CN116230824A - 一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、LED芯片,涉及发光二极管技术领域,该外延片包括衬底,依次层叠于衬底之上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层与P型GaN层;其中,空穴注入层包括依次层叠与多量子阱层之上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1‑x‑yN层,x≤0.3,y≤0.2。本发明通过提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高电子与空穴辐射复合效率,以最终提升发光二极管的发光效率,解决了现有技术中发光二极管外延片中因晶体质量差,使得空穴浓度低,导致发光效率低的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域,具体涉及一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、LED芯片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diodes,LEDs)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件,具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点。LED的应用领域非常广泛,已经被用作信号指示灯、汽车大灯、LCD背光、道路照明、室内照明、商业照明、体育场馆照明、医疗照明和生物照明。
目前GaN材料生长面临的困难之一就是如何降低n型背景载流子浓度制备高质量的p型GaN材料,尽管采用二步生长法后,有了很大的改善,但本底电子浓度仍高达1x1016m-3,因此获得p型材料要比获得n型材料困难得多。
目前P型GaN多采用通过高掺Mg的方式获得,若Mg流量过高,将产生大量的晶体缺陷,盖层晶体质量与表面形貌变差,自由空穴的浓度降低,也会使器件电学特性变差,最终导致发光外延片发光效率低。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、LED芯片,旨在解决现有技术中发光二极管外延片中因晶体质量差,使得空穴浓度低,导致发光二极管外延片的发光效率低的技术问题。
本发明的第一方面在于提供一种高光效发光二极管外延片,包括衬底,所述外延片还包括:
依次层叠于所述衬底之上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层与P型GaN层;
其中,所述空穴注入层包括依次层叠与所述多量子阱层之上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2。
根据上述技术方案的一方面,所述空穴注入层中,所述P型AlN层厚度为0.5nm-5nm,所述Mg量子点层厚度为1nm-10nm,所述MgInGa纳米团簇层厚度为1nm-50nm,所述P型AlxInyGa1-x-yN层厚度为1nm-100nm。
根据上述技术方案的一方面,所述P型AlN层掺杂Mg元素,所述P型AlN层中Mg掺杂浓度为1x1018atoms/cm3-1x1020atoms/cm3,所述P型AlxInyGa1-x-yN层掺杂Mg元素,所述P型AlxInyGa1-x-yN层中Mg掺杂浓度为1x1019atoms/cm3-1x1021atoms/cm3。
本发明的第二方面在于提供一种高光效发光二极管外延片的制备方法,所述制备方法用于制备上述技术方案当中所述的高光效发光二极管外延片,所述制备方法包括:
提供一外延结构,将所述外延结构放置于反应室内;其中,所述外延结构包括多量子阱层;
向所述反应室内通入N2、NH3、TMAl与CP2Mg,反应第一预设时间,在所述多量子阱层之上形成P型AlN层;
控制NH3、TMAl停止通入反应室,再次通入CP2Mg,反应第二预设时间,在所述P型AlN层之上形成Mg量子点层;
向所述反应室内通入TEGa与TMIn,反应第三预设时间,在所述Mg量子点层之上形成MgInGa纳米团簇层;
同时向所述反应室内通入N2、NH3、H2、TEGa、TMIn、TMAl、CP2Mg,反应第四预设时间,在所述MgInGa纳米团簇层之上形成P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2;
得到层叠于所述多量子阱层之上的空穴注入层。
根据上述技术方案的一方面,所述P型AlN层的生长温度为750℃-950℃,所述Mg量子点层、所述MgInGa纳米团簇层与所述P型AlxInyGa1-x-yN层的生长温度均为650℃-850℃。
根据上述技术方案的一方面,生长所述P型AlN层的工艺气体包括N2与NH3,N2与NH3比例为1:10-10:1,生长所述Mg量子点层与所述MgInGa纳米团簇层的工艺气体均包括N2,生长所述P型AlxInyGa1-x-yN层的工艺气体包括N2、H2与NH3,N2、H2与NH3的比例为1:1:1-1:10:10。
根据上述技术方案的一方面,所述P型AlN层、所述Mg量子点层、所述MgInGa纳米团簇层与所述P型AlxInyGa1-x-yN层的生长压力均为50torr-300torr。
根据上述技术方案的一方面,在所述多量子阱层之上形成所述空穴注入层之前,所述方法还包括:
提供一衬底;
在所述衬底之上沉积缓冲层,对沉积有所述缓冲层的衬底进行预处理;
在预处理后的所述缓冲层之上依次非掺杂GaN层、N型GaN层与多量子阱层。
根据上述技术方案的一方面,在所述多量子阱层之上形成所述空穴注入层之后,所述方法还包括:
在所述空穴注入层之上依次制作电子阻挡层与P型GaN层。
本发明的第三方面在于提供一种LED芯片,所述LED芯片包括:
上述技术方案当中所述的高光效发光二极管外延片。
与现有技术相比,采用本发明所示的高光效发光二极管外延片及其制备方法、LED芯片,有益效果在于:
通过在衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层,空穴注入层包含依次沉积多量子阱层上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层、P型AlxInyGa1-x-yN层。首先,沉积P型AlN层,禁带宽度更大,减少电子从多量子阱层溢流进P型层与空穴发生非辐射复合。其次沉积的Mg量子点层/MgInGa纳米团簇层,通过高导电性能Mg量子点层/MgInGa纳米团簇层作为空穴扩展桥接点,解决P型层因Mg离化效率低引起空穴浓度偏低和扩展偏差的问题,提升空穴的扩散长度,改善P型空穴的扩展能力,减少电流的积聚效应。后续沉积P型AlxInyGa1-x-yN层产生足够的空穴进入量子阱与电子发生辐射复合发光,掺入少量的In降低Mg的能级,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,沉积温度较低及气氛H2比例较高,其产生的Mg-H的分解势仅为1.5ev,因此Mg-H很易发生分解,之后又由于H+具有很低的扩散势垒0.7ev,因此很容易被移走,从而激活Mg杂质,实现P型掺杂。以上本发明将提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,提升发光二极管的发光效率。
附图说明
本发明的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解,其中:
图1为本发明一实施例当中所示高光效发光二极管外延片的结构示意图;
图2为本发明第五实施例当中所示高光效发光二极管外延片的制备方法的流程示意图;
附图符号说明:
衬底100、缓冲层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、多量子阱层500、空穴注入层600、P型AlN层610、Mg量子点层620、MgInGa纳米团簇层630、P型AlxInyGa1-x-yN层640、电子阻挡层700、p型GaN层800。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征与优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。
请参阅图1,本发明的第一方面提供了一种高光效发光二极管外延片,包括衬底100,所述外延片还包括:
依次层叠于所述衬底之上的缓冲层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、多量子阱层500、空穴注入层600、电子阻挡层700与P型GaN层800;
其中,所述空穴注入层600包括依次层叠与所述多量子阱层之上的P型AlN层610、Mg量子点层620、MgInGa纳米团簇层630与P型AlxInyGa1-x-yN层640,x≤0.3,y≤0.2。
通过在多量子阱层之上层叠设置空穴注入层,空穴注入层包括依次层叠设置的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层。首先,沉积P型AlN层,禁带宽度更大,减少电子从多量子阱层溢流进P型层中与空穴发生非辐射复合。其次,沉积的Mg量子点层与MgInGa纳米团簇层,通过高导电性能Mg量子点层/MgInGa纳米团簇层作为空穴扩展桥接点,解决P型AlN层因Mg离化效率低引起空穴浓度偏低和扩展偏差的问题,提升空穴的扩散长度,改善P型空穴的扩展能力,减少电流的积聚效应。最后,沉积P型AlxInyGa1-x-yN层将产生足够的空穴进入多量子阱层中与电子发生辐射复合发光,通过掺入少量的In降低Mg的能级,提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,从而激活Mg杂质,实现P型掺杂。以上,本发明所示的高光效发光二极管外延片通过提高活化Mg浓度,提高空穴浓度,提高空穴注入效率,提高电子与空穴辐射复合效率,最终提升了发光二极管的发光效率。
进一步的,所述空穴注入层中,所述P型AlN层厚度为0.5nm-5nm,所述Mg量子点层厚度为1nm-10nm,所述MgInGa纳米团簇层厚度为1nm-50nm,所述P型AlxInyGa1-x-yN层厚度为1nm-100nm。
进一步的,所述P型AlN层掺杂Mg元素,所述P型AlN层中Mg掺杂浓度为1x1018atoms/cm3-1x1020atoms/cm3,所述P型AlxInyGa1-x-yN层掺杂Mg元素,所述P型AlxInyGa1-x-yN层中Mg掺杂浓度为1x1019atoms/cm3-1x1021atoms/cm3。
进一步的,所述P型AlN层的生长温度为750℃-950℃,所述Mg量子点层、所述MgInGa纳米团簇层与所述P型AlxInyGa1-x-yN层的生长温度均为650℃-850℃。
进一步的,生长所述P型AlN层的工艺气体包括N2与NH3,N2与NH3比例为1:10-10:1,生长所述Mg量子点层与所述MgInGa纳米团簇层的工艺气体均包括N2,生长所述P型AlxInyGa1-x-yN层的工艺气体包括N2、H2与NH3,N2、H2与NH3的比例为1:1:1-1:10:10。
进一步的,所述P型AlN层、所述Mg量子点层、所述MgInGa纳米团簇层与所述P型AlxInyGa1-x-yN层的生长压力均为50torr-300torr。
本发明的第二方面提供了一种高光效发光二极管外延片的制备方法,所述制备方法用于制备上述的高光效发光二极管外延片,所述制备方法包括:
提供一外延结构,将所述外延结构放置于反应室内;其中,所述外延结构包括多量子阱层;
向所述反应室内通入N2、NH3、TMAl与CP2Mg,反应第一预设时间,在所述多量子阱层之上形成P型AlN层;
控制NH3、TMAl停止通入反应室,再次通入CP2Mg,反应第二预设时间,在所述P型AlN层之上形成Mg量子点层;
向所述反应室内通入TEGa与TMIn,反应第三预设时间,在所述Mg量子点层之上形成MgInGa纳米团簇层;
同时向所述反应室内通入N2、NH3、H2、TEGa、TMIn、TMAl、CP2Mg,反应第四预设时间,在所述MgInGa纳米团簇层之上形成P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2;
得到层叠于所述多量子阱层之上的空穴注入层。
进一步的,在所述多量子阱层之上形成所述空穴注入层之前,所述方法还包括:
提供一衬底;
在所述衬底之上沉积缓冲层,对沉积有所述缓冲层的衬底进行预处理;
在预处理后的所述缓冲层之上依次非掺杂GaN层、N型GaN层与多量子阱层。
进一步的,在所述多量子阱层之上形成所述空穴注入层之后,所述方法还包括:
在所述空穴注入层之上依次制作电子阻挡层与P型GaN层。
本发明的第三方面在于提供一种LED芯片,所述LED芯片包括:
上述的高光效发光二极管外延片。
实施例一
本发明的第一实施例提供了一种高光效发光二极管外延片,该外延片包括衬底,以及依次层叠于所述衬底之上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层与P型GaN层;
其中,所述空穴注入层包括依次层叠与所述多量子阱层之上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层。
在本实施例当中,空穴注入层中,P型AlN层的厚度为1.5nm,Mg量子点层与MgInGa纳米团簇层的厚度分别为2nm与15nm,P型AlxInyGa1-x-yN层的厚度为20nm。
进一步的,P型AlxInyGa1-x-yN层中,Al组分x为0.1,In组分y为0.05,而Ga组分为1-0.1-0.05,即Ga组分为0.85,则该P型AlxInyGa1-x-yN层中AlxInyGa1-x-yN为Al0.1In0.05Ga0.85N。
进一步的,P型AlN层、P型AlxInyGa1-x-yN层均包括掺杂的Mg元素,其中,P型AlN层中,Mg掺杂浓度为5x1018atoms/cm3,P型AlxInyGa1-x-yN层中,Mg掺杂浓度为6.5x1020atoms/cm3。
请参阅图2,在本实施例当中,用于制备该高光效发光二极管外延片的制备方法,包括步骤S11-S15:
步骤S11,提供一衬底。
在本实施例当中,衬底选用蓝宝石衬底,这是因为蓝宝石是目前最常用的GaN基LED衬底材料,蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理的特点,在高温下有较好的稳定性。
在其它一些可行的实施例当中,衬底还可选用SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。
步骤S12,在所述衬底之上沉积缓冲层,对沉积有所述缓冲层的衬底进行预处理。
在本实施例当中,选用在应用材料PVD中沉积AlN缓冲层,其厚度为15nm,采用AlN缓冲层提供了与蓝宝石衬底取向相同的成核中心,释放了GaN和蓝宝石衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力,为进一步的生长提供了平整的成核表面,减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面,转变为二维外延生长。
AlN缓冲层具体的生长过程为,采用MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition金属有机气相沉积,简称MOCVD)设备对AlN缓冲层进行沉积,提供高纯H2(氢气)、高纯N2(氮气)或高纯H2与高纯N2的混合气体中的其中一种作为载气,高纯NH3作为N源,三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源,三甲基铟(TMIn)作为铟源,三甲基铝(TMAl)作为铝源,硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂,二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂,进行外延生长,得到AlN缓冲层。
其中,对沉积有所述缓冲层的衬底进行预处理,包括将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD设备中,在H2气氛下进行预处理1min-10min,处理温度为1000℃~1200℃,再对蓝宝石衬底进行氮化处理,以提升沉积于蓝宝石衬底之上AlN缓冲层的晶体质量,并且可以有效提高后续沉积GaN外延层的晶体质量。
步骤S13,在预处理后的所述缓冲层之上依次制作非掺杂GaN层、N型GaN层与多量子阱层。
在一些可行的实施例当中,非掺杂GaN层生长温度为1050℃-1200℃,生长压力为100torr-600torr,非掺杂GaN层的生长厚度为1um-5um。
在本实施例当中,非掺杂GaN层的生长温度为1100℃,生长压力为150torr,生长厚度2-3um。其中,非掺杂GaN层生长温度较高,压力较低,制备得到的GaN晶体质量较优,且生长厚度随着GaN厚度的增加,压应力会通过堆垛层错释放,线缺陷减少,晶体质量提高,反向漏电降低,但提高GaN层厚度对Ga源材料消耗较大,大大提高了LED的外延成本,因此,目前LED外延片通常将非掺杂GaN层限制于生长2um-3um,不仅节约生产成本,而且GaN材料又具有较高的晶体质量。
在一些可行的实施例当中,N型GaN层的生长温度为1050℃-1200℃,生长压力为100torr-600torr,生长厚度为2um-3um,该N型GaN层中掺杂有Si元素,N型GaN层中,Si掺杂浓度为1x1019atoms/cm3-5x1019atoms/cm3。
在本实施例当中,N型GaN层的生长温度为1120℃,生长压力为100torr,生长厚度为2um-3um,Si掺杂浓度为2.5x1019atoms/cm3。首先,N型GaN层为发光二极管的发光提供了充足的电子,其次,N型GaN层的电阻率要比P型GaN上的透明电极的电阻率更高,因此足够的Si掺杂,可以有效的降低N型GaN层的电阻率,最后,N型GaN层生长足够的厚度可以有效释放应力发光二极管的发光效率。
在一些可行的实施例当中,多量子阱层为交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层,堆叠周期数为6-12个,其中,InGaN量子阱层的生长温度为790℃-810℃,生长厚度为2nm-5nm,生长压力为50torr-300torr;AlGaN量子垒层的生长温度为800℃-900℃,生长厚度为5nm-15nm,生长压力为50torr-300torr,AlGaN量子垒层中,Al组分为0.01-0.1。
在本实施例当中,多量子阱层为交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层,堆叠周期数为10个,其中,InGaN量子阱层的生长温度为795℃,生长厚度为3.5nm,生长压力200torr,InGaN量子阱层中,In组分为0.22;AlGaN量子垒层的生长温度为855℃,生长厚度为9.8nm,生长压力为200torr,AlGaN量子垒层中,Al组分为0.05;需要说明的是,多量子阱层为电子与空穴进行复合的区域,合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度,从而提高发光二极管的发光效率。
步骤S14,在所述多量子阱层之上制作空穴注入层。
其中,所述空穴注入层包含依次沉积多量子阱层上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2。
在一些可行的实施例当中,P型AlN层的厚度为0.5nm-5nm,Mg量子点层的厚度为1nm-10nm,MgInGa纳米团簇层的厚度为1nm-50nm,P型AlxInyGa1-x-yN层的厚度为1nm-100nm。P型AlN层掺杂Mg元素,P型AlN层中Mg掺杂浓度为1x1018atoms/cm3-1x1020atoms/cm3,P型AlxInyGa1-x-yN层掺杂Mg元素,P型AlxInyGa1-x-yN层中Mg掺杂浓度为1x1019atoms/cm3-1x1021atoms/cm3。生长P型AlN层的工艺气体包括N2与NH3,N2与NH3比例为1:10-10:1,生长Mg量子点层与MgInGa纳米团簇层的工艺气体均包括N2,生长P型AlxInyGa1-x-yN层的工艺气体包括N2、H2与NH3,N2、H2与NH3的比例为1:1:1-1:10:10。P型AlN层的生长温度为750℃-950℃,Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层的生长温度均为650℃-850℃。P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层的生长压力均为50torr-300torr。
在一优选实施例当中,制备空穴注入层的步骤,具体包括:
提供一外延结构,将所述外延结构放置于反应室内;其中,所述外延结构包括多量子阱层;
向所述反应室内通入N2、NH3、TMAl与CP2Mg,反应第一预设时间,在所述多量子阱层之上形成P型AlN层;
控制NH3、TMAl停止通入反应室,再次通入CP2Mg,反应第二预设时间,在所述P型AlN层之上形成Mg量子点层;
向所述反应室内通入TEGa与TMIn,反应第三预设时间,在所述Mg量子点层之上形成MgInGa纳米团簇层;
同时向所述反应室内通入N2、NH3、H2、TEGa、TMIn、TMAl、CP2Mg,反应第四预设时间,在所述MgInGa纳米团簇层之上形成P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2;
得到层叠于所述多量子阱层之上的空穴注入层。
在本实施例当中,空穴注入层包含依次沉积于多量子阱层上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层、P型AlxInyGa1-x-yN层。P型AlN层厚度为1.5nm,Mg量子点层厚度为2nm,MgInGa纳米团簇层厚度为15nm,P型AlxInyGa1-x-yN层厚度为20nm。P型AlxInyGa1-x-yN层中,Al组分0.1,In组分0.05。P型AlN层Mg掺杂浓度为5x1018atoms/cm3,P型AlxInyGa1-x-yN层Mg掺杂浓度为6.5x1020atoms/cm3。P型AlN层生长的工艺气体包括N2与NH3,N2/NH3比例为2:3,Mg量子点层/MgInGa纳米团簇层生长的工艺气体均包括N2,P型AlxInyGa1-x-yN层生长的工艺气体包括N2、H2与NH3,N2、H2与NH3比例为1:10:5。P型AlN层生长温度845℃,Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层的生长温度均为760℃。P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层的生长压力均200torr。在制备空穴注入层时,首先向反应室内通入N2、NH3、TMAl与CP2Mg,反应第一预设时间,在多量子阱层之上形成P型AlN层,然后关闭NH3与TMAl,通入CP2Mg,反应第二预设时间,在P型AlN层之上形成Mg量子点层,然后通入TEGa与TMIn,反应第三预设时间,在Mg量子点层之上形成MgInGa纳米团簇层,然后同时通入N2、H2、NH3、TEGa、TMIn、TMAl与CP2Mg,反应第四预设时间,在MgInGa纳米团簇层之上形成P型AlxInyGa1-x-yN层。
以上,最终得到包括P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x- yN层的空穴注入层。
步骤S15,在所述空穴注入层之上依次制作电子阻挡层与P型GaN层。
在一些可行的实施例当中,电子阻挡层为AlInGaN电子阻挡层,生长厚度为10nm-40nm,生长温度为900℃-1000℃,生长压力为100torr-300torr,该AlInGaN电子阻挡层中,Al组分浓度在0.005-0.1之间,In组分浓度在0.01-0.2之间。
在本实施例当中,电子阻挡层为AlInGaN电子阻挡层,生长厚度为15nm,其中Al组分浓度延外延层生长方向由0.01渐变至0.05,In组分浓度为0.01,生长温度为965℃,生长压力为200torr,既可以有效地限制电子溢流,也可以减少对空穴的阻挡,提升空穴向多量子阱层的注入效率,减少载流子俄歇复合,提高发光二极管的发光效率。
在一些可行的实施例当中,P型GaN层的生长温度为900℃-1050℃,生长厚度为10nm-50nm,生长压力100torr-600torr,P型GaN层掺杂有Mg元素,P型GaN层Mg掺杂浓度为1x1019atoms/cm3-1x1021atoms/cm3。
在本实施例当中,P型GaN层的生长温度985℃,生长厚度为15nm,生长压力为200torr,Mg掺杂浓度为2x1020atoms/cm3,Mg掺杂浓度适中,这是因为Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量,而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度。同时,对于含V形坑的发光二极管来说,P型GaN层较高的生长温度也有利于合并V形坑,以得到表面光滑的发光二极管外延片。
将A外延片与B外延片使用相同芯片工艺条件进行制备,制备呈10milx24mil外形尺寸的LED芯片,其中,A样品为目前现有技术中量产的LED芯片,而B样品为本发明第一实施例制备得到的LED芯片,两种样片分别抽取300颗LED芯片,在120mA与60mA电流下进行测试,测试结果表明,本发明第一实施例当中所示的B样品LED芯片相较于A样品LED芯片,光电效率明显,其他各项电学性能良好。
实施例二
本发明的第二实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,空穴注入层中,P型AlN层的厚度为2nm,Mg量子点层与MgInGa纳米团簇层的厚度分别为3nm与20nm。
实施例三
本发明的第三实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,空穴注入层中,P型AlN层的厚度为1nm,Mg量子点层与MgInGa纳米团簇层的厚度分别为1nm与10nm。
实施例四
本发明的第四实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,空穴注入层中,P型AlxInyGa1-x-yN层的厚度为15nm。
实施例五
本发明的第五实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,空穴注入层中,P型AlxInyGa1-x-yN层的厚度为30nm。
实施例六
本发明的第六实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,P型AlxInyGa1-x-yN层中,Al组分x为0.08,In组分y为0.03,而Ga组分为1-0.08-0.03,即Ga组分为0.89,则该P型AlxInyGa1-x-yN层中AlxInyGa1-x-yN为Al0.08In0.03Ga0.89N。
实施例七
本发明的第七实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,P型AlxInyGa1-x-yN层中,Al组分x为0.12,In组分y为0.07,而Ga组分为1-0.12-0.07,即Ga组分为0.81,则该P型AlxInyGa1-x-yN层中AlxInyGa1-x-yN为Al0.12In0.07Ga0.81N。
实施例八
本发明的第八实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,P型AlN层中,Mg掺杂浓度为1x1019atoms/cm3,P型AlxInyGa1-x-yN层中,Mg掺杂浓度为1x1021atoms/cm3。
实施例九
本发明的第九实施例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,本实施例当中采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,本实施例当中所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
在本实施例当中,P型AlN层中,Mg掺杂浓度为1x1018atoms/cm3,P型AlxInyGa1-x-yN层中,Mg掺杂浓度为1x1020atoms/cm3。
对比例
对比例同样提供了一种高光效发光二极管外延片,该对比例采用了与第一实施例相同的制备方法对外延片进行制备,该对比例所示的外延片与第一实施例当中所示的外延片结构基本一致,不同之处在于:
该对比例当中,未在多量子阱层之上设置空穴注入层,即不包括第一实施例当中所示的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层。
表1为本发明实施例一至九以及对比例在制备外延片时的参数对照表。
表1
根据表1、实施例一至九以及对比例可知,本发明中通过在多量子阱层之上设置空穴注入层,该空穴注入层包括P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x- yN层,相较于现有技术中采用相同工艺制备的发光二极管外延片,其光效提升较为明显;尤其是在将P型AlN层的厚度控制在1.5nm、Mg量子点层与MgInGa纳米团簇层的厚度分别控制在2nm与15nm、P型AlxInyGa1-x-yN层的厚度控制在20nm,以及将P型AlxInyGa1-x-yN层中Al组分与In组分分别控制在0.1与0.05、P型AlN层Mg掺杂浓度控制在5x1018atoms/cm3、P型AlxInyGa1-x-yN层Mg掺杂浓度控制在6.5x1020atoms/cm3等制备参数时,其光效提升最为明显,相较于对比例提升5%,则采用该外延片制备发光二极管芯片,其发光效率较高。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体与详细,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与改进,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 (10)
1.一种高光效发光二极管外延片,包括衬底,其特征在于,所述外延片还包括:
依次层叠于所述衬底之上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层与P型GaN层;
其中,所述空穴注入层包括依次层叠与所述多量子阱层之上的P型AlN层、Mg量子点层、MgInGa纳米团簇层与P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2。
2.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片,其特征在于,所述空穴注入层中,所述P型AlN层厚度为0.5nm-5nm,所述Mg量子点层厚度为1nm-10nm,所述MgInGa纳米团簇层厚度为1nm-50nm,所述P型AlxInyGa1-x-yN层厚度为1nm-100nm。
3.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片,其特征在于,所述P型AlN层掺杂Mg元素,所述P型AlN层中Mg掺杂浓度为1x1018atoms/cm3-1x1020atoms/cm3,所述P型AlxInyGa1-x-yN层掺杂Mg元素,所述P型AlxInyGa1-x-yN层中Mg掺杂浓度为1x1019atoms/cm3-1x1021atoms/cm3。
4.一种高光效发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述制备方法用于制备权利要求1-3任一项所述的高光效发光二极管外延片,所述制备方法包括:
提供一外延结构,将所述外延结构放置于反应室内;其中,所述外延结构包括多量子阱层;
向所述反应室内通入N2、NH3、TMAl与CP2Mg,反应第一预设时间,在所述多量子阱层之上形成P型AlN层;
控制NH3、TMAl停止通入反应室,再次通入CP2Mg,反应第二预设时间,在所述P型AlN层之上形成Mg量子点层;
向所述反应室内通入TEGa与TMIn,反应第三预设时间,在所述Mg量子点层之上形成MgInGa纳米团簇层;
同时向所述反应室内通入N2、NH3、H2、TEGa、TMIn、TMAl、CP2Mg,反应第四预设时间,在所述MgInGa纳米团簇层之上形成P型AlxInyGa1-x-yN层,x≤0.3,y≤0.2;
得到层叠于所述多量子阱层之上的空穴注入层。
5.根据权利要求4所述的高光效发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述P型AlN层的生长温度为750℃-950℃,所述Mg量子点层、所述MgInGa纳米团簇层与所述P型AlxInyGa1-x-yN层的生长温度均为650℃-850℃。
6.根据权利要求4所述的高光效发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,生长所述P型AlN层的工艺气体包括N2与NH3,N2与NH3比例为1:10-10:1,生长所述Mg量子点层与所述MgInGa纳米团簇层的工艺气体均包括N2,生长所述P型AlxInyGa1-x-yN层的工艺气体包括N2、H2与NH3,N2、H2与NH3的比例为1:1:1-1:10:10。
7.根据权利要求4所述的高光效发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述P型AlN层、所述Mg量子点层、所述MgInGa纳米团簇层与所述P型AlxInyGa1-x-yN层的生长压力均为50torr-300torr。
8.根据权利要求7所述的高光效发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,在所述多量子阱层之上形成所述空穴注入层之前,所述方法还包括:
提供一衬底;
在所述衬底之上沉积缓冲层,对沉积有所述缓冲层的衬底进行预处理;
在预处理后的所述缓冲层之上依次非掺杂GaN层、N型GaN层与多量子阱层。
9.根据权利要求8所述的高光效发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,在所述多量子阱层之上形成所述空穴注入层之后,所述方法还包括:
在所述空穴注入层之上依次制作电子阻挡层与P型GaN层。
10.一种LED芯片,其特征在于,所述LED芯片包括:
权利要求1-3任一项所述的高光效发光二极管外延片。
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