CN116154066A - 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents

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，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括依次层叠于有源层上的MoO_x层和WSe₂层，其中，x为1.8~2.5。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率。

Description

发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

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

GaN基发光二极管中，N型掺杂较P型掺杂容易的多，因此发光二极管的发光区（有源层）的电子浓度高于空穴浓度，发光区的电子常常会进入P型层中，消耗空穴，降低发光效率。现有方案中往往采用AlGaN层作为电子阻挡层，以阻挡电子进入P型层中。然而，其阻挡作用较差。因此，往往需要提升P型层中的掺杂浓度，然而重掺杂时Mg会形成Mg-N络合物，表现出施主特性，反而降低了空穴浓度，降低发光效率。

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。

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。

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，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括依次层叠于所述有源层上的MoO_x层和WSe₂层，其中，x为1.8~2.5。

作为上述技术方案的改进，所述MoO_x层的厚度为0.5nm~5nm，所述WSe₂层的厚度为0.5nm~3nm。

作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括层叠于所述WSe₂层上方的超晶格层；其中，所述超晶格层为周期性结构，周期数为2~8，每个周期均包括依次层叠的p-GaN层和n-AlGaN层。

作为上述技术方案的改进，单个所述p-GaN层的厚度为0.5nm~2nm，单个所述n-AlGaN层的厚度为0.3nm~4nm；

所述p-GaN层的掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3~1×10¹⁶cm^-3，所述n-AlGaN层的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3~5×10¹⁸cm^-3。

作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括层叠于所述超晶格层上的InGaN层，所述InGaN层的厚度为20nm~50nm。

作为上述技术方案的改进，所述InGaN层中In组分占比为0.05~0.2，所述P型GaN层的掺杂浓度为3×10²⁰cm^-3~1×10²¹cm^-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，用于制备如上述的发光二极管外延片，其包括：

提供衬底，在所述衬底上依次形成非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；其中，所述电子阻挡层包括依次层叠的MoO_x层和WSe₂层，其中，x为1.8~2.5。

作为上述技术方案的改进，所述MoO_x层通过ALD法生长，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的O源为O₃，所采用的载气为Ar，生长温度为150℃~200℃；

所述WSe₂层通过MOCVD法生长，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的Se源为DMSe，采用的载气为Ar；其生长温度为500℃~750℃，生长压力为50torr~200torr。

作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括超晶格层和InGaN层，所述超晶格层为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的p-GaN层和n-AlGaN层；

所述p-GaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为950℃~1050℃，生长压力为100torr~300torr；

所述n-AlGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为1000℃~1100℃，生长压力为100torr~300torr；

所述InGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr。

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，以依次层叠的MoO_x层和WSe₂层作为电子阻挡层。其中，MoO_x带隙宽度较大，可有效阻止电子流入P型GaN层；且MoO_x层与WSe₂层所形成的异质结结构由于波函数局域化，导致电子和空穴分离，有效防止了电子与空穴在电子阻挡层中形成非辐射复合，提升了发光二极管的发光效率。此外，MoO_x层和WSe₂层可形成二维材料堆叠，这种层与层之间的堆叠通过范德瓦尔斯力结合，缺陷态少，进一步减少了非辐射复合，提升了内量子效率，进而提升了发光效率。

2、本发明的发光二极管外延片中，电子阻挡层中还包括了p-GaN层和n-AlGaN层交替层叠形成的超晶格结构。该异质超晶格结构内压电极化产生的极化电场作用强，导致能带弯曲增加，从而产生二维空穴气，大幅提升P型GaN层所产生空穴的迁移速率，增加电子和空穴的复合几率，提升发光效率。同时，这种较强的极化电场也会增强Mg原子的激活，提升P型GaN层中Mg的掺杂浓度，提升空穴浓度。

3、本发明的发光二极管外延片中，电子阻挡层中还包括了InGaN层，一者其可填平异质超晶格结构产生的V型坑，确保P型GaN层的晶体质量。此外，In的引入可作为催化剂，进一步降低P型掺杂的激活能，提升P型GaN层中Mg的掺杂浓度。

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阻挡层的结构示意图；

图3是本发明另一实施例中电子阻挡层的结构示意图；

图4是本发明又一实施例中电子阻挡层的结构示意图；

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，其包括衬底1、依次层叠于衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7；其中，电子阻挡层6包括依次层叠于有源层5上的MoO_x层61和WSe₂层62。

其中，MoO_x层61中，x取值为1.8~2.5，当x＞2.5时，MoO_x层61中载流子浓度过低，降低发光效率。当x＜1.8时，带隙宽度较窄，难以有效起到阻挡电子的作用。示例性的，x为1.9、2.1、2.2、2.3或2.4，但不限于此。

MoO_x层61的厚度为0.5nm~10nm，当其厚度＞10nm时，进入有源层5的空穴量减少，发光效率下降。当其厚度＜0.5nm时，对电子的阻挡作用差。示例性的，MoO_x层61的厚度为1nm、2nm、4nm、6nm或8nm，但不限于此。优选的，MoO_x层61的厚度为0.5nm~5nm。

其中，WSe₂层62的载流子迁移率较高，可促进空穴的流动。且其与MoO_x层61所形成的异质结结构由于波函数局域化，导致电子和空穴分离，有效防止了电子与空穴在电子阻挡层中形成非辐射复合。具体的，WSe₂层62的厚度为0.5nm~5nm，当其厚度＜0.5nm时，进入有源层5的空穴量减少，发光效率下降。当其厚度＞5nm时，电子阻挡层的非辐射复合较多，发光效率低。示例性的，WSe₂层62的厚度为0.5nm、1nm、2nm、2.5nm、3nm或4nm，但不限于此。优选的为0.5nm~3nm。

优选的，在本发明的一个实施例之中，WSe₂层62的厚度为MoO_x层61厚度的1.5~3倍，基于这种设置，可进一步提升发光效率。

优选的，参考图3，在本发明的一个实施例之中，电子阻挡层6还包括层叠于WSe₂层62上方的超晶格层63；其中，超晶格层63为周期性结构，周期数为2~8，每个周期均包括依次层叠的p-GaN层631和n-AlGaN层632。基于该超晶格层63，可将P型GaN层7的掺杂浓度提升至8×10¹⁹cm^-3以上，且不产生明显的缺陷。

其中，p-GaN层631的厚度为0.5nm~2nm，示例性的为0.7nm、1nm、1.3nm、1.5nm或1.8nm，但不限于此。p-GaN层631的掺杂元素为Mg，但不限于此。p-GaN层631的掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3~1×10¹⁶cm^-3，示例性的为3×10¹⁵cm^-3、5×10¹⁵cm^-3、6.5×10¹⁵cm^-3、8×10¹⁵cm^-3或9×10¹⁵cm^-3。

其中，n-AlGaN层632的厚度为0.3nm~4nm，示例性的为0.7nm、1.5nm、2nm、2.4nm、3nm或3.8nm，但不限于此。n-AlGaN层632的掺杂元素为Si，但不限于此。n-AlGaN层632的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3~5×10¹⁸cm^-3，示例性的为3×10¹⁷cm^-3、5×10¹⁷cm^-3、7×10¹⁷cm^-3、9×10¹⁷cm^-3或3×10¹⁸cm^-3，但不限于此。

优选的，参考图4，在本发明的一个实施例之中，电子阻挡层6还包括层叠于超晶格层63上方的InGaN层64，其厚度为20nm~50nm，示例性的为23nm、26nm、30nm、35nm、43nm或48nm。基于上述结构，可将P型GaN层7的掺杂浓度提升至3×10²⁰cm^-3~1×10²¹cm^-3。

其中，InGaN层64中In组分占比为0.05~0.2，示例性的为0.07、0.09、0.12、0.15或0.17，但不限于此。

其中，衬底1为蓝宝石衬底、硅衬底、Ga₂O₃衬底、SiC衬底或ZnO衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。

缓冲层2为AlN层或AlGaN层，但不限于此。优选的AlN层。缓冲层2的厚度为30nm~80nm，示例性的为35nm、40nm、50nm、60nm或70nm。

其中，非掺杂GaN层3的厚度为0.5μm~3μm，示例性的为0.7μm、1.1μm、1.4μm、1.7μm、2.2μm或2.6μm，但不限于此。

其中，N型GaN层4的掺杂元素为Si，但不限于此。N型GaN层4的掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3~5×10¹⁹cm^-3，厚度为1μm~3μm，示例性的为1.5μm、1.7μm、2.3μm或2.5μm，但不限于此。

其中，有源层5为周期性结构，周期数为3~15，每个周期均包括依次层叠的InGaN阱层和GaN垒层。其中，单个InGaN阱层的厚度为2nm~5nm，其In组分含量为0.12~0.25。单个GaN垒层的厚度为6nm~15nm。

其中，P型GaN层7中的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3~1×10²¹cm^-3。P型GaN层7的厚度为200nm~500nm，示例性的为220nm、240nm、300nm、400nm或450nm，但不限于此。

相应的，参考图5，本发明还提供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，其具体包括以下步骤：

S1：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℃~1100℃、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。

S2：在衬底上依次形成非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；

具体的，步骤S2包括：

S21：在衬底正面生长缓冲层；

其中，在本发明的一个实施例之中，可通过PVD法生长AlN层，作为缓冲层。在本发明的另一个实施例之中，通过MOCVD法生长AlGaN层，其生长温度为500℃~700℃，生长压力100torr~300torr。

S22：在缓冲层上生长非掺杂GaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD法生长非掺杂GaN层，其生长温度为1050℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr。

S23：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD法生长N型GaN层，其生长温度为1100℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr。

S24：在N型GaN层上生长有源层；

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD法生长周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，直至得到有源层。其中，InGaN阱层的生长温度为750℃~800℃，生长压力为100torr~500torr。GaN垒层的生长温度为850℃~900℃，生长压力为100torr~500torr。

S25：在有源层上生长电子阻挡层；

其中，步骤S25包括：

S251：在有源层上生长MoO_x层；

其中，可通过PVT法、ALD法、PECVD法生长MoO_x层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，MoO_x层通过ALD法生长，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的O源为O₃，所采用的载气为Ar，生长温度为150℃~200℃。

进一步优选的，在生长完成后，将衬底加载到MOCVD反应室中，在H₂气氛、400℃~500℃下处理1s~5s。基于上述处理，可提升MoO_x层的载流子迁移率。

S252：在MoO_x层上生长WSe₂层；

其中，可通过PVT法、MOCVD法生长WSe₂层，但不限于此。

优选的，在本发明的一个实施例之中，WSe₂层通过MOCVD法生长，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的Se源为DMSe，采用的载气为Ar；其生长温度为500℃~750℃，生长压力为50torr~200torr。

优选的，在本发明的一个实施例之中，步骤S25还包括以下步骤S253~S255。

S253：生长p-GaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，p-GaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为950℃~1050℃，生长压力为100torr~300torr。

S254：在p-GaN层上生长n-AlGaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，n-AlGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为1000℃~1100℃，生长压力为100torr~300torr。

S255：周期性重复步骤S253~S254，直至得到超晶格层；

优选的，在本发明的一个实施例之中，步骤S25还包括：

S256：在超晶格层上生长InGaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，InGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr。

S26：在电子阻挡层上生长P型GaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD法生长P型GaN层，其生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~300torr。

下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

参考图1和图2，本实施例提供一种发光二极管外延片，其包括衬底1，依次层叠于衬底1上的缓冲层2、非掺杂型GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。

其中，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2为AlN层，其厚度为40nm。非掺杂GaN层3的厚度为1.5μm。N型GaN层4的掺杂元素为Si，掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3，其厚度为2.5μm。

其中，有源层5为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的InGaN阱层和GaN垒层。InGaN阱层的厚度为3nm，In组分占比为0.2。GaN垒层的厚度为10nm。

其中，电子阻挡层6包括依次层叠于有源层5上的MoO_x层61（x=2.3）和WSe₂层62。其中，MoO_x层61的厚度为8nm，WSe₂层62的厚度为4nm。

其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，其掺杂浓度3×10¹⁹cm^-3。

本实施例中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反应室中，在1150℃、300torr、氢气气氛下退火7min。

（2）在衬底上生长缓冲层；

其中，通过PVD法生长AlN层，作为缓冲层。

（3）在缓冲层上生长非掺杂GaN层；

其中，通过MOCVD法生长非掺杂GaN层，其生长温度为1100℃，生长压力为200torr。

（4）在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；

其中，通过MOCVD法生长N型GaN层，其生长温度为1120℃，生长压力为200torr。

（5）在N型GaN层上生长有源层；

其中，通过MOCVD法生长周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，直至得到有源层。其中，InGaN阱层的生长温度为770℃，生长压力为300torr。GaN垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr。

（6）在有源层上生长MoO_x层；

其中，通过ALD法生长MoO_x层，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的O源为O₃，所采用的载气为Ar，生长温度为180℃。

（7）在MoO_x层上生长WSe₂层，得到电子阻挡层；

其中，通过MOCVD法生长WSe₂层，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的Se源为DMSe，采用的载气为Ar；其生长温度为750℃，生长压力为120torr。

（8）在电子阻挡层上生长P型GaN层；

其中，通过MOCVD法生长P型GaN层。其生长温度为930℃，生长压力为200torr。

实施例2

参考图1、图2，本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于，MoO_x层61的厚度为3nm，WSe₂层62的厚度为3nm。其余均与实施例1相同。

实施例3

参考图1、图2，本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于，MoO_x层61的厚度为1.2nm，WSe₂层62的厚度为3nm。其余均与实施例1相同。

实施例4

参考图1、图3，本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例3的区别在于，电子阻挡层6还包括设于WSe₂层62上的超晶格层63。超晶格层63为周期性结构，周期数为5，每个周期均包括依次层叠的p-GaN层631和n-AlGaN层632。其中，p-GaN层631的厚度为1nm，其掺杂元素为Mg，掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3。其中，n-AlGaN层632的厚度为2nm，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为2×10¹⁸cm^-3。P型GaN层7的掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3。

其中，超晶格层的制备方法为：

（i）生长p-GaN层；

其中，p-GaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为1030℃，生长压力为150torr。

（ii）在p-GaN层上生长n-AlGaN层；

其中，n-AlGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为1050℃，生长压力为200torr。

（iii）周期性重复步骤（i）~（ii），直至得到超晶格层。

其余均与实施例3相同。

实施例5

参考图1、图4，本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例4的区别在于，电子阻挡层6还包括设于超晶格层63上的InGaN层64，其厚度为24nm，In组分占比为0.14。P型GaN层7的掺杂浓度为5×10²⁰cm^-3。

InGaN层64通过MOCVD法生长，其生长温度为980℃，生长压力为200torr。

其余均与实施例4相同。

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，电子阻挡层为AlGaN层，其厚度为20nm，Al组分占比为0.22。电子阻挡层通过MOCVD法生长，其生长温度为960℃，生长压力为300torr。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，电子阻挡层6中不包括MoO_x层61，相应的，制备方法中也不包括制备该层的步骤。

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，电子阻挡层6中不包括WSe₂层62，相应的，制备方法中也不包括制备该层的步骤。

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，电子阻挡层6中包括依次层叠的WSe₂层和MoO_x层，其厚度、制备方法均与实施例1相同。其余均与实施例1相同。

对比例5

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，MoO_x层中x取值为3。

取实施例1-5，对比例1-5的外延片各10片，测定发光亮度，以对比例1的数据为基准，计算发光亮度提升率，具体结果如下表所示。

具体测试结果如下表所示：

由表中可以看出，当将传统的电子阻挡层（对比例1）替换为本发明的电子阻挡层（实施例1）后，提升了发光亮度。

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，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；其特征在于，所述电子阻挡层包括依次层叠于所述有源层上的MoO_x层和WSe₂层，其中，x为1.8~2.5。

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MoO_x层的厚度为0.5nm~5nm，所述WSe₂层的厚度为0.5nm~3nm。

3.如权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层还包括层叠于所述WSe₂层上方的超晶格层；其中，所述超晶格层为周期性结构，周期数为2~8，每个周期均包括依次层叠的p-GaN层和n-AlGaN层。

4.如权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，单个所述p-GaN层的厚度为0.5nm~2nm，单个所述n-AlGaN层的厚度为0.3nm~4nm；

所述p-GaN层的掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3~1×10¹⁶cm^-3，所述n-AlGaN层的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3~5×10¹⁸cm^-3。

5.如权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层还包括层叠于所述超晶格层上的InGaN层，所述InGaN层的厚度为20nm~50nm。

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InGaN层中In组分占比为0.05~0.2，所述P型GaN层的掺杂浓度为3×10²⁰cm^-3~1×10²¹cm^-3。

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，在所述衬底上依次形成非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；其中，所述电子阻挡层包括依次层叠的MoO_x层和WSe₂层，其中，x为1.8~2.5。

8.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述MoO_x层通过ALD法生长，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的O源为O₃，所采用的载气为Ar，生长温度为150℃~200℃；

所述WSe₂层通过MOCVD法生长，生长时所采用的Mo源为Mo(CO)₆，所采用的Se源为DMSe，采用的载气为Ar；其生长温度为500℃~750℃，生长压力为50torr~200torr。

9.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层还包括超晶格层和InGaN层，所述超晶格层为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的p-GaN层和n-AlGaN层；

所述p-GaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为950℃~1050℃，生长压力为100torr~300torr；

所述n-AlGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为1000℃~1100℃，生长压力为100torr~300torr；

所述InGaN层通过MOCVD法生长，其生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr。

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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