CN116825917A - 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - 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、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，依次层叠于衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述应力调制层包括依次层叠的位错填充层、过渡层和应力缓冲层；位错填充层为三维BN层和二维BGaN层交替层叠形成的周期性结构，过渡层为N型AlGaN层，应力缓冲层为YGaN层和GaN层交替层叠形成的周期性结构。实施本发明，可提升发光二极管外延片的发光效率和波长均匀性。
Description
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。
背景技术
GaN基发光二极管是目前应用最广的发光二极管，但由于其缺乏同质衬底，往往采用异质衬底进行外延制备。异质衬底（如蓝宝石、Si、SiC、ZnO等）与GaN材质的外延材料之间存在较大的晶格失配和热失配，导致外延材料在生长过程中会受到较大的应力，且容易形成位错产生缺陷，从而降低发光二极管的光效。目前常用的方法是在外延层与衬底之间引入缓冲层，以缓解晶格失配。最为常见的是引入PVD制备的AlN层作为缓冲层，但发明人发现，在一些情况下（尤其是MQW区In组分较高时）虽然AlN层能降低位错密度，但是其并未明显提升发光效率。经分析认为，这主要是AlN层并不能有效地缓解MQW区的压应变，而压应变会形成极化电场，导致空穴电子分离，波函数重叠率降低，辐射复合率下降，发光效率下降，波长均匀性下降。
此外，GaN基发光二极管中，由于N型层产生的电子移动速度快，浓度高，P型层产生的空穴移动速度慢，浓度低，容易导致电子空穴的复合概率降低，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，波长均匀性。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管。
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、应力调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述应力调制层包括依次层叠的位错填充层、过渡层和应力缓冲层；
所述位错填充层为三维BN层和二维BGaN层交替层叠形成的周期性结构，所述过渡层为N型AlGaN层，所述应力缓冲层为YGaN层和GaN层交替层叠形成的周期性结构。
作为上述技术方案的改进，所述位错填充层的周期数为2~10，每个三维BN层的厚度为1nm~3nm，每个二维BGaN层的厚度为10nm~20nm；
所述二维BGaN层中B组分占比为0.03~0.1。
作为上述技术方案的改进，所述N型AlGaN层的厚度为50nm~100nm，其N型掺杂浓度为1×1018cm-3~8×1018cm-3，Al组分占比为0.1~0.3。
作为上述技术方案的改进，所述应力缓冲层的周期数为10~20，每个YGaN层的厚度为2nm~5nm，每个GaN层的厚度为2nm~10nm；
所述YGaN层中Y组分的占比为0.03~0.1。
作为上述技术方案的改进，所述GaN层的厚度为所述YGaN层厚度的1.2~1.5倍。
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，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述应力调制层包括依次层叠的位错填充层、过渡层和应力缓冲层；
所述位错填充层为三维BN层和二维BGaN层交替层叠形成的周期性结构，所述过渡层为N型AlGaN层，所述应力缓冲层为YGaN层和GaN层交替层叠形成的周期性结构。
作为上述技术方案的改进，所述三维BN层的生长温度为700℃~800℃，生长压力为300torr~600torr，V/B比为200~1000；
所述二维BGaN层的生长温度850℃~1000℃，生长压力为50torr~200torr，V/III比为2000~3000，且B/III比为0.1~0.2。
作为上述技术方案的改进，所述N型AlGaN层的生长温度为950℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr。
作为上述技术方案的改进，所述YGaN层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~500torr；
所述GaN层的生长温度为800℃~900℃，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：
本发明的发光二极管外延片中，在N型GaN层和多量子阱层之间设置了应力调制层，其包括依次层叠的位错填充层、过渡层和应力缓冲层。位错填充层为三维BN层和二维BGaN层交替层叠形成的周期性结构，通过这种结构可更好地阻挡各种位错，使其发生扭转、湮灭，大幅降低了向多量子阱层延伸的位错的密度，避免在多量子阱层形成过多的非辐射复合中心。过渡层为N型AlGaN层，一者其可进一步降低位错密度，且阻止杂质向上延伸；二者通过N型掺杂可有效提高电子的横向扩展能力。应力缓冲层为YGaN层和GaN层交替层叠形成的周期性结构，这种结构可有效地释放应力，避免多量子阱层内积累过多的压应变，从而弱化了多量子阱层中的极化电场，提升了电子和空穴的辐射复合概率，提升发光效率和波长均匀性。同时，YGaN层与GaN层的生长条件相似（尤其是生长温度），可避免热应力的不利影响。
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位错填充层的结构示意图；
图3是本发明一实施例中应力缓冲层的结构示意图；
图4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~图3，本发明公开了一种发光二极管外延片，其包括衬底100、依次层叠于衬底100上的缓冲层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、应力调制层500、多量子阱层600、电子阻挡层700和P型GaN层800。其中，应力调制层500包括依次层叠于N型GaN层400上的位错填充层510、过渡层520和应力缓冲层530。
其中，位错填充层510为三维BN层511和二维BGaN层512交替层叠形成的周期性结构，通过该结构可使得残余位错发生多次扭折、湮灭，进而切断位错延伸通道，大幅降低延伸至多量子阱层600的位错密度。具体的，位错填充层510的周期数为2~15，示例性的为3、5、7、9、11或13，但不限于此。优选的为2~10。
其中，三维BN层511主要以岛状生长模式生长，即其包括多个间隔分布的岛，以引导后续二维BGaN层512的生长，切断位错缺陷。具体的，三维BN层511的厚度为0.5nm~5nm，当其厚度＜0.5nm时，所形成岛状结构的高度过低，难以有效湮灭位错；当其厚度＞5nm时，对电子的阻挡作用过强，进入多量子阱层600的电子少，降低发光效率。示例性的，三维BN层511的厚度为0.8nm、1.5nm、2.2nm、2.9nm、3.6nm或4.3nm，但不限于此。优选的为1nm~3nm。
其中，二维BGaN层512中B组分占比为0.01~0.12，当其B组分＜0.01时，对位错的阻挡作用差；当B组分＞0.12时，表面粗糙，晶格质量差，也不利于阻挡位错。示例性的，二维BGaN层512中B组分占比为0.02、0.04、0.06、0.08或0.11，但不限于此。优选的为0.03~0.1，更优选的为0.03~0.06。
二维BGaN层512的厚度为8nm~20nm，示例性的为9nm、12nm、15nm或18nm，但不限于此。优选的为10nm~20nm。
其中，过渡层520为N型AlGaN层，其Al组分占比为0.1~0.4，示例性的为0.13、0.17、0.21、0.25、0.29、0.33或0.37，但不限于此。优选的为0.1~0.3。
N型AlGaN层中N型掺杂元素为Si或Ge，但不限于此，优选的为Si。N型AlGaN层中N型掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1019cm-3，示例性的为3×1018cm-3、5×1018cm-3、7×1018cm-3或9×1018cm-3，但不限于此。优选的为1×1018cm-3~8×1018cm-3。N型AlGaN层的N型掺杂浓度＜N型GaN层的N型掺杂浓度，以促进电子的扩展。
过渡层520的厚度为40nm~120nm，示例性的为50nm、60nm、75nm、90nm或105nm，但不限于此。优选的为50nm~100nm。
其中，应力缓冲层530为YGaN层531和GaN层532交替层叠形成的周期性结构，其周期数为10~30，示例性的为12、15、18、22、24或28，但不限于此。优选的为10~20。
其中，YGaN层531中Y组分的占比为0.02~0.1，当其Y组分占比＞0.1时，YGaN材料的晶格常数较大，难以有效缓解多量子阱层600中的压应变，当其Y组分＜0.01时，同样难以有效缓解多量子阱层600中的压应变。优选的，YGaN层531中Y组分占比为0.03~0.1，更优选的为0.03~0.08。
YGaN层531的厚度为1.5nm~5nm，示例性的为2nm、2.8nm、3nm、3.6nm或4.4nm，但不限于此。优选的为2nm~5nm。
其中，GaN层532的厚度为2nm~15nm,示例性的为4nm、6nm、8nm、10nm或12nm，但不限于此。优选的为2nm~10nm。
优选的，在本发明的一个实施例之中，控制GaN层532的厚度为YGaN层531的厚度的1.2~1.5倍。基于上述控制，可进一步优化发光效率和波长均匀性。
其中，衬底100为蓝宝石衬底、衬底、氧化镓衬底、氧化锌衬底或碳化衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层200为AlN层或AlGaN层，但不限于此。优选的为AlN层。缓冲层200的厚度为20nm~80nm。非掺杂GaN层300的厚度为1μm~3μm。
其中，N型GaN层400的N型掺杂元素为Si或Ge，但不限于此。N型GaN层400的N型掺杂浓度为6×1018cm-3~9×1019cm-3，厚度为1μm~3μm。
其中，多量子阱层600为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数3~15。单个InGaN量子阱层的厚度为3nm~5nm，In组分占比为0.15~0.25。单个GaN量子垒层的厚度为5nm~15nm。
其中，电子阻挡层700为AlGaN层或InAlGaN层，但不限于此。优选的为Mg掺AlGaN层，其Al组分占比为0.2~0.3。Mg掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3，厚度为30nm~100nm。
其中，P型GaN层800中的P型掺杂元素为Mg、Be或Zn，但不限于此。优选的为Mg。P型GaN层800中P型掺杂浓度为1×1019cm-3~1×1021cm-3。P型GaN层800的厚度为20nm~50nm。
相应的，参考图4，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；
S2：在衬底上生长缓冲层；
其中，可通过PVD、MOCVD、MBE或VPE生长缓冲层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过PVD生长AlN层，作为缓冲层。
S3：在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
其中，可通过PVD、MOCVD、MBE或VPE生长非掺杂GaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长非掺杂GaN层。其生长温度为1100℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr。
S4：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
其中，可通过MOCVD、MBE或VPE生长N型GaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长N型GaN层，其生长温度为1100℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr。
S5：在N型GaN层上生长应力调制层；
具体的，步骤S5包括以下步骤：
S51：在N型GaN层上生长位错填充层；
具体的，在N型GaN层上周期性生长三维BN层和二维BGaN层，直至得到位错填充层。
其中，BN层可通过PVD、MOCVD、PECVD、MBE或ALD生长，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长三维BN层，其生长温度为700℃~800℃，生长压力为300torr~600torr，V/B比（即N源与B源的摩尔比）为200~1000；基于该生长条件，可有效促进三维生长。
其中，二维BGaN层可通过MOCVD、CVD或MBE生长，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长二维BGaN层，其生长温度为850℃~1000℃，生长压力为50torr~200torr，V/III比（即N源与Ga源的摩尔比）为2000~3000，且B/III比（即B源与Ga源的摩尔比）为0.1~0.2。通过该生长条件，不仅能促进二维生长，还能确保二维BGaN层具备平坦的表面，较优的晶体质量。
S52：在位错填充层上生长过渡层；
其中，可通过MOCVD、MBE或VPE生长N型AlGaN层，作为过渡层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长N型AlGaN层，作为过渡层。其生长温度为950℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr。
S53：在过渡层上生长应力缓冲层，得到应力调制层；
具体的，在过渡层上周期性生长YGaN层和GaN层，直至得到应力缓冲层。
其中，可通过MOCVD或MBE生长YGaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长YGaN层，其生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~500torr。
其中，可通过PVD、MOCVD、MBE或VPE生长GaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长GaN层，其生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~500torr。
S6：在应力调制层上生长多量子阱层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD在应力调制层上周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层，直至得到多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为700℃~800℃，生长压力为100torr~300torr。GaN量子垒层的生长温度为850℃~900℃，生长压力为100torr~300torr。
S7：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，可通过MOCVD、MBE或VPE生长电子阻挡层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Mg掺AlGaN层，作为电子阻挡层，其生长温度为1000℃~1100℃，生长压力为100torr~300torr。
S8：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，可通过MOCVD、MBE或VPE生长P型GaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD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~图3，本实施例提供一种发光二极管外延片，其包括衬底100，依次层叠于衬底100上的缓冲层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、应力调制层500、多量子阱层600、电子阻挡层700和P型GaN层800。
其中，衬底100为蓝宝石衬底，缓冲层200为AlN层，其厚度为30nm。非掺杂GaN层300的厚度为1.5μm。N型GaN层400的掺杂元素为Si，掺杂浓度为5×1019cm-3，其厚度为2.5μm。
其中，应力调制层500包括依次层叠于N型GaN层400上的位错填充层510、过渡层520和应力缓冲层530。其中，位错填充层510为三维BN层511和二维BGaN层512交替层叠形成的周期性结构，周期数为13，三维BN层511的厚度为4nm。二维BGaN层512中B组分占比为0.02，其厚度为9nm。过渡层520为N型AlGaN层，其Al组分占比为0.32，N型掺杂元素为Si，N型掺杂浓度为9×1018cm-3，厚度为110nm。应力缓冲层530为YGaN层531和GaN层532交替层叠形成的周期性结构，其周期数为25。YGaN层531中Y组分的占比为0.02，其厚度为4nm。GaN层532的厚度为4nm。
其中，多量子阱层600为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，InGaN量子阱层中In组分占比为0.25，厚度为3nm，GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层700为Mg掺AlGaN层，其Al组分占比为0.22，Mg掺杂浓度为5×1017cm-3，厚度为50nm。P型GaN层800的掺杂元素为Mg，其掺杂浓度3×1020cm-3，其厚度为30nm。
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。
（2）在衬底上生长缓冲层；
其中，通过PVD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生长非掺杂GaN层。其生长温度为1120℃，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生长N型GaN层，其生长温度为1130℃，生长压力为300torr。
（5）在N型GaN层上生长位错填充层；
具体的，通过MOCVD在N型GaN层上周期性生长三维BN层和二维BGaN层，直至得到位错填充层。
其中，三维BN层的生长温度为760℃，生长压力为550torr，V/B比为500。
其中，二维BGaN层的生长温度为920℃，生长压力为100torr，V/III比为2600，且B/III比为0.13。
（6）在位错填充层上生长过渡层；
其中，通过MOCVD生长N型AlGaN层，作为过渡层。其生长温度为960℃，生长压力为300torr。
（7）在过渡层上生长应力缓冲层，得到应力调制层；
具体的，通过MOCVD在过渡层上周期性生长YGaN层和GaN层，直至得到应力缓冲层。
其中，YGaN层的生长温度为850℃，生长压力为200torr。GaN层的生长温度为850℃，生长压力为200torr。
（8）在应力调制层上生长多量子阱层；
其中，通过MOCVD在应力调制层上周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层，直至得到多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为750℃，生长压力为200torr。GaN量子垒层的生长温度为880℃，生长压力为200torr。
（9）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，通过MOCVD生长Mg掺AlGaN层，作为电子阻挡层，其生长温度为1020℃，生长压力为220torr。
（10）在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，通过MOCVD生长P型GaN层，其生长温度为960℃，生长压力为200torr。
实施例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：
位错填充层510的周期数为8，三维BN层511的厚度为2.8nm，二维BGaN层512中B组分占比为0.06，其厚度为10.2nm。
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，其与实施例2的区别在于：
N型AlGaN层中Al组分占比为0.12，N型掺杂浓度为3×1018cm-3，厚度为80nm。
其余均与实施例2相同。
实施例4
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：
应力缓冲层530的周期数为17。YGaN层531中Y组分的占比为0.03，其厚度为3nm。GaN层532的厚度为5nm。
其余均与实施例3相同。
实施例5
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：
YGaN层531的厚度为3.5nm。GaN层532的厚度为4.5nm。
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：
不包括应力调制层500，也不包括该层的制备步骤。
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：
不包括位错填充层510，也不包括该层的制备步骤。
其余均与实施例1相同。
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：
不包括过渡层520，也不包括该层的制备步骤。
其余均与实施例1相同。
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：
不包括应力缓冲层530，也不包括该层的制备步骤。
其余均与实施例1相同。
将实施例1~实施例5，对比例1～对比例4得到的发光二极管外延片进行测试，具体方法如下：
（1）将外延片制作成5mil×7mil的水平结构的芯片，测试其在3mA下发光功率；并计算发光功率提升率，具体计算方法如下：
其中，α为发光功率提升率，δi为第i组实施例或对比例的芯片在3mA的发光功率，δ0为对比例1的芯片在3mA的发光功率，
（2）取外延同炉次的外延片41片，用PL量测机台测试，取每片片源片内主波长WD的相对标准差的平均值，作为波长均匀性；
具体结果如下表所示：
由表中可以看出，当将传统的发光二极管外延片（对比例1）中添加本发明的应力调制层（实施例1）后，提升了发光二极管外延片的发光效率和波长均匀性。
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，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述应力调制层包括依次层叠的位错填充层、过渡层和应力缓冲层；
所述位错填充层为三维BN层和二维BGaN层交替层叠形成的周期性结构，所述过渡层为N型AlGaN层，所述应力缓冲层为YGaN层和GaN层交替层叠形成的周期性结构。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述位错填充层的周期数为2~10，每个三维BN层的厚度为1nm~3nm，每个二维BGaN层的厚度为10nm~20nm；
所述二维BGaN层中B组分占比为0.03~0.1。
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N型AlGaN层的厚度为50nm~100nm，其N型掺杂浓度为1×1018cm-3~8×1018cm-3，Al组分占比为0.1~0.3。
4.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述应力缓冲层的周期数为10~20，每个YGaN层的厚度为2nm~5nm，每个GaN层的厚度为2nm~10nm；
所述YGaN层中Y组分的占比为0.03~0.1。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述GaN层的厚度为所述YGaN层厚度的1.2~1.5倍。
6.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1~5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，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力调制层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述应力调制层包括依次层叠的位错填充层、过渡层和应力缓冲层；
所述位错填充层为三维BN层和二维BGaN层交替层叠形成的周期性结构，所述过渡层为N型AlGaN层，所述应力缓冲层为YGaN层和GaN层交替层叠形成的周期性结构。
7.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述三维BN层的生长温度为700℃~800℃，生长压力为300torr~600torr，V/B比为200~1000；
所述二维BGaN层的生长温度850℃~1000℃，生长压力为50torr~200torr，V/III比为2000~3000，且B/III比为0.1~0.2。
8.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述N型AlGaN层的生长温度为950℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr。
9.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述YGaN层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~500torr；
所述GaN层的生长温度为800℃~900℃，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1~5任一项所述的发光二极管外延片。
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