,但不限于此。
其中,衬底1可为蓝宝石衬底或硅衬底,但不限于此。
其中,形核层2可为AlN层和/或AlGaN层,但不限于此。形核层2的厚度为20nm-100nm,示例性的为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm或90nm,但不限于此。
其中,本征GaN层3的厚度300nm-800nm,示例性的为350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或750nm,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5×1018cm-3-1×1019cm-3,厚度为1μm-3μm。
其中,电子阻挡层6为AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层交替生长的周期性结构,周期数为3-15;其中,a为0.05-0.2,b为0.1-0.5。电子阻挡层6的厚度为30nm-200nm。
其中,P-GaN层7的掺杂元素为Mg,但不限于此。P-GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3-1×1020cm-3。P-GaN层7的厚度为5nm-60nm。
相应的,参考图7,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,其包括以下步骤:
S100:提供衬底;
优选的,在本发明的一个实施例之中,将衬底加载至MOCVD中,在1000℃-1200℃、200torr-600torr、氢气气氛下退火5min-8min,以去除衬底表面的颗粒、氧化物等杂质。
S200:在衬底上生长形核层;
具体的,可采用MOCVD生长AlGaN层作为形核层,或采用PVD生长AlN层作为形核层,但不限于此。优选的,采用MOCVD生长AlGaN层,其生长温度为500℃-700℃,生长压力为200torr-400torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
S300:在形核层上生长本征GaN层;
具体地,在MOCVD中生长本征GaN层,生长温度为1100℃-1150℃,生长压力为100torr-500torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
S400:在本征GaN层上生长N-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长N-GaN层,生长温度为1100℃-1150℃,生长压力为100torr-500torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
S500:在N-GaN层上生长多量子阱层;
具体的,在MOCVD中周期性生长势阱层和势垒层,以形成多量子阱层。其中,势阱层的生长温度为700℃-800℃,生长压力为100torr-500torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源。
具体的,在本发明的一个实施例之中,生长势垒层包括以下步骤:
S510:在势阱层上生长第一子层;
具体的,在本发明的一个实施例中,在MOCVD中周期性生长第一GaO层和MgGaN层,作为第一子层。第一子层的生长温度为820℃-870℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2;生长第一GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长MgGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源。第一子层采用较低的生长温度,避免势阱层中In组分发生解析。
S520:在第一子层上生长第二子层;
具体的,在MOCVD中生长GaN层,作为第二子层,其生长条件与本领域常见的GaN层的生长条件相同。优选的,在本发明的一个实施例之中,第二子层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源。第二子层采用较高的生长温度,提高晶格质量。
S530:在第二子层上生长第三子层;
具体的,在本发明的一个实施例中,在MOCVD中周期性生长第二GaO层和SiGaN层,作为第三子层。第三子层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2。生长第二GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长SiGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为Si源,通入TEGa作为Ga源。第三子层采用较高的生长温度,提高晶格质量。
势垒层采用N2作为载气,避免以H2作为载气,造成H2与O2发生反应,降低掺杂效率、影响设备寿命。
S600:在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,在MOCVD中周期性生长AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,作为电子阻挡层。其中,AlaGa1-aN层的生长温度900℃-1000℃,生长压力为100torr-500torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。InbGa1-bN层的生长温度900℃-1000℃,生长压力为100torr-500torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMIn作为In源,通入TMGa作为Ga源。
S700:在电子阻挡层上生长P-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为800℃-1000℃,生长压力为100torr-300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入Cp2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
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3,其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,形核层2为AlGaN层,其厚度为30nm;本征GaN层3的厚度400nm,N-GaN层4的厚度为2μm,掺杂元素为Si,Si的掺杂浓度为7×1018cm-3。
其中,多量子阱层5为周期性结构,周期数为10,每个周期为依次层叠的势阱层51和势垒层52。其中,势阱层51为InGaN层,其厚度为3nm。其中,每个势垒层52包括依次层叠的第一子层521、第二子层522和第三子层523,其中,第一子层521为依次层叠的第一GaO层5211和MgGaN层5212,第二子层522为GaN层,第三子层523为第二GaO层。其中,第一GaO层5211中Ga组分的占比为0.25,其厚度为4nm。MgGaN层5212中Mg的掺杂浓度为5×1015cm-3,其厚度为4nm。第二子层522的厚度为3nm。第三子层523中Ga组分的占比为0.25,其厚度为4nm。
其中,电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a=0.12)和InbGa1-bN层(b=0.3)交替生长的周期性结构,其周期数为8,单个AlaGa1-aN层的厚度为6nm,单个InbGa1-bN层的厚度为6nm。P-GaN层7的掺杂元素为Mg,掺杂浓度为3.5×1019cm-3,厚度为10nm。
本实施例中用于发光二极管外延片的制备方法,包括以下步骤:
(1)提供衬底;将衬底加载至MOCVD中,在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
(2)在衬底上生长形核层;
具体的,采用MOCVD生长AlGaN层,生长温度为620℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
(3)在形核层上生长本征GaN层;
具体地,采用MOCVD生长本征GaN层,生长温度为1100℃,生长压力为250torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N-GaN层;
具体地,采用MOCVD生长N-GaN层,生长温度为1120℃,生长压力为150torr;生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(5)在N-GaN层上生长多量子阱层;
具体的,在MOCVD中周期性生长势阱层和势垒层。
其中,势阱层的生长温度为750℃,生长压力为300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源,以N2作为载气,通入TMIn作为In源。
每个势垒层的制备方法为:
(Ⅰ)在势阱层上生长第一子层;
具体的,在MOCVD中依次层叠生长第一GaO层和MgGaN层,作为第一子层。第一子层的生长温度为850℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2;生长第一GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长MgGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅱ)在第一子层上生长第二子层;
具体的,在MOCVD中生长GaN层,作为第二子层,生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅲ)在第二子层上生长第三子层;
具体的,在MOCVD中生长第二GaO层,作为第三子层。第三子层的生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2。生长时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,在MOCVD中周期性生长AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,作为电子阻挡层。其中,AlaGa1-aN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。InbGa1-bN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMIn作为In源,通入TMGa作为Ga源。
(7)在电子阻挡层上生长P-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为900℃,生长压力为200torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入Cp2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片,参考图1-图4,其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,形核层2为AlGaN层,其厚度为30nm;本征GaN层3的厚度400nm,N-GaN层4的厚度为2μm,掺杂元素为Si,Si的掺杂浓度为7×1018cm-3。
其中,多量子阱层5为周期性结构,周期数为10,每个周期为依次层叠的势阱层51和势垒层52。其中,势阱层51为InGaN层,其厚度为3nm。其中,每个势垒层52包括依次层叠的第一子层521、第二子层522和第三子层523,其中,第一子层521为依次层叠的第一GaO层5211和MgGaN层5212,第二子层522为GaN层,第三子层523为依次层叠的第二GaO层5231和SiGaN层5232。其中,第一GaO层5211中Ga组分的占比为0.25,其厚度为4nm。MgGaN层5212中Mg的掺杂浓度为5×1015cm-3,其厚度为4nm。第二子层522的厚度为3nm。第二GaO层5231中Ga组分的占比为0.25,其厚度为4nm。SiGaN层5232中Si的掺杂浓度为5×1016cm-3,厚度为4nm。
其中,电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a=0.12)和InbGa1-bN层(b=0.3)交替生长的周期性结构,其周期数为8,单个AlaGa1-aN层的厚度为6nm,单个InbGa1-bN层的厚度为6nm。P-GaN层7的掺杂元素为Mg,掺杂浓度为3.5×1019cm-3,厚度为10nm。
本实施例中用于发光二极管外延片的制备方法,包括以下步骤:
(1)提供衬底;将衬底加载至MOCVD中,在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
(2)在衬底上生长形核层;
具体的,采用MOCVD生长AlGaN层,生长温度为620℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
(3)在形核层上生长本征GaN层;
具体地,采用MOCVD生长本征GaN层,生长温度为1100℃,生长压力为250torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N-GaN层;
具体地,采用MOCVD生长N-GaN层,生长温度为1120℃,生长压力为150torr;生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(5)在N-GaN层上生长多量子阱层;
具体的,在MOCVD中周期性生长势阱层和势垒层。
其中,势阱层的生长温度为750℃,生长压力为300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源,以N2作为载气,通入TMIn作为In源。
每个势垒层的制备方法为:
(Ⅰ)在势阱层上生长第一子层;
具体的,在MOCVD中依次层叠生长第一GaO层和MgGaN层,作为第一子层。第一子层的生长温度为850℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2;生长第一GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长MgGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅱ)在第一子层上生长第二子层;
具体的,在MOCVD中生长GaN层,作为第二子层,生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅲ)在第二子层上生长第三子层;
具体的,在MOCVD中依次层叠生长第二GaO层和SiGaN层,作为第三子层。第三子层的生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2。生长第二GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长SiGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为Si源,通入TEGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,在MOCVD中周期性生长AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,作为电子阻挡层。其中,AlaGa1-aN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。InbGa1-bN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMIn作为In源,通入TMGa作为Ga源。
(7)在电子阻挡层上生长P-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为900℃,生长压力为200torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入Cp2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片,参考图1、图2、图4、图5,其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,形核层2为AlGaN层,其厚度为30nm;本征GaN层3的厚度400nm,N-GaN层4的厚度为2μm,掺杂元素为Si,Si的掺杂浓度为7×1018cm-3。
其中,多量子阱层5为周期性结构,周期数为10,每个周期为依次层叠的势阱层51和势垒层52。其中,势阱层51为InGaN层,其厚度为3nm。其中,每个势垒层52包括依次层叠的第一子层521、第二子层522和第三子层523,其中,第一子层521为周期性层叠生长的第一GaO层5211和MgGaN层5212,周期数为5。第二子层522为GaN层,第三子层523为依次层叠的第二GaO层5231和SiGaN层5232。其中,第一GaO层5211中Ga组分的占比为0.25,其厚度为0.8nm。MgGaN层5212中Mg的掺杂浓度为5×1015cm-3,其厚度为0.8nm。第二子层522的厚度为3nm。第二GaO层5231中Ga组分的占比为0.25,其厚度为4nm。SiGaN层5232中Si的掺杂浓度为5×1016cm-3,厚度为4nm。
其中,电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a=0.12)和InbGa1-bN层(b=0.3)交替生长的周期性结构,其周期数为8,单个AlaGa1-aN层的厚度为6nm,单个InbGa1-bN层的厚度为6nm。P-GaN层7的掺杂元素为Mg,掺杂浓度为3.5×1019cm-3,厚度为10nm。
本实施例中用于发光二极管外延片的制备方法,包括以下步骤:
(1)提供衬底;将衬底加载至MOCVD中,在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
(2)在衬底上生长形核层;
具体的,采用MOCVD生长AlGaN层,生长温度为620℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
(3)在形核层上生长本征GaN层;
具体地,采用MOCVD生长本征GaN层,生长温度为1100℃,生长压力为250torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N-GaN层;
具体地,采用MOCVD生长N-GaN层,生长温度为1120℃,生长压力为150torr;生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(5)在N-GaN层上生长多量子阱层;
具体的,在MOCVD中周期性生长势阱层和势垒层。
其中,势阱层的生长温度为750℃,生长压力为300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源,以N2作为载气,通入TMIn作为In源。
每个势垒层的制备方法为:
(Ⅰ)在势阱层上生长第一子层;
具体的,在MOCVD中周期性层叠生长第一GaO层和MgGaN层,作为第一子层。第一子层的生长温度为850℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2;生长第一GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长MgGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅱ)在第一子层上生长第二子层;
具体的,在MOCVD中生长GaN层,作为第二子层,生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅲ)在第二子层上生长第三子层;
具体的,在MOCVD中依次层叠生长第二GaO层和SiGaN层,作为第三子层。第三子层的生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2。生长第二GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长SiGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为Si源,通入TEGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,在MOCVD中周期性生长AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,作为电子阻挡层。其中,AlaGa1-aN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。InbGa1-bN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMIn作为In源,通入TMGa作为Ga源。
(7)在电子阻挡层上生长P-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为900℃,生长压力为200torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入Cp2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管外延片,参考图1、图2、图5、图6,其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P-GaN层7。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,形核层2为AlGaN层,其厚度为30nm;本征GaN层3的厚度400nm,N-GaN层4的厚度为2μm,掺杂元素为Si,Si的掺杂浓度为7×1018cm-3。
其中,多量子阱层5为周期性结构,周期数为10,每个周期为依次层叠的势阱层51和势垒层52。其中,势阱层51为InGaN层,其厚度为3nm。其中,每个势垒层52包括依次层叠的第一子层521、第二子层522和第三子层523,其中,第一子层521为周期性层叠生长的第一GaO层5211和MgGaN层5212,周期数为5。第二子层522为GaN层,第三子层为周期性层叠生长的第二GaO层5231和SiGaN层5232,周期数为5。其中,第一GaO层5211中Ga组分的占比为0.25,其厚度为0.8nm。MgGaN层5212中Mg的掺杂浓度为5×1015cm-3,其厚度为0.8nm。第二子层522的厚度为3nm。第二GaO层5231中Ga组分的占比为0.25,其厚度为0.8nm。SiGaN层5232中Si的掺杂浓度为5×1016cm-3,厚度为0.8nm。
其中,电子阻挡层6为AlaGa1-aN层(a=0.12)和InbGa1-bN层(b=0.3)交替生长的周期性结构,其周期数为8,单个AlaGa1-aN层的厚度为6nm,单个InbGa1-bN层的厚度为6nm。P-GaN层7的掺杂元素为Mg,掺杂浓度为3.5×1019cm-3,厚度为10nm。
本实施例中用于发光二极管外延片的制备方法,包括以下步骤:
(1)提供衬底;将衬底加载至MOCVD中,在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
(2)在衬底上生长形核层;
具体的,采用MOCVD生长AlGaN层,生长温度为620℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
(3)在形核层上生长本征GaN层;
具体地,采用MOCVD生长本征GaN层,生长温度为1100℃,生长压力为250torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N-GaN层;
具体地,采用MOCVD生长N-GaN层,生长温度为1120℃,生长压力为150torr;生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(5)在N-GaN层上生长多量子阱层;
具体的,在MOCVD中周期性生长势阱层和势垒层。
其中,势阱层的生长温度为750℃,生长压力为300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源,以N2作为载气,通入TMIn作为In源。
每个势垒层的制备方法为:
(Ⅰ)在势阱层上生长第一子层;
具体的,在MOCVD中周期性层叠生长第一GaO层和MgGaN层,作为第一子层。第一子层的生长温度为850℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2;生长第一GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长MgGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅱ)在第一子层上生长第二子层;
具体的,在MOCVD中生长GaN层,作为第二子层,生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入TEGa作为Ga源。
(Ⅲ)在第二子层上生长第三子层;
具体的,在MOCVD中周期性层叠生长第二GaO层和SiGaN层,作为第三子层。第三子层的生长温度为900℃,生长压力为300torr,生长时采用的载气为N2。生长第二GaO层时,在MOCVD反应室中通入O2作为O源,通入TEGa作为Ga源。生长SiGaN层时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为Si源,通入TEGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长电子阻挡层;
具体的,在MOCVD中周期性生长AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层,作为电子阻挡层。其中,AlaGa1-aN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。InbGa1-bN层的生长温度950℃,生长压力为250torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2和H2作为载气,通入TMIn作为In源,通入TMGa作为Ga源。
(7)在电子阻挡层上生长P-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为900℃,生长压力为200torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入Cp2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片,其与实施例1的区别在于,势垒层52中不包括第一子层521,也不包括第三子层523,相应的,在制备方法中,也不设置上述两层的制备步骤,其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种发光二极管外延片,其与实施例1的区别在于,势垒层52中不包括MgGaN层5212,相应的,在制备方法中,也不设置该层制备步骤,其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种发光二极管外延片,其与实施例1的区别在于,势垒层52中不包括第一子层521,相应的,在制备方法中,也不设置该层制备步骤,其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种发光二极管外延片,其与实施例1的区别在于,势垒层52中不包括第三子层523,相应的,在制备方法中,也不设置该层制备步骤,其余均与实施例1相同。
将实施例1-4,对比例1-4所得的发光二极管外延片制备成10mil×24mil的垂直结构的芯片,测试其发光亮度和工作电压,具体测试方法如下:
(1)测试发光亮度;
(2)使用Keithley2450型数字源表进行工作电压测试。
具体结果如下:
由表中可以看出,当将传统的势垒层(对比例1)变更为本发明中的势垒层结构时,亮度由191.3mW提升至194.3mW,工作电压由3.26V降低至3.19V,表明本发明中的势垒层可提高发光效率、降低工作电压。
此外,通过实施例1与对比例2-4的对比可以看出,当变更本发明中的势垒层结构时,难以有效起到提升亮度、降低工作电压的效果。
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 (10)
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形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层,所述多量子阱层为周期性结构,每个周期均包括势阱层和势垒层;其特征在于,所述势垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,其中,所述第一子层为依次层叠的第一GaO层和MgGaN层,所述第二子层为GaN层,所述第三子层包括第二GaO层。
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GaO层中Ga组分的占比为0.1-0.4,所述MgGaN层中Mg的掺杂浓度为1×1015cm-3-1×1016cm-3,所述第三子层中Ga组分的占比为0.1-0.4。
3.如权利要求1所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述第一GaO层的厚度为1.5nm-10nm,所述MgGaN层的厚度为1.5nm-10nm,所述GaN层的厚度为2nm-4nm,所述第三子层的厚度为1.5nm-10nm。
4.如权利要求1至3任一项所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述第三子层还包括SiGaN层,所述SiGaN层设于所述第二GaO层之上;
所述SiGaN层中Si的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3,所述SiGaN层的厚度为1.5nm-10nm。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述第一子层为第一GaO层和MgGaN层交替层叠形成的周期性结构,周期数为3-10;
单个所述第一GaO层的厚度为0.5nm-1nm,单个所述MgGaN层的厚度为0.5nm-1nm。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述第三子层为第二GaO层和SiGaN层交替层叠形成的周期性结构,周期数为3-10;
单个所述第二GaO层的厚度为0.5nm-1nm,单个所述SiGaN层的厚度为0.5nm-1nm。
7.一种发光二极管外延片的制备方法,用于制备如权利要求1-6任一项所述的发光二极管外延片,其特征在于,包括:
提供衬底,在所述衬底上依次生长形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层,所述多量子阱层为周期性结构,每个周期均包括势阱层和势垒层,所述势垒层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,其中,所述第一子层为依次层叠的第一GaO层和MgGaN层,所述第二子层为GaN层,所述第三子层为第二GaO层。
8.如权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述第一子层的生长温度为820℃-870℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2;
所述第二子层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2;
所述第三子层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2。
9.如权利要求7所述的制备方法,其特征在于,所述第三子层还包括SiGaN层,所述SiGaN层设于所述第二GaO层之上,所述SiGaN层的生长温度为870℃-920℃,生长压力为100torr-500torr,生长时采用的载气为N2。
10.一种发光二极管,其特征在于,包括如权利要求1-6任一项所述的发光二极管外延片。
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2023
- 2023-03-23 CN CN202310290011.7A patent/CN116014041B/zh active Active
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