CN116825919A - 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衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；所述AlGaN层中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层；所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度。本发明提供的发光二极管外延片能有效降低高温P型覆盖层对多量子阱层的影响，提升GaN基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
GaN基LED外延量子阱有源层生长结束后，继续生长P型覆盖层，P型覆盖层包括电子阻挡层和P型GaN层，较高的生长温度使得生长表面的金属原子扩散能力增加，会促进氮化镓面的生长，V-pits会被填满，从而得到平整的表面形貌。P型覆盖层的生长温度过低，生长质量不高，会导致V-pits无法被填平，表面粗糙度会增大。要提高P型覆盖层的生长质量获得平整的表面形貌，需要维持较高的生长温度以减少碳杂质，提高原子表面迁移率从而促进GaN的侧向生长速率，达到较好的缺陷覆盖效果。
高质量P型覆盖层的生长温度一般在1000℃左右，而GaN基LED的多量子阱层(MQW)，即有源层的生长温度一般在800℃左右。高质量P型覆盖层的生长温度明显高于有源层的生长温度，会产生一些副作用。过高的温度会对有源层的后几对量子阱中的In含量和分布产生影响，使其发生分解和偏析。P型GaN覆盖层过高的生长温度会加剧量子阱结构中铟组分的波动，降低GaN基LED的发光效率。P型层外延生长温度过高，会导致多量子阱的结构和光电特征等效果发生恶化。过高的外延生长温度加剧了多量子阱结构中铟分布的波动，导致许多非辐射复合中心的形成，展宽了PL峰，降低了发光强度，最终恶化了绿色LED器件的性能。
由于GaN基LED之中的电子、空穴浓度散布有着非均匀的特征，而且电子浓度的实际值，显著超过了空穴浓度。同时，电子实际的迁移率也超过空穴。这会造成GaN基LED之中的电子空穴复合，重点聚集于接近P型覆盖层的量子阱层之中。P型覆盖层生长位置位于有源层之后，过高的生长温度对靠近P型覆盖层的量子阱层的影响最大，从而对LED发光效率产生非常大的影响。
对于具有较大的V-pits结构的GaN基LED结构，生长高质量P型覆盖层尤其重要，它能够有效覆盖V-pits，降低器件表面的粗糙度。但是P型覆盖层的高温对量子阱有负面影响。如何减小高温P型覆盖层对多量子阱层的影响，提高GaN基LED器件的抗静电能力和发光效率是本领域亟待解决的问题。
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，其能有效降低高温P型覆盖层对多量子阱层的影响，提升GaN基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GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；
所述AlGaN层中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层；
所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度。
在一种实施方式中，所述AlGaN层中的Al掺杂浓度为3×108atoms/cm3～7×108atoms/cm3；
所述Mg掺杂AlGaN层中的Al掺杂浓度为1.5×108atoms/cm3～3.5×108atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3～5×1020atoms/cm3；
所述Mg掺杂GaN层中的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3～8×1021atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述AlGaN层中的Al掺杂浓度逐渐降低，由所述多量子阱层向远离所述多量子阱层的方向逐渐降低。
在一种实施方式中，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg掺杂浓度逐渐增加，由所述AlGaN层向远离所述AlGaN层的方向逐渐降低。
在一种实施方式中，所述AlGaN层的厚度为5nm～50nm；
所述Mg掺杂AlGaN层的厚度为30nm～100nm；
所述Mg掺杂GaN层的厚度为20nm～100nm。
在一种实施方式中，所述P型插入层的生长温度为750℃～800℃。
在一种实施方式中，所述AlGaN层的生长过程中，Al源通入流量由200scc～250scc渐变至50scc～100sccm；
所述Mg掺杂AlGaN层的生长过程中，Mg源通入流量由0scc～50scc渐变至1000scc～1500sccm。
为解决上述问题，本发明还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GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；
所述AlGaN层中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层；
所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度。
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。
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，其在多量子阱层和电子阻挡层之间插入特定结构的P型插入层，包括依次层叠在所述多量子阱层上的第一电子阻挡层、空穴补偿层和第二电子阻挡层，所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；所述AlGaN层中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层；所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度。
本发明所述P型插入层中Mg掺杂浓度由低到高的变化，使GaN基LED产生的较宽的PN结隧道宽度，大幅度降低了齐纳击穿的概率。掺杂较低因而隧道宽度较宽的PN结易发生雪崩击穿而且击穿电压比较高，本发明的GaN基LED的反向电压明显增大，发光效率明显提升。
此外，原子半径相对偏小的Mg原子替位原子半径相对偏大的Ga原子会出现对应的晶格畸变现象，数量较大的Mg原子聚集于间隙区域，进一步造成外延薄膜之中会出现大规模的位错和缺陷，较高的生长温度和Mg掺杂与量子阱较近的距离增加了Mg扩散量子阱区的风险。所以本发明提出所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度，且靠近多量子阱层的Mg掺杂浓度较低，极大的减小了Mg扩散至多量子阱层影响磊晶质量。
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制备方法的流程图；
图3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。
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。
在相同Ga/Mg比的条件下，多量子阱层的生长温度为高于P型插入层的生长温度，高温导致Mg掺入效率低。掺杂浓度不同的情况下，PN结宽度，即隧道宽度不同，器件发生齐纳击穿的概率不同。齐纳击穿概率，会伴随宽度降低呈现指数规律提升。齐纳击穿通常发生于掺杂浓度很高的PN结内。较高的掺杂浓度会使得PN结隧道宽度变窄，齐纳击穿的概率减小。
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所示，包括衬底1及依次层叠于所述衬底上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、P型插入层6、电子阻挡层7、P型GaN层8；
所述P型插入层6包括依次层叠在所述多量子阱层5上的AlGaN层61、Mg掺杂AlGaN层62和Mg掺杂GaN层63；
所述AlGaN层61中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层62，所述Mg掺杂AlGaN层62中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层63；
所述P型插入层6的生长温度低于所述多量子阱层5的生长温度。
原子半径相对偏小的Mg原子替位原子半径相对偏大的Ga原子会出现对应的晶格畸变现象，数量较大的Mg原子聚集于间隙区域，进一步造成外延薄膜之中会出现大规模的位错和缺陷，较高的生长温度和Mg掺杂与量子阱较近的距离增加了Mg扩散量子阱区的风险。所以本发明提出所述P型插入层6的生长温度低于所述多量子阱层5的生长温度，且靠近多量子阱层5的Mg掺杂浓度较低，极大的减小了Mg扩散至多量子阱层5影响磊晶质量。
在一种实施方式中，所述AlGaN层61中的Al掺杂浓度为3×108atoms/cm3～7×108atoms/cm3；所述Mg掺杂AlGaN层62中的Al掺杂浓度为1.5×108atoms/cm3～3.5×108atoms/cm3。优选地，所述AlGaN层61中的Al掺杂浓度为4×108atoms/cm3～6×108atoms/cm3；所述Mg掺杂AlGaN层62中的Al掺杂浓度为2×108atoms/cm3～3×108atoms/cm3。在一种实施方式中，所述AlGaN层61中的Al掺杂浓度逐渐降低，由所述多量子阱层5向远离所述多量子阱层5的方向逐渐降低。本发明所述P型插入层中Al掺杂浓度由高到低的变化，这样既能减少电子的迁移速率，又不会由于持续高掺杂Al组分掺杂，引起空穴的注入。
在一种实施方式中，所述Mg掺杂AlGaN层62中的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3～5×1020atoms/cm3；所述Mg掺杂GaN层63中的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3～8×1021atoms/cm3。优选地，所述Mg掺杂AlGaN层62中的Mg掺杂浓度为3×1019atoms/cm3～4×1020atoms/cm3；所述Mg掺杂GaN层63中的Mg掺杂浓度为6×1020atoms/cm3～7×1021atoms/cm3。在一种实施方式中，所述Mg掺杂AlGaN层62中的Mg掺杂浓度逐渐增加，由所述AlGaN层61向远离所述AlGaN层61的方向逐渐降低。本发明所述P型插入层6中Mg掺杂浓度由低到高的变化，使GaN基LED产生的较宽的PN结隧道宽度，大幅度降低了齐纳击穿的概率。掺杂较低因而隧道宽度较宽的PN结易发生雪崩击穿而且击穿电压比较高，本发明的GaN基LED的反向电压明显增大，发光效率明显提升。
在一种实施方式中，所述AlGaN层61的厚度为5nm～50nm，所述AlGaN层61的示例性厚度为10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm；所述Mg掺杂AlGaN层62的厚度为30nm～100nm，所述Mg掺杂AlGaN层62的示例性厚度为40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm；所述Mg掺杂GaN层63的厚度为20nm～100nm，所述Mg掺杂GaN层63的示例性厚度为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm。
在一种实施方式中，所述P型插入层6的生长温度为750℃～800℃。本发明的所述P型插入层采用低温方式生长温度，低温生长既可以避免破坏多量子阱层中的In组分，又有利于Mg原子的掺杂，最终提供LED的发光效率。
在一种实施方式中，所述AlGaN层61的生长过程中，Al源通入流量由200scc～250scc渐变至50scc～100sccm；所述Mg掺杂AlGaN层62的生长过程中，Mg源通入流量由0scc～50scc渐变至1000scc～1500sccm。这样的生长方法能够使得靠近多量子阱层的一侧的Mg掺浓度低，有效防止了Mg扩散至多量子阱层影响磊晶质量。同时，靠近多量子阱层的一侧的Mg掺浓度低可以使GaN基LED产生的较宽的PN结隧道宽度，大幅度降低了齐纳击穿的概率。
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2所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底1；
在一种实施方式中，所述衬底底可选用蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种；优选地，选用蓝宝石衬底。蓝宝石是目前最常用的衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性。
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、P型插入层6、电子阻挡层7、P型GaN层8。
在一种实施方式中，如图3所示，步骤S2包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积缓冲层2。
优选地，准备好的衬底传入PVD机台，并通过磁控溅射的方式镀层AlN薄膜，薄膜厚度控制在10nm～80nm；
S22、在缓冲层2上沉积非掺杂GaN层3。
优选地，将反应室的压力提升至150torr～300torr，反应室温度为1100℃～1160℃，通入TMGa为Ga源，通入NH3为N源，N2和H2做载气，生长总厚度为1μm～5μm的非掺杂GaN层。
S23、在非掺杂GaN层3沉积N型GaN层4。
优选地，控制反应室的温度在1000℃～1100℃，压力控制为200torr～400torr，通TMGa为Ga源，通入NH3作为N源，N2和H2作载气，通入SiH4提供N型掺杂，生长得到厚度为2μm～4μm的N型GaN层。
S24、在N型GaN层4上沉积多量子阱层5。
所述多量子阱层包括多个交替层叠的量子阱层和量子垒层。首先，生长InGaN量子阱层，控制反应室温度为820℃～900℃，生长压力为100torr～150torr，通入N2作为载气，通N源、In源、Ga源，生长获得InGaN层；随后关闭In源，再通入H2作为载气，其余MO源与载气不关，控制温度升至820℃～900℃，继续生长获得GaN量子垒层。量子阱层和量子垒层交替生长获得多量子阱层。
S25、在多量子阱层5上沉积P型插入层6。
优选地，所述P型插入层的生长温度为750℃～800℃；所述AlGaN层的生长过程中，Al源通入流量由200scc～250scc渐变至50scc～100sccm；所述Mg掺杂AlGaN层的生长过程中，Mg源通入流量由0scc～50scc渐变至1000scc～1500sccm。所述P型插入层的特征如上述所述，此处不再赘述。
S26、在P型插入层6上沉积电子阻挡层7。
优选地，控制反应腔温度在1000℃～1050℃，压力为200torr～400torr，通入N源、Ga源、Al源和Mg源，生长P型AlGaN电子阻挡层。
S26、在电子阻挡层6上沉积P型GaN层8。
优选地，控制反应腔温度在1000℃～1050℃，压力为200torr～400torr，通入N源、Ga源和Mg源，生长P型GaN层。所述AlGaN电子阻挡层和P型GaN层的总厚度为100nm～800nm。
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，且其他项电学性能良好。
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GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；
所述AlGaN层中的Al平均掺杂浓度为5×108atoms/cm3；所述Mg掺杂AlGaN层中的Al平均掺杂浓度为2.5×108atoms/cm3。
所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg平均掺杂浓度为1×1020atoms/cm3，所述Mg掺杂GaN层中的Mg平均掺杂浓度为1×1021atoms/cm3。
所述AlGaN层中的Al掺杂浓度逐渐降低，由所述多量子阱层向远离所述多量子阱层的方向逐渐降低。述Mg掺杂AlGaN层中的Mg掺杂浓度逐渐增加，由所述AlGaN层向远离所述AlGaN层的方向逐渐降低。
所述AlGaN层的生长温度为750℃；所述Mg掺杂AlGaN层的生长温度为750℃；所述Mg掺杂GaN层的生长温度为750℃；所述多量子阱层的生长温度为880℃。
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AlGaN层的生长温度为760℃；所述Mg掺杂AlGaN层的生长温度为780℃；所述Mg掺杂GaN层的生长温度为790℃。其余皆与实施例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AlGaN层中的Al平均掺杂浓度为7×108atoms/cm3；所述Mg掺杂AlGaN层中的Al平均掺杂浓度为3.5×108atoms/cm3；所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg平均掺杂浓度为5×1020atoms/cm3，所述Mg掺杂GaN层中的Mg平均掺杂浓度为8×1021atoms/cm3。其余皆与实施例1相同。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于，不设有P型插入层，在多量子阱层之后直接沉积电子阻挡层、P型GaN层。其余皆与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；
所述P型插入层生长过程中Al掺杂浓度和Mg掺杂浓度不变。
所述AlGaN层中的Al平均掺杂浓度为5×108atoms/cm3；所述Mg掺杂AlGaN层中的Al平均掺杂浓度为5×108atoms/cm3。
所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg平均掺杂浓度为1×1020atoms/cm3，所述Mg掺杂GaN层中的Mg平均掺杂浓度为1×1020atoms/cm3。
所述AlGaN层的生长温度为750℃；所述Mg掺杂AlGaN层的生长温度为750℃；所述Mg掺杂GaN层的生长温度为750℃；所述多量子阱层的生长温度为880℃。
以实施例1～实施例3和对比例1～对比例2制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成10×24mil的芯片，分别抽取300颗LED芯片，测试芯片的光电性能，具体测试结果如表1所示。
表1实施例1～实施例3和对比例1～对比例2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的发光效率、抗静电能力和反向电压有明显的提升，有效降低高温P型覆盖层对多量子阱层的影响，提升GaN基发光二极管的发光效率。
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GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；
所述AlGaN层中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层；
所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度。
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AlGaN层中的Al掺杂浓度为3×108atoms/cm3～7×108atoms/cm3；
所述Mg掺杂AlGaN层中的Al掺杂浓度为1.5×108atoms/cm3～3.5×108atoms/cm3。
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Mg掺杂AlGaN层中的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3～5×1020atoms/cm3；
所述Mg掺杂GaN层中的Mg掺杂浓度为5×1020atoms/cm3～8×1021atoms/cm3。
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AlGaN层中的Al掺杂浓度逐渐降低，由所述多量子阱层向远离所述多量子阱层的方向逐渐降低。
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Mg掺杂AlGaN层中的Mg掺杂浓度逐渐增加，由所述AlGaN层向远离所述AlGaN层的方向逐渐降低。
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AlGaN层的厚度为5nm～50nm；
所述Mg掺杂AlGaN层的厚度为30nm～100nm；
所述Mg掺杂GaN层的厚度为20nm～100nm。
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P型插入层的生长温度为750℃～800℃。
8.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlGaN层的生长过程中，Al源通入流量由200scc～250scc渐变至50scc～100sccm；
所述Mg掺杂AlGaN层的生长过程中，Mg源通入流量由0scc～50scc渐变至1000scc～1500sccm。
9.一种如权利要求1～8任一项所述的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GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型插入层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述P型插入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的AlGaN层、Mg掺杂AlGaN层和Mg掺杂GaN层；
所述AlGaN层中的Al组分含量高于所述Mg掺杂AlGaN层，所述Mg掺杂AlGaN层中的Mg组分含量低于所述Mg掺杂GaN层；
所述P型插入层的生长温度低于所述多量子阱层的生长温度。
10.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1～8任一项所述的发光二极管外延片。
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