CN116314499B - 有源垒层掺Mg的外延结构及制备方法和芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管制造领域，公开了一种有源垒层掺Mg的外延结构及制备方法和芯片，其外延结构包括衬底，以及依次位于其上的缓冲层，未掺杂U型GaN层，GaN层，有源层，p型GaN层及p型接触层；所述有源层从下至上依次为有源阱层和有源垒层交替生长形成，其中，有源垒层包括掺Si有源垒层和至少一层的掺Mg有源垒层。本发明利用阱层和垒层交替层叠而成的有源层结构，并至少在其中一个量子垒中通入一定量的Mg，让有源垒层中的空穴向两侧量子阱中迁移，改善只有后几个阱发光的情况，从而提升内量子效率，提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体LED制造领域，特别涉及一种有源垒层掺Mg的外延结构及制备方法和芯片。
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，吸引着越来越多的人关注。GaN基发光二极管已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用。而外延片作为制造发光二极管的重要部件，现有的发光二极管外延片包括衬底、以及依次位于衬底上的缓冲层、未掺杂U型GaN层，GaN层，有源层，p型GaN层及p型接触层。其中，由于空穴的质量比电子大，所以空穴移动速度慢，电子移动速度快，P层掺杂活化效率相对较低，导致空穴迁移率比较低，迁移率低导致P型层提供的空穴在耗尽区能量损失相对比较大。以至于发光效率只在靠近P型层附近的几个量子阱发光，远离P型层的阱无法实现理想的发光效率，导致发光二极管整体内量子效率差。另外有源层中存在由极化效应导致的量子限制斯塔克效应，使得电子和空穴在空间上的波函数分离，从而导致电子和空穴的辐射复合效率偏低，影响发光二极管的内量子效率。
现如今，有源层包括周期性交替堆叠的量子阱层和量子垒层，这样的结构对增加空穴的迁移率和空穴的扩展能力无正向作用，量子阱中空穴仍然不足，影响发光二极管的发光效率。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种有源垒层掺Mg的外延结构及制备方法和芯片，外延结构的有源层由阱层和垒层交替层叠而成，且至少在其中一个量子垒中掺杂一定量的Mg，当注入电流时，有源垒层中的空穴向两侧量子阱中迁移，促进与电子在多量子阱中复合，改善原来后几个阱发光的情况，从而提升内量子效率。
技术方案：本发明提供了一种有源垒层掺Mg的外延结构，包括衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层，未掺杂U型GaN层，GaN层，有源层，p型GaN层及p型接触层；所述有源层从下至上依次为有源阱层和有源垒层交替生长形成，其中，有源垒层包括掺Si有源垒层和至少一层掺Mg有源垒层。
进一步地，所述掺Mg有源垒层MgGaN/ MgAlx1Ga(1-x1)N /MgAlx2Ga(1-x2)N 三层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2。此生长方式主要是让AlGaN阻挡空穴朝后面的阱跃迁，增加在前阱的复合；另外，AlGaN电势比较高，可与InGaN、GaN形成电势差，当电流注入时，高电势与低电势形成电势差，可以提高发光效率。
进一步地，所述掺Mg有源垒层为MgGaN/ MgAlx1Ga(1-x1)N /MgAlx2Ga(1-x2)N与N型GaN结构组成的四层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2。
进一步地，所述N型GaN的Si掺杂浓度为所述掺Si有源垒层Si掺杂浓度的1/2；在有源层量子垒中掺杂Si原子，可以改善量子斯塔克效应，提升内量子效率；
和/或，所述N型GaN层的总厚度为30~40 Å。
进一步地，所述掺Mg有源垒层中，所述MgGaN层的总厚度为50~70 Å；
所述MgAlx1Ga(1-x1)N层的总厚度为10~20 Å；
所述 MgAlx2Ga(1-x2)N层的总厚度为30~40 Å。
进一步地，每层所述掺Mg有源垒层的掺Mg浓度相同；
和/或，所述掺Mg有源垒层总厚度为90~120 Å；
和/或，所述掺Mg有源垒层的总Mg掺杂浓度为1E18~1E19 Atoms/cm3；
和/或，所述掺Mg有源垒层为一层时，所述掺Mg有源垒层更靠近所述p型GaN层。
进一步地，所述掺Si有源垒层为n-GaN层；
和/或，所述掺Si有源垒层的厚度为90~120 Å；
和/或，所述掺Si有源垒层的Si掺杂浓度为1E17~1E18 Atoms/cm3。
进一步地，所述有源层的周期数为8~12。
本发明还提供一种如上述任一项所述的外延结构的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上生长一缓冲层；
在所述缓冲层上生长一未掺杂U型GaN层；
在所述未掺杂U型GaN层上生长一GaN层；
在所述GaN层上从下至上依次交替生长有源阱层和有源垒层，形成所述有源层；其中，所述有源垒层包括掺Si有源垒层和至少一层掺Mg有源垒层；
在所述有源层上生长一p型GaN层；
在所述p型GaN层上生长一P型接触层。
本发明还提供一种发光二极管芯片，包括如上述任一项所述的外延结构。
有益效果：本发明提供一种有源垒层掺Mg的外延结构及包含该结构的芯片的具体有益效果如下：
1.本发明改善现有技术空穴迁移率较慢而主要集中在靠近p型层部分多量子阱中发光的现象，使远离p层的多量子阱均有电子和空穴复合发光，进而增加LED的出光面积。在插入复合结构层，有效减少电子在外电场的溢流，改善产品的Droop效应。
2.当注入电流时，有源层量子垒中的P型掺杂GaN中空穴向两边迁移，促使电子和空穴在多量子阱中复合发光，改善现有技术中P型层中空穴迁移慢的现象，使远离P型层的阱有和靠近P型层的量子阱有相同的空穴注入，进而实现所有阱复合发光相同，提升内量子效率，增加出光面积。
3.在掺Mg有源垒层中通入一定量的Al是起到一定的阻挡和改变电势差的作用：首先，阻挡大部分空穴向后面量子阱迁移，目的主要是为前阱提供空穴；其次ALGaN电势相对比较高，与GaN形成电势差，提升发光效率。
4.在有源层量子垒中掺杂Si原子，从而改善量子斯塔克效应，提升内量子效率。
附图说明
图1为本发明实施方式1制备的发光二极管外延结构示意图；
图2为本发明实施方式1制备的发光二极管外延结构中有源层的结构示意图；
图3为本发明实施方式1制备的发光二极管外延结构有源层中掺Mg有源垒层的结构示意图；
图4为包含本发明实施方式1制备的发光二极管外延结构的发光二极管芯片的结构示意图；
图5为本发明实施方式2-3制备的发光二极管外延结构中有源层的结构示意图；
图6为本发明实施方式3制备的发光二极管外延结构有源层中掺Mg有源垒层的结构示意图。
附图标注：10衬底；20缓冲层；30未掺杂U型GaN层；40 GaN层；50有源层；60 p型GaN层；70p型接触层；80 p电极；90 n电极；501有源阱层；502有源垒层；5021掺Si有源垒层；5022掺Mg有源垒层。
实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种发光二极管的外延结构，如图1所示，包括从下至上依次设置的衬底10，以及依次位于衬底10上的缓冲层20，未掺杂U型GaN层30，GaN层40，有源层50，p型GaN层60及p型接触层70；有源层50结构如图2所示。
其中，衬底10为外延层生长的基板，常用的衬底10为蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底，在本实施方式中，衬底10材料为蓝宝石，蓝宝石具有透光性能好、耐高温、抗腐蚀、制备工艺成熟及价格较低等优点，被广泛应用于多量子阱基发光二极管中。
衬底10上生长有缓冲层20，其中，缓冲层20用于缓解衬底10与后续生长的外延层之间的晶格失配及热失配，减少晶体缺陷，改善后续外延层的晶体质量。具体地，缓冲层20的厚度为20~30nm，生长温度为800℃～900℃，生长压力为100~200Torr。
缓冲层20上生长有未掺杂U型GaN层30，未掺杂U型GaN层30的厚度约为2000nm，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为200Torr。
未掺杂U型GaN层30上生长有GaN层40，GaN层40提供电子给有源层50，以使电子与空穴在有源层50辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，GaN层40通过掺杂剂Si的掺杂，能降低电流集聚效应，提高发光二极管的光电效率。具体地，GaN层40的厚度为1.5~2μm，生长温度为1080℃～1100℃，生长压力为150Torr。
GaN层40上生长有有源层50，有源层50上生长有P型GaN层60，P型GaN层60为有源层50提供空穴，以使电子与空穴在有源层50进行辐射复合，以达到发光二极管的发光效应。具体地，P型GaN层60的厚度为20~30nm，生长温度为980℃～1100℃，生长压力为200Torr。
有源层50包括在GaN层40上依次向上层叠生长的有源阱层501和有源垒层502，周期为10。其中，有源垒层502包括掺Si有源垒层5021和一层掺Mg有源垒层5022。掺Mg有源垒层5022结构如图3所示，为MgGaN/ MgAlx1Ga(1-x1)N /MgAlx2Ga(1-x2)N三层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2；MgGaN层的厚度为50~70Å；MgAlx1Ga(1-x1)N层的厚度为10~20Å；MgAlx2Ga(1-x2)N层的厚度为30~40Å；掺Mg有源垒层5022每层掺Mg浓度相同，其总Mg掺杂浓度为5E18~5E19 Atoms/cm3，总厚度为90~120Å；掺Mg有源垒层5022位于有源层50中间第3个周期。掺Mg有源垒层5022也可以位于有源层50中间第4或第5个周期。生长周期8~12 个，放在前面目的是为1~6个阱提供空穴，后面4~6个阱靠P型GaN提供空穴。此生长方式主要是因为靠近P层的阱由P型层提供空穴，远离P型层的阱需要靠位于3~6层通Mg层提供空穴。具体地，有源层50的生长压力控制在200Torr，反应室温度控制在850~880℃。
上述掺Si有源垒层5021为n-GaN层，其Si掺杂浓度为1E17~1E18 Atoms/cm3；厚度为90~120Å。
本实施方式还提供一种发光二极管的外延结构的制备方法，具体如下：
步骤一、提供一衬底10。
其中，衬底10为外延层生长的基板，常用的衬底10为蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底。
步骤二、在所述衬底10上生长一缓冲层20。
其中，缓冲层20用于缓解衬底10与后续生长的外延层之间的晶格失配及热失配，减少晶体缺陷，改善后续外延层的晶体质量。具体地，缓冲层20的厚度为15~30nm，生长温度为800℃～900℃，生长压力为100～200Torr。
步骤三、在所述缓冲层20上生长一未掺杂U型GaN层30。
其中，未掺杂U型GaN层30的厚度约为1500-2500nm，生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为150～200torr。
步骤四、在所述未掺杂U型GaN层30上生长一GaN层40。
其中，GaN层40提供电子给有源层50，以使电子与空穴在有源层50辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，GaN层40能降低电流集聚效应，提高发光二极管的光电效率。具体地，GaN层40的厚度为1.5~2μm，生长温度为1080℃～1100℃，生长压力为150Torr。
步骤五、在所述GaN层40上生长一有源层50。
其中，在所述GaN层40上依次向上层叠生长有源阱层501和有源垒层502。有源垒层502包括掺Si有源垒层5021和一层掺Mg有源垒层5022。掺Mg有源垒层5022为MgGaN/MgAlx1Ga(1-x1)N /MgAlx2Ga(1-x2)N三层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2；MgGaN层的厚度为50~70Å；MgAlx1Ga(1-x1)N层厚度为10~20Å；MgAlx2Ga(1-x2)N层厚度为30~40Å；掺Mg有源垒层5022每层掺Mg浓度相同，其总Mg掺杂浓度为5E18~5E19Atoms/cm3，总厚度为90~120Å；掺Mg有源垒层5022位于有源层50中间第3个周期。掺Si有源垒层5021为n-GaN层，其Si掺杂浓度为1E17~1E18 Atoms/cm3；厚度为90~120Å。具体地，InGaN层501生长温度750~800℃，生长压力200 Torr , GaN层502生长温度850~900℃，生长压力200 Torr，生长周期8~12。
步骤六、在所述有源层50上生长P型GaN层60。
其中，P型GaN层60为有源层50提供空穴，以使电子与空穴在有源层50进行辐射复合，以达到发光二极管的发光效应。具体地，P型GaN层60的厚度为20~30nm，生长温度为980～1100℃，生长压力为200Torr。
步骤七、在所述P型GaN层60上生长p型接触层70。
其中，p型接触层70的厚度为2~5nm，生长温度为900～950℃，生长压力为200Torr。
通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管芯片中时，该发光二极管芯片的结构如图4所示，包括上述LED外延结构，在该外延结构的P型接触层70上连接有P电极80，在GaN层40上连接有N电极90。
实施方式
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中有源层50结构如图5所示，有源层50从下至上依次为有源阱层501和有源垒层502交替生长形成，其中，有源垒层502为掺Si有源垒层5021和掺Mg有源垒层5022交替生长，掺Mg有源垒层5022的总Mg掺杂浓度为1E18~1E19 Atoms/cm3。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式
本实施方式中与实施方式1大致相同,区别在于,本实施方式中有源层50结构如图5所示，有源层50从下至上依次为有源阱层501和有源垒层502交替生长形成，其中，有源垒层502为掺Si有源垒层5021和掺Mg有源垒层5022交替生长，掺Mg有源垒层5022的总Mg掺杂浓度为1E18~1E19 Atoms/cm3。掺Mg有源垒层5022结构如图6所示，为MgGaN/ MgAlx1Ga(1-x1)N/MgAlx2Ga(1-x2)N与N型GaN结构组成的四层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15， 0.1<x2<0.25，x1＜x2，N型GaN的Si浓度为掺Si有源垒层5021中Si浓度的1/2。
本实施方式提供的制备方法中，有源层50中掺Mg有源垒层5022为MgGaN/MgAlx1Ga(1-x1)N /MgAlx2Ga(1-x2)N与N型GaN结构组成的四层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2，其中MgGaN层的厚度为50~70 Å, MgAlx1Ga(1-x1)N层的厚度为10~20 Å，MgAlx2Ga(1-x2)N层的厚度为30~40 Å，N型GaN层的厚度为30~40 Å，掺Mg有源垒层5022的总Mg掺杂浓度为1E18~1E19 Atoms/cm3。具体地，InGaN层501，生长温度750~800℃，生长压力200 Torr , GaN502层生长温度850~900℃，生长压力同501，生长周期8~12。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
本对比例提供的一种传统的发光二极管的外延结构，本对比例中的发光二极管的外延结构与实施方式1中的发光二极管的外延结构的不同之处在于：
有源层50内量子垒生长温度850~900℃，压力200Torr, Si掺杂浓度为1E17~1E18Atoms/cm3，且不通Mg。
对包含本发明实施方式1-3及对比例中制备得到的外延结构的LED芯片进行对比分析，结果如下表所示：
以绿光数码为例：
| 项 | 对比例 | 实施方式1 | 实施方式2 | 实施方式3 | 实施方式1-对比例 | 实施方式2-对比例 | 实施方式3-对比例 |
| totalyield | 99.34% | 99.18% | 99.34% | 99.34% | -0.16% | 0% | 0% |
| Lop（mv） | 23.6 | 23.8 | 23.68 | 23.82 | 0.2 | 0.08 | 0.22 |
| VF1（V） | 3.175 | 3.170 | 3.174 | 3.178 | -0.005 | -0.001 | 0.003 |
| VZ（V） | 53.7 | 54.8 | 55.8 | 54.0 | 1.1 | 2.1 | 0.3 |
| ESD-8K | 99.34% | 99.37% | 99.37% | 99.67% | 0.03% | 0.03% | 0.33% |
从上表可知，与对比例相比，包含本发明实施方式1制备得到的外延结构的LED芯片的Lop上升0.2mv，VF1下降0.005V, VZ上升1.1V，其他数据相当；包含本发明实施方式2制备得到的外延结构的LED芯片的Lop上升0.08mv，VF1下降0.001V, VZ上升2.1V，其他数据相当；包含本发明实施方式3制备得到的外延结构的LED芯片的Lop上升0.22mv，VF1上升0.003V, VZ上升0.3V，其他数据相当；说明本发明制备的外延片可以促进空穴与电子在多量子阱中复合，改善原来后几个阱发光的情况，从而提升内量子效率。
上述实施方式只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做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种有源垒层掺Mg的外延结构，包括衬底(10)，以及依次位于衬底(10)上的缓冲层(20)，未掺杂U型GaN层(30)，GaN层(40)，有源层(50)，p型GaN层(60)及p型接触层(70)；其特征在于，所述有源层(50)从下至上依次为有源阱层(501)和有源垒层(502)交替生长形成，其中，有源垒层包括掺Si有源垒层(5021)和至少一层掺Mg有源垒层(5022)；其中，所述掺Mg有源垒层(5022)为一层时，所述掺Mg有源垒层(5022)更远离所述p型GaN层(60)；
所述掺Mg有源垒层(5022)为MgGaN/MgAlx1Ga(1-x1)N/MgAlx2Ga(1-x2)N三层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2；
或者，所述掺Mg有源垒层(5022)为MgGaN/MgAlx1Ga(1-x1)N/MgAlx2Ga(1-x2)N与N型GaN结构组成的四层复合层的超晶格结构，其中0.05<x1<0.15，0.1<x2<0.25，x1＜x2。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，当所述掺Mg有源垒层(5022)为MgGaN/MgAlx1Ga(1-x1)N/MgAlx2Ga(1-x2)N与N型GaN结构组成的四层复合层的超晶格结构时，所述N型GaN的Si掺杂浓度为所述掺Si有源垒层(5021)Si掺杂浓度的1/2；
和/或，所述N型GaN层的总厚度为
3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述掺Mg有源垒层(5022)中，所述MgGaN层的总厚度为
所述MgAlx1Ga(1-x1)N层的总厚度为
所述MgAlx2Ga(1-x2)N层的总厚度为
4.根据权利要求1至3中任一项所述的外延结构，其特征在于，每层所述掺Mg有源垒层(5022)的掺Mg浓度相同；
和/或，所述掺Mg有源垒层(5022)总厚度为
和/或，所述掺Mg有源垒层(5022)的总Mg掺杂浓度为1E18～1E19 Atoms/cm3。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的外延结构，其特征在于，所述掺Si有源垒层(5021)为n-GaN层；
和/或，所述掺Si有源垒层(5021)的厚度为
和/或，所述掺Si有源垒层(5021)的Si掺杂浓度为1E17～1E18 Atoms/cm3。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的外延结构，其特征在于，所述有源层(50)的周期数为8～12。
7.一种如权利要求1至6中任一项所述的外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底(10)；
在所述衬底(10)上生长一缓冲层(20)；
在所述缓冲层(20)上生长一未掺杂U型GaN层(30)；
在所述未掺杂U型GaN层(30)上生长一GaN层(40)；
在所述GaN层(40)上从下至上依次交替生长有源阱层(501)和有源垒层(502)，形成所述有源层(50)；其中，所述有源垒层(502)包括掺Si有源垒层(5021)和至少一层掺Mg有源垒层(5022)；
在所述有源层(50)上生长一p型GaN层(60)；
在所述p型GaN层(60)上生长一P型接触层(70)。
8.一种发光二极管芯片，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的外延结构。
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