CN116435422A - 发光二极管外延片及其制备方法、led - 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、LED，所述发光二极管外延片包括包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；所述有源层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1‑ xN层和层叠于所述AlxGa1‑xN层上的P型AlyGa1‑yN层，所述量子垒层包括AlzGa1‑zN层。本发明提供的发光二极管外延片能够提升紫外发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、LED。
背景技术
深紫外发光二极管中的发光部分一般采用AlGaN量子阱结构。在量子阱中，由于阱和垒材料在组分上的差异使得其禁带宽度不同，在垂直方向上形成了对载流子的限制效应。这样便使得电子和空穴被局限在量子阱中，增加了电子和空穴波函数的重叠率，相对于体材料有源区发光效率获得了大幅的提升。AlGaN基紫外发光二极管发光效率远远低于InGaN基蓝光发光效率的原因之一便是因为量子阱发光效率较低。目前文献中报道的深紫外发光二极管的外量子效率一般在10％以下，而InGaN材料的外量子效率达到了70％。因此，成功制备具有较高发光效率的AlGaN量子阱结构是制备深紫外发光器件的关键。
AlGaN基深紫外发光二极管由于异质外延以及N型层一般为位错密度较高的高Al组分AlGaN材料，在外延生长的过程中，大量的穿透位错直接贯穿到量子阱发光区，形成大量的非辐射复合中心和电流泄漏通道，导致载流子在量子阱中发生非辐射复合而被消耗。由于AlGaN材料较强的自发极化效应和与N型层晶格失配带来的压电极化效应将会在量子阱中产生非常强的极化电场，该电场会导致能带倾斜而在空间上对电子空穴的波函数产生分离，大大降低了辐射复合几率。
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，其能够提高深紫外量子阱层晶体质量，降低量子阱层极化电场效应，提高电子与空穴波函数的交叠，提升量子阱层辐射复合效率，提升紫外发光二极管的发光效率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述有源层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层，所述量子垒层包括AlzGa1-zN层，其中，0.5＜x＜0.9，0.6＜y＜1，x＜y，0.6＜z＜1。
在一种实施方式中，所述AlN纳米棒层上设有若干个AlN纳米棒，所述AlN纳米棒的直径为0.5nm～10nm，所述AlN纳米棒的长度为1nm～20nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为1nm～50nm。
在一种实施方式中，所述AlxGa1-xN层的厚度为1nm～10nm；
所述P型AlyGa1-yN层的厚度为0.5nm～5nm。
在一种实施方式中，所述P型AlyGa1-yN层的Mg掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1019atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述量子阱层的生长气氛为N2和NH3混合气体，N2和NH3的比例为(0.1～10)：1；
所述量子阱层的生长温度为900℃～1200℃；
所述量子阱层的生长压力为50torr～300torr。
在一种实施方式中，所述量子垒层的生长温度为1000℃～1300℃；
所述量子垒层的生长压力为50torr～300tor；
所述量子垒层的厚度为5nm～20nm。
在一种实施方式中，所述量子阱层和所述量子垒层的交替层叠的周期数为1～15。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述有源层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层，所述量子垒层包括AlzGa1-zN层，其中，0.5＜x＜0.9，0.6＜y＜1，x＜y，0.6＜z＜1。
在一种实施方式中，所述AlN纳米棒层的制备方法包括：先沉积AlN层再刻蚀形成纳米棒，得到所述AlN纳米棒层。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括所述的发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的发光二极管外延片，其具有特殊结构的有源层，尤其是量子阱层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层。首先，所述AlN纳米棒层和所述AlxGa1-xN包覆层减少了由于异质外延及高Al组分AlGaN材料产生的直接贯穿到深紫外有源区的穿透位错密度，提高深紫外有源区晶体质量，减少非辖射复合中心和电流泄漏通道，提高有源区的载流子的辐射复合效率。其次，高Al组分AlGaN材料较强的自发极化效应和与N型层晶格失配带来的压电极化效应将会在有源区中产生非常强的极化电场，而P型AlyGa1-yN层能够降低产生的空穴带正电荷，从而降低有源区产生的极化电场效应，提高空间上电子与空穴的波函数的重叠度，提高量子阱层内量子效率。最后，因为随着有源区的Al组分升高，其发光模式以TM模式为主导，而所述AlN纳米棒层提高深紫外发光二极管的TE模式出光效率，增强深紫外发光二极管从表面发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的发光二极管外延片的量子阱层的结构示意图；
图3为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图4为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的步骤S2的流程图。
其中：衬底1、缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、有源层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7、P型接触层8、量子阱层51、量子垒层52、AlN纳米棒层511、AlxGa1-xN层512和P型AlyGa1-yN层513。
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。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，如图1和图2所示，包括衬底1及依次层叠于所述衬底1上的缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、有源层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8；
所述有源层5包括交替层叠的量子阱层51和量子垒层52，所述量子阱层51包括AlN纳米棒层511、包裹于所述AlN纳米棒层511上的AlxGa1-xN层512和层叠于所述AlxGa1-xN层512上的P型AlyGa1-yN层513，所述量子垒层52包括AlzGa1-zN层，其中，0.5＜x＜0.9，0.6＜y＜1，x＜y，0.6＜z＜1。具体地，示例性的x取值为0.6、0.7、0.8，但不限于此。示例性的y取值为0.7、0.8、0.9，但不限于此。示例性的z取值为0.7、0.8、0.9，但不限于此。
本发明提供的量子阱层51的具体结构如下：
首先，所述AlN纳米棒层511和所述AlxGa1-xN层512能够减少由于异质外延及高Al组分AlGaN材料产生的直接贯穿到深紫外有源区的穿透位错密度，提高深紫外有源区晶体质量，减少非辖射复合中心和电流泄漏通道，提高有源区的载流子的辐射复合效率。在一种实施方式中，所述AlN纳米棒层511上设有若干个AlN纳米棒，所述AlN纳米棒的直径为0.5nm～10nm，所述AlN纳米棒的长度为1nm～20nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为1nm～50nm。示例性的AlN纳米棒的直径为2nm、4nm、6nm、8nm，但不限于此。示例性的AlN纳米棒的长度为2nm、4nm、6nm、8nm、10nm、12nm、14nm、16nm、18nm，但不限于此。示例性的相邻所述AlN纳米棒之间的间距为10nm、20nm、30nm、40nm，但不限于此。优选地，所述AlN纳米棒的直径为1nm～5nm，所述AlN纳米棒的长度为1nm～7nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为15nm～35nm。在上述条件下，所述AlN纳米棒层511能够提高深紫外发光二极管的发光效率，因为随着有源区的Al组分升高，其发光模式以TM模式为主导，而具有特定结构的所述AlN纳米棒层511能够提高深紫外发光二极管的TE模式出光效率，增强深紫外发光二极管从表面发光效率。在一种实施方式中，所述AlxGa1-xN层512的厚度为1nm～10nm；示例性的所述AlxGa1-xN层512的厚度为2nm、4nm、6nm、8nm，但不限于此。
高Al组分AlGaN材料较强的自发极化效应和与N型层晶格失配带来的压电极化效应将会在有源区中产生非常强的极化电场，而P型AlyGa1-yN层513能够降低产生的空穴带正电荷，从而降低有源区产生的极化电场效应，提高空间上电子与空穴的波函数的重叠度，提高量子阱层内量子效率。在一种实施方式中，所述P型AlyGa1-yN层513的厚度为0.5nm～5nm；示例性的所述P型AlyGa1-yN层513的厚度为1nm、2nm、3nm、4nm、4.5nm，但不限于此；所述P型AlyGa1-yN层513的Mg掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1019atoms/cm3；优选地，所述P型AlyGa1-yN层513的Mg掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1018atoms/cm3。
进一步地，所述有源层5的所述量子阱层51和所述量子垒层52的交替层叠的周期数为1～15。在制备方法上，在一种实施方式中，所述量子阱层51的生长气氛为N2和NH3混合气体，N2和NH3的比例为(0.1～10)：1；所述量子阱层51的生长温度为900℃～1200℃；所述量子阱层51的生长压力为50torr～300torr。所述量子垒层52的生长温度为1000℃～1300℃；所述量子垒层52的生长压力为50torr～300tor；所述量子垒层52的厚度为5nm～20nm。
相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底1；
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型AlGaN层4、有源层5、电子阻挡层6、P型AlGaN层7和P型接触层8；
如图4所示，步骤S2包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积缓冲层2。
在一种实施方式中，所述缓冲层为AlN缓冲层，厚度为20nm～200n。采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了AlGaN和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，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，提高后续沉积AlGaN层晶体质量，降低位错密度，提高多量子阱层辐射复合效率。
S22、在缓冲层2上沉积非掺杂AlGaN层3。
在一种实施方式中，将镀有AlN缓冲层的外延片转移至MOCVD设备中，控制反应腔的生长温度为1000℃～1300℃，生长压力为50torr～500torr，生长厚度为1μm～5μm。优选地，生长温度为1200℃，生长压力为100torr，生长厚度为2μm～3μm。非故意掺杂的AlGaN层生长温度较高，压力较低，制备的到的晶体质量较优，同时厚度随着AlGaN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AlGaN层厚度对金属有机源材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本，因此生长厚度为2μm～3μm，不仅节约生产成本，而且制得的层状结构又具有较高的晶体质量。
S23、在非掺杂AlGaN层3上沉积N型AlGaN层4。
在一种实施方式中，控制反应室生长温度为1000℃～1300℃，生长压力为100torr～500torr，N型掺杂为Si，Si的掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。H2和N2混合气作为载气，在反应室同时通入SiH4源、Ga源、Al源、氨气，生长厚度为2μm～3μm。N型掺杂的AlGaN层为紫外LED发光提供充足电子与空穴发生复合，足够的厚度可以有效释放应力并提升发光二极管的发光效率。
S24、在N型AlGaN层4上沉积有源层5。
所述有源层是深紫外发光二极管的有源区，为电子和空穴复合的区域，对发光二极管的发光效率影响很大。所述有源层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层，所述量子垒层包括AlzGa1-zN层，其中，0.5＜x＜0.9，0.6＜y＜1，x＜y，0.6＜z＜1。在一种实施方式中，所述量子阱层和所述量子垒层的交替层叠的周期数为1～15；所述量子阱层的生长气氛为N2和NH3混合气体，N2和NH3的比例为(0.1～10)：1；所述量子阱层的生长温度为900℃～1200℃；所述量子阱层的生长压力为50torr～300torr；所述量子垒层的生长温度为1000℃～1300℃；所述量子垒层的生长压力为50torr～300tor；所述量子垒层的厚度为5nm～20nm。所述有源层的具体结构如上文所述，此处不再赘述。
S25、在有源层5上沉积电子阻挡层6。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层为AlGaN电子阻挡层，厚度为10nm～100nm，生长温度为1000℃～1100℃，压力为100torr～300torr，其中Al组分为0.4～0.8。所述AlGaN电子阻挡层既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。
S26、在电子阻挡层6上沉积P型AlGaN层7。
在一种实施方式中，控制反应室生长温度1000℃～1100℃，生长压力100torr～600torr，通入Ga源、Al源、N源，生长P型AlGaN层，所述P型AlGaN层的厚度为20nm～200nm，P型掺杂Mg的掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～5×1020atoms/cm3。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。所述P型AlGaN层可以有效填平外延层，得到表面光滑的深紫外LED外延片。
S27、在P型AlGaN层7上沉积P型接触层8。
在一种实施方式中，控制反应室生长温度为900℃～1100℃，生长压力为100torr～600torr，在反应室通入Ga源、Al源、N源，生长厚度为5nm-50nm，P型掺杂Mg的掺杂浓度为5×1019atoms/cm3-5×1020atoms/cm3。
综上，本发明提供的一种发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，采用特定的工艺能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述有源层包括交替层叠9个周期的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层，所述量子垒层包括AlzGa1-zN层，其中，x为0.55，y为0.7，z为0.7。
所述AlN纳米棒层上设有若干个AlN纳米棒，所述AlN纳米棒的直径为2.5nm，所述AlN纳米棒的长度为4nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为25nm。
所述AlxGa1-xN层的厚度为5nm；所述P型AlyGa1-yN层的厚度为2.5nm；所述P型AlyGa1-yN层的Mg掺杂浓度为5×1017atoms/cm3。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述AlN纳米棒层上设有若干个AlN纳米棒，所述AlN纳米棒的直径为1.5nm，所述AlN纳米棒的长度为3nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为15nm。其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述AlN纳米棒层上设有若干个AlN纳米棒，所述AlN纳米棒的直径为3.5nm，所述AlN纳米棒的长度为5nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为35nm。其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述AlxGa1-xN层的厚度为7nm；所述P型AlyGa1-yN层的厚度为3.5nm。其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述AlxGa1-xN层的厚度为4nm；所述P型AlyGa1-yN层的厚度为2.5nm。其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：y为0.6。其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：y为0.8。其余均与实施例1相同。
实施例8
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述P型AlyGa1- yN层的Mg掺杂浓度为1×1018atoms/cm3。其余均与实施例1相同。
实施例9
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述有源层包括交替层叠6个周期的量子阱层和量子垒层。其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于，所述量子阱层为Al0.5Ga0.5N量子阱层，厚度为3.5nm，其余皆与实施例1相同。
以实施例1～实施例9和对比例1制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成15×15mil的芯片，分别抽取300颗LED芯片，在120mA/60mA电流下测试测试芯片的光电性能，计算实施例1～实施例9相对于对比例1的提升光效率，具体测试结果如表1所示。
表1实施例1～实施例9制得LED的性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的发光二极管外延片，其具有特殊结构的有源层，尤其是量子阱层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层。首先，所述AlN纳米棒层和所述AlxGa1-xN包覆层减少了由于异质外延及高Al组分AlGaN材料产生的直接贯穿到深紫外有源区的穿透位错密度，提高深紫外有源区晶体质量，减少非辖射复合中心和电流泄漏通道，提高有源区的载流子的辐射复合效率。其次，高Al组分AlGaN材料较强的自发极化效应和与N型层晶格失配带来的压电极化效应将会在有源区中产生非常强的极化电场，而P型AlyGa1-yN层能够降低产生的空穴带正电荷，从而降低有源区产生的极化电场效应，提高空间上电子与空穴的波函数的重叠度，提高量子阱层内量子效率。最后，因为随着有源区的Al组分升高，其发光模式以TM模式为主导，而所述AlN纳米棒层提高深紫外发光二极管的TE模式出光效率，增强深紫外发光二极管从表面发光效率。
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，其特征在于，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述有源层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层，所述量子垒层包括AlzGa1-zN层，其中，0.5＜x＜0.9，0.6＜y＜1，x＜y，0.6＜z＜1。
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AlN纳米棒层上设有若干个AlN纳米棒，所述AlN纳米棒的直径为0.5nm～10nm，所述AlN纳米棒的长度为1nm～20nm，相邻所述AlN纳米棒之间的间距为1nm～50nm。
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AlxGa1-xN层的厚度为1nm～10nm；
所述P型AlyGa1-yN层的厚度为0.5nm～5nm。
4.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述P型AlyGa1-yN层的Mg掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1019atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述量子阱层的生长气氛为N2和NH3混合气体，N2和NH3的比例为(0.1～10)：1；
所述量子阱层的生长温度为900℃～1200℃；
所述量子阱层的生长压力为50torr～300torr。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述量子垒层的生长温度为1000℃～1300℃；
所述量子垒层的生长压力为50torr～300tor；
所述量子垒层的厚度为5nm～20nm。
7.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述量子阱层和所述量子垒层的交替层叠的周期数为1～15。
8.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、有源层、电子阻挡层、P型AlGaN层和P型接触层；
所述有源层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括AlN纳米棒层、包裹于所述AlN纳米棒层上的AlxGa1-xN层和层叠于所述AlxGa1-xN层上的P型AlyGa1-yN层，所述量子垒层包括AlzGa1-zN层，其中，0.5＜x＜0.9，0.6＜y＜1，x＜y，0.6＜z＜1。
9.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlN纳米棒层的制备方法包括：先沉积AlN层再刻蚀形成纳米棒，得到所述AlN纳米棒层。
10.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1～7任一项所述的发光二极管外延片。
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