CN116565079A - 外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管制造领域，公开了一种外延结构及其制备方法，该外延结构包括衬底及依次层叠设置在所述衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，所述有源层包括依次层叠的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层，在所述第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层中，In浓度和Al浓度均交替震荡。本发明由于有源层中的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层中的In浓度和Al浓度均交替震荡，使得小电流漏电得到改善，同时LED器件辐射复合效率上升，进而光效提升。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管制造领域，特别涉及一种外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及在衬底上生长出的外延层。其中，外延层的结构主要包括：依次生长在衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层。
传统外延片中，通常有源层量子阱为In/Al元素同步震荡层和In/Al元素非同步震荡层组合而成，其中发光层为In/Al元素同步震荡层，应力过渡层为In/Al元素非同步震荡层。由于有源层中的电子的移动速度快于有源层中的空穴的移动速度，因此在这种有源层结构中，来自P型GaN层的空穴在通过电子阻挡层进入有源层时，来自N型GaN层的电子已经在有源层中移动到靠近电子阻挡层的量子阱中。这些集中在靠近电子阻挡层的量子阱中的电子与进入有源层的空穴在靠近电子阻挡层的量子阱中进行复合发光，使得来自P型GaN层的空穴无法深入到有源层中与电子进行复合发光。有源层中进行复合发光的区域集中在靠近电子阻挡层的个别量子阱中，有源层的量子阱没有被充分利用，发光二极管的发光效率较低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种外延结构及其制备方法，该外延结构能够有效提高发光二极管的发光效率。
技术方案：本发明提供了一种外延结构，包括衬底及依次层叠设置在所述衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，所述有源层包括依次层叠的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层，在所述第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层中，In浓度和Al浓度均交替震荡。
优选地，在所述第一超晶格层中，Al浓度在2E18~5E19 atoms/cm3范围内震荡；和/或，In浓度在1E19~4E20 atoms/cm3范围内震荡。
优选地，在所述第二超晶格层中，Al浓度在1E19~5E19 atoms/cm3范围内震荡；和/或，In浓度在2E19~6E20 atoms/cm3范围内震荡。
优选地，在所述第三超晶格层中，Al浓度在1E19~5E19 atoms/cm3范围内震荡；和/或，In浓度在2E19~6E20 atoms/cm3范围内震荡。
优选地，第一超晶格层中Al浓度的振幅较第二超晶格层中Al浓度的振幅宽，第二超晶格层中Al浓度的振幅较第三超晶格层中Al浓度的振幅宽。这样更有利于晶格常数的匹配和应力的释放。
优选地，所述第一超晶格层包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlxGa1-xN垒层，所述第二超晶格层包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlyGa1-yN垒层，所述第三超晶格层包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlzGa1-zN垒层，其中，0＜x＜y＜z＜1。
优选地，0.01＜x＜0.03，0.03＜y＜0.05， 0.05＜z＜0.08。
优选地，所述第一超晶格层中AlxGa1-xN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格层中AlyGa1-yN垒层的数量；所述第二超晶格层中AlyGa1-yN垒层的数量小于或等于所述第三超晶格层中AlzGa1-zN垒层的数量。因电子迁移速率远大于空穴迁移速率，所以通过在第一、第二以及第三超晶格垒层中掺入少量的Al可以适当的降低电子的迁移速率，这样可以为空穴注入到更深的有源区争取时间，从而增加了有源区中与电子复合的空穴数量，进而提升了发光二极管的发光效率。
优选地，所述AlxGa1-xN垒层中的Al组分含量低于AlyGa1-yN垒层中Al组分的含量，AlyGa1-yN垒层中Al组分的含量低于AlzGa1-zN垒层中Al组分的含量。
优选地，所述第一超晶格层中InGaN阱层中的In组分含量不高于第二超晶格层中InGaN阱层中的In组分含量，所述第二超晶格层中InGaN阱层中的In组分含量不高于第三超晶格层中InGaN阱层中的In组分含量，这样设计更有利于应力的充分释放，且使得电子和空穴更均匀的分布在有源区，提升发光二极管的发光效率。
优选地，所述第一超晶格层的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlxGa1-xN的厚度为50~150 Å；和/或，所述第二超晶格层的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlyGa1-yN的厚度为50~150 Å；和/或，所述第三超晶格层的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlzGa1-zN的厚度为50~150 Å。
本发明还提供了一种外延结构的制备方法，所述制备方法包括：提供一衬底；在所述衬底上生长低温GaN缓冲层；在所述低温GaN缓冲层上生长未掺杂GaN层；在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；在所述N型GaN层上生长有源层；在所述有源层上生长电子阻挡层；在所述电子阻挡层上生长P型GaN层；其中，所述有源层包括依次层叠的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层，在所述第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层中，In浓度和Al浓度均交替震荡。
有益效果：本发明由于有源层中的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层中的In浓度和Al浓度均交替震荡，由于Al只通在GaN的垒层，InGaN层不通Al,故呈现为In/Al交替震荡，因电子迁移速率远大于空穴迁移速率，所以通过在第一、第二以及第三超晶格垒层中掺入少量的Al可以适当的降低电子的迁移速率，这样可以为空穴注入到更深的有源区争取时间，从而增加了有源区中与电子复合的空穴数量，同时使得小电流漏电得到改善，同时LED器件辐射复合效率上升，进而光效提升。
附图说明
图1为本发明实施方式1中制得的LED外延结构示意图；
图2为本发明实施方式1中制得的LED外延结构中的第一超晶格层的结构示意图；
图3为本发明实施方式1中制得的LED外延结构中的第二超晶格层的结构示意图；
图4为本发明实施方式1中制得的LED外延结构中的第三超晶格层的结构示意图；
图5为包含本发明实施方式1中制得的LED外延结构的发光二极管的二次离子质谱图；
图6为包含本发明实施方式1中制得的LED外延结构的发光二极管的结构示意图；
附图标记：1：衬底；2：低温GaN缓冲层；3：未掺杂GaN层；4：N型GaN层；5：有源层；6：电子阻挡层；7：P型GaN层；8：P电极；9：N电极；51：第一超晶格层；52：第二超晶格层；53：第三超晶格层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
图1是本发明实施例提供的一种LED外延结构的结构图。如图1所示，该外延片包括衬底1及依次层叠设置在衬底1上的低温GaN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6及P型GaN层7。低温GaN缓冲层2的厚度可为5～50nm，未掺杂GaN层3的厚度可为1.5至3μm。这种设置可减小衬底1与在未掺杂GaN层3上生长的外延层之间的晶格失配，保证外延层的成膜质量。N型GaN层4中的掺杂元素可为Si，Si的掺杂浓度可为5E18cm-3-3E19cm-3。N型GaN层4的厚度可为1～2μm。
有源层5包括依次层叠的第一超晶格层51、第二超晶格层52和第三超晶格层53，在所述第一超晶格层51、第二超晶格层52和第三超晶格层53中，In浓度和Al浓度均交替震荡。第一超晶格层51设置在靠近N型GaN层4的一侧，如图2-4所示，第一超晶格层51包括交替层叠的多个InGaN阱层与AlxGa1-xN垒层，第二超晶格层52包括交替层叠的多个InGaN阱层与AlyGa1-yN垒层，第三超晶格层53包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlzGa1-zN垒层，其中，0＜x＜y＜z＜1，优选地，0.01＜x＜0.03，0.03＜y＜0.05，0.05＜z＜0.08。第一超晶格层51中AlxGa1-xN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格层52中AlyGa1-yN垒层的数量；第二超晶格层52中AlyGa1-yN垒层的数量小于或等于第三超晶格层53中AlzGa1-zN垒层的数量。
设置在靠近N型GaN层4一侧的第一超晶格层51中的AlxGa1-xN垒层的数量小于第二超晶格层52中的AlyGa1-yN垒层的数量，设置在靠近p型GaN层7一侧的第三超晶格层53中的AlzGa1-zN垒层的数量大于第二超晶格层52中的AlyGa1-yN垒层的数量。因电子迁移速率远大于空穴迁移速率，所以通过在第一、第二以及第三超晶格垒层中掺入少量的Al可以适当的降低电子的迁移速率，这样可以为空穴注入到更深的有源区争取时间，从而增加了有源区中与电子复合的空穴数量，进而提升了发光二极管的发光效率。
靠近N型GaN层4一侧的AlxGa1-xN垒层中的Al组分含量低于AlyGa1-yN垒层中的Al组分含量低于靠近P型GaN层7一侧的AlzGa1-zN垒层中Al组分的含量，可将电子部分阻挡在AlxGa1-xN垒层中、部分阻挡在AlyGa1-yN垒层中，调整电子在有源层5中的分布，避免出现电子集中在某几个量子阱中的情况出现，可使得发光二极管的发光更加均匀。
图5是本发明包含本实施例制得的LED外延结构的发光二极管的二次离子质谱图，有源层及应力过渡层的In和Al元素震荡由SIMS(二次离子质谱仪)测试标定 (元素测试强度单位为c/s)；
在第一超晶格层51中，AlxGa1-xN垒层中的Al浓度在1E18~1E19 atoms/cm3范围内震荡；
在第二超晶格层52中，AlyGa1-yN垒层中的Al浓度在5E18~2E19 atoms/cm3范围内震荡；
在第三超晶格层53中，AlzGa1-zN垒层中的Al浓度在1E19~5E19 atoms/cm3范围内震荡。
靠近N型GaN层4一侧的InGaN阱层中的In组分含量不高于第二超晶格层52中InGaN阱层中的In组分含量不高于靠近P型GaN层7一侧的InGaN阱层中的In组分含量，这样设置有利于应力的充分释放，且使得电子和空穴更均匀的分布在有源区，从而提升发光二极管的发光效率。
在第一超晶格层51中，In浓度在2E18~2E20 atoms/cm3范围内震荡；
在第二超晶格层52中，In浓度在1E19~3E20 atoms/cm3范围内震荡；
在第三超晶格层53中，In浓度在1E19~6E20 atoms/cm3范围内震荡。
第一超晶格层51中Al浓度的振幅较第二超晶格层52中Al浓度的振幅宽，第二超晶格层52中Al浓度的振幅较第三超晶格层53中Al浓度的振幅宽。
第一超晶格层51的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlxGa1-xN的厚度为50~150 Å；
第二超晶格层52的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50Å，AlyGa1-yN的厚度为50~150 Å；
第三超晶格层53的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50Å，AlzGa1-zN的厚度为50~150 Å。
本实施方式还提供一种上述外延结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤一、提供一衬底1。
其中，衬底1为外延层生长的基板，常用的衬底1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、在衬底1上生长一低温GaN缓冲层2。
其中，低温GaN缓冲层2用于缓解衬底1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，低温GaN缓冲层2的厚度为5~30nm，生长温度为500℃～900℃，生长压力为100～500Torr。
步骤三、在低温GaN缓冲层2上生长一未掺杂GaN层3。
其中，未掺杂GaN层3的厚度约为1000-3000nm，生长温度为1000℃～1200℃，生长压力为100～300torr。
步骤四、在未掺杂GaN层3上生长一N型GaN层4。
其中，N型GaN层4提供电子给有源层5，以使电子与空穴在有源层5辐射复合，以达到发光二极管的发光效应，N型GaN层4能降低电流集聚效应，提高发光二极管的光电效率。具体地，N型GaN层4的厚度为1~2μm，生长温度为1000℃～1200℃，生长压力为100～300Torr。
步骤五、在N型GaN层4上生长一有源层5。
其中，在N型GaN层4上依次向上层叠生长的In浓度和Al浓度均交替震荡的第一超晶格层51、第二超晶格层52和第三超晶格层53。第一超晶格层51包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlxGa1-xN垒层，第二超晶格层52包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlyGa1-yN垒层，第三超晶格层53包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlzGa1-zN垒层，其中，0＜x＜y＜z＜1，第一超晶格层51中AlxGa1-xN垒层的数量小于或等于第二超晶格层52中AlyGa1-yN垒层的数量小于或等于第三超晶格层53中AlzGa1-zN垒层的数量；第一超晶格层51中AlxGa1-xN垒层中的Al组分含量低于第二超晶格层52中AlyGa1-yN垒层中的Al组分含量低于第三超晶格层53中AlzGa1-zN垒层中的Al组分含量；第一超晶格层51中InGaN阱层中的In组分含量不高于第二超晶格层52中InGaN阱层中的In组分含量不高于第三超晶格层53中InGaN阱层中的In组分含量；第一超晶格层51中Al浓度的振幅较第二超晶格层52中Al浓度的振幅宽，第二超晶格层52中Al浓度的振幅较第三超晶格层53中Al浓度的振幅宽。具体地，第一超晶格层51的周期为1~30， 其In浓度在2E18~2E20 atoms/cm3范围内震荡，Al浓度在1E18~1E19atoms/cm3范围内震荡，且单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlxGa1-xN的厚度为50~150 Å，第一超晶格层51生长温度700~900℃，生长压力200 Torr；第二超晶格层52的周期为1~30，其In浓度在1E19~3E20 atoms/cm3范围内震荡，Al浓度在5E18~2E19 atoms/cm3范围内震荡，且单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlyGa1-yN的厚度为50~150 Å，第二超晶格层52生长温度700~900℃，生长压力200 Torr；第三超晶格层53的周期为1~30，其In浓度在1E19~6E20atoms/cm3范围内震荡，Al浓度在1E19~5E19 atoms/cm3范围内震荡，且单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlzGa1-zN的厚度为50~150 Å，第三超晶格层53生长温度700~950℃，生长压力200Torr。
步骤六、在有源层5上生长电子阻挡层6。
其中，电子阻挡层6可以阻挡电子从量子发光层溢出到P型层，导致不能形成有效的辐射复合，从而提升芯片的发光效率。具体地，电子阻挡层6的厚度为2~10nm，生长温度为800～900℃，生长压力为200Torr。
步骤七、在电子阻挡层6上生长P型GaN层7。
其中，P型GaN层7为有源层5提供空穴，以使电子与空穴在有源层5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7的厚度为10~40nm，生长温度为700～。800℃，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6所示，包括上述LED外延结构，在该外延结构的P型GaN层7上连接有P电极8，在N型GaN层4上连接有N电极9。
本申请包括上述实施方式1制备得到的外延片的发光二极管与常规的外延片（该外延片包括衬底及依次层叠设置在衬底上的低温GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层及P型GaN层，其中有源层为In/Al元素同步震荡层和In/Al元素非同步震荡层组合而成）制备得到的发光二极管进行对比，结果如表1所示：
| 项 | 常规发光二极管 | 实施方式1 |
| VF3（V） | 2.305 | 2.310 |
| VF（V） | 2.787 | 2.787 |
| LOP（mV） | 44.549 | 44.779 |
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 (10)
1.一种外延结构，包括衬底（1）及依次层叠设置在所述衬底（1）上的低温GaN缓冲层（2）、未掺杂GaN层（3）、N型GaN层（4）、有源层（5）、电子阻挡层（6）及P型GaN层（7），所述有源层（5）包括依次层叠的第一超晶格层（51）、第二超晶格层（52）和第三超晶格层（53），其特征在于，在所述第一超晶格层（51）、第二超晶格层（52）和第三超晶格层（53）中，In浓度和Al浓度均交替震荡。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述第一超晶格层（51）包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlxGa1-xN垒层，所述第二超晶格层（52）包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlyGa1-yN垒层，所述第三超晶格层（53）包括交替层叠的多个InGaN阱层和多个AlzGa1-zN垒层，其中，0＜x＜y＜z＜1。
3.根据权利要求2所述的外延结构，其特征在于，所述第一超晶格层（51）中AlxGa1-xN垒层的数量小于或等于所述第二超晶格层（52）中AlyGa1-yN垒层的数量；所述第二超晶格层（52）中AlyGa1-yN垒层的数量小于或等于所述第三超晶格层（53）中AlzGa1-zN垒层的数量。
4.根据权利要求2所述的外延结构，其特征在于，所述第一超晶格层（51）中AlxGa1-xN垒层中的Al组分含量低于第二超晶格层（52）中AlyGa1-yN垒层中的Al组分含量，所述第二超晶格层（52）中AlyGa1-yN垒层中的Al组分含量低于第三超晶格层（53）中AlzGa1-zN垒层中的Al组分含量。
5. 根据权利要求4所述的外延结构，其特征在于，在所述第一超晶格层（51）中，AlxGa1- xN垒层中的Al浓度在1E18~1E19 atoms/cm3范围内震荡；
和/或，在所述第二超晶格层（52）中，AlyGa1-yN垒层中的Al浓度在5E18~2E19 atoms/cm3范围内震荡；
和/或，在所述第三超晶格层（53）中，AlzGa1-zN垒层中的Al浓度在1E19~5E19 atoms/cm3范围内震荡。
6.根据权利要求2所述的外延结构，其特征在于，所述第一超晶格层（51）中InGaN阱层中的In组分含量不高于第二超晶格层（52）中InGaN阱层中的In组分含量，所述第二超晶格层（52）中InGaN阱层中的In组分含量不高于第三超晶格层（53）中InGaN阱层中的In组分含量。
7. 根据权利要求6所述的外延结构，其特征在于，在所述第一超晶格层（51）中，In浓度在2E18~2E20 atoms/cm3范围内震荡；和/或，在所述第二超晶格层（52）中，In浓度在1E19~3E20 atoms/cm3范围内震荡；和/或，在所述第三超晶格层（53）中，In浓度在1E19~6E20atoms/cm3范围内震荡。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的外延结构，其特征在于，第一超晶格层（51）中Al浓度的振幅较第二超晶格层（52）中Al浓度的振幅宽，第二超晶格层（52）中Al浓度的振幅较第三超晶格层（53）中Al浓度的振幅宽。
9. 根据权利要求1至7中任一项所述的外延结构，其特征在于，所述第一超晶格层（51）的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50 Å，AlxGa1-xN的厚度为50~150 Å；
和/或，所述第二超晶格层（52）的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50Å，AlyGa1-yN的厚度为50~150 Å；
和/或，所述第三超晶格层（53）的周期数1~30；单一周期中InGaN的厚度为10~50Å，AlzGa1-zN的厚度为50~150 Å。
10.一种外延结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底（1）；
在所述衬底（1）上生长低温GaN缓冲层（2）；
在所述低温GaN缓冲层（2）上生长未掺杂GaN层（3）；
在所述未掺杂GaN层（3）上生长N型GaN层（4）；
在所述N型GaN层（4）上生长有源层（5）；
在所述有源层（5）上生长电子阻挡层（6）；
在所述电子阻挡层（6）上生长P型GaN层（7）；
其中，所述有源层（5）包括依次层叠的第一超晶格层（51）、第二超晶格层（52）和第三超晶格层（53），在所述第一超晶格层（51）、第二超晶格层（52）和第三超晶格层（53）中，In浓度和Al浓度均交替震荡。
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