CN116864588A - 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，所述发光二极管外延片包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的复合准备层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；所述复合准备层包括依次层叠于所述Si衬底上的SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1‑a层和AlbGa1‑bN层。本发明可以提高Si衬底上生长GaN外延结构的晶体质量，从而提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
GaN作为第三代半导体材料，具有宽的禁带宽度、高的电子迁移率以及良好的导热性能，已经被广泛应用于光电半导体、高迁移率半导体等器件的制备。
在半导体照明领域，基于GaN制备的发光二极管(LED)已经成为了照明市场的主流。常用的衬底材料有蓝宝石衬底、SiC衬底和Si衬底等，其中Si衬底具有制备工艺成熟、尺寸大、制造成本低以及导热导电性能优良等优点，但是与蓝宝石和SiC等衬底相比，在Si衬底上生长高质量的GaN基LED外延材料仍然存在以下问题：第一，由于Ga与Si之间在高温条件下会发生共融，使得二者在高温条件下无法保持固态晶体的形态，从而破坏GaN外延层的结构；第二，外延生长GaN用的(111)面Si衬底与(0002)面GaN之间的晶格失配高达-17.0％，巨大的晶格失配会产生高达5×109cm-3的穿透位错密度，而这些位错最终会延伸进入量子阱有源层中形成非辐射复合中心，严重地削弱有源层的内量子效率，从而影响LED器件的性能。
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，能够提高发光二极管外延片的发光效率。
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，工艺简单，制得的发光二极管外延片发光效率高。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的复合准备层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述复合准备层包括依次层叠于所述Si衬底上的SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层。
作为上述技术方案的改进，所述复合准备层的厚度为10-500nm。
作为上述技术方案的改进，所述SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层的厚度比为1:(1-10):(1-5):(1-10)。
作为上述技术方案的改进，所述GaOaN1-a层中，a的取值范围为0.01-0.5。
作为上述技术方案的改进，所述AlbGa1-bN层中，b的取值范围为0.01-0.5。
作为上述技术方案的改进，所述SiO2层和Ga2O3层的生长气氛为O2；所述GaOaN1-a层的生长气氛为O2和NH3的混合气体；所述AlbGa1-bN层的生长气氛为N2和NH3的混合气体。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层为AlcIndGa1-c-dN层，其中c的取值范围为0.005-0.1，d的取值范围为0.01-0.2；所述电子阻挡层的厚度为10-40nm。
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，包括以下步骤：
提供一Si衬底，在所述Si衬底上依次生长复合准备层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述复合准备层包括依次层叠于所述Si衬底上的SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层。
作为上述技术方案的改进，所述SiO2层和Ga2O3层的生长气氛为O2；
所述GaOaN1-a层的生长气氛为O2和NH3的混合气体，其中O2和NH3的体积比为1:(1-10)；
所述AlbGa1-bN层的生长气氛为N2和NH3的混合气体，其中N2和NH3的体积比为1:(1-10)。
相应的，本发明还公开了一种发光二极管，包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本申请的SiO2层可以有效屏蔽Si衬底上的Si原子外延扩散，避免了Ga与Si之间在高温条件下发生共融，提高了GaN外延结构的晶体质量；其次，沉积SiO2层、Ga2O3层、GaON层和AlGaN层，通过复合准备层的一系列晶格变化，减少了GaN外延结构与Si衬底的晶格失配，进一步提高了GaN外延结构的晶体质量；此外，复合准备层还为后续外延结构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。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的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，下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，包括Si衬底1及依次层叠于所述Si衬底1上的复合准备层2、非掺杂GaN层3、n型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和p型GaN层7；其中，所述复合准备层2包括依次层叠于所述Si衬底1上的SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层。
本申请在Si衬底1上沉积复合准备层2，提高了GaN基外延层的生长质量，从而提升了发光效率。第一，Si与Ga原子之间在850℃以上会导致合金共融现象，Si原子扩散至GaN层，严重影响GaN外延层的晶体质量，沉积SiO2层可以有效屏蔽Si衬底上的Si原子外延扩散，避免Ga与Si之间在高温条件下发生共融，提高GaN外延层的晶体质量。第二，外延生长用的(111)面Si衬底与(0002)面GaN之间的晶格失配高达-17％，沉积SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层，通过一系列的晶格变化，可以减少GaN与Si衬底的晶格失配，提高GaN外延层的晶体质量。第三，复合准备层2为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。
在一种实施方式中，所述复合准备层2的厚度为10-500nm。若复合准备层2的厚度＜10nm，则不能屏蔽Si原子向GaN外延层扩散，若复合准备层2的厚度＞500nm，则会导致应力增加，示例性的，复合准备层2的厚度为10nm、20nm、50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、400nm或500nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层的厚度比为1:(1-10):(1-5):(1-10)，通过控制复合准备层2中各个层的厚度比，可以进一步增加各个层的晶格匹配程度，示例性的，各个层的厚度比为1:1:1:1、1:2:1:2、1:10:5:10、1:5:1:5或1:10:1:10，但不限于此。
在一种实施方式中，所述GaOaN1-a层中，a的取值范围为0.01-0.5，若a＜0.01，无法缓解与Ga2O3层之间的晶格失配；若a＞0.5，会增加外延层的晶格失配，导致外延层的晶体质量下降。
在一种实施方式中，所述AlbGa1-bN层中，b的取值范围为0.01-0.5，若b＜0.01，无法缓解与GaON层之间的晶格失配；若b＞0.5，会增加外延层的晶格失配，影响外延层的晶体质量。
在一种实施方式中，所述SiO2层和Ga2O3层的生长气氛为O2；所述GaOaN1-a层的生长气氛为O2和NH3的混合气体；所述AlbGa1-bN层的生长气氛为N2和NH3的混合气体。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层6为AlcIndGa1-c-dN层，其中c的取值范围为0.005-0.1，d的取值范围为0.01-0.2，优选的，c的取值延外延层生长方向由0.01渐变至0.05，所述电子阻挡层6的厚度为10-40nm。电子阻挡层6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。
除了上述复合界面层外，本发明的其它层状结构的特点如下：
在一种实施方式中，所述非掺杂GaN层3的厚度为1-5μm。随着非掺杂GaN层厚度的增加，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GaN层厚度对Ga源材料消耗较大，造成了LED的外延成本的提高。优选的，所述非掺杂GaN层3的厚度为2-3μm，不仅节约生产成本，而且具有较高的晶体质量。
在一种实施方式中，所述n型GaN层4的厚度为2-3μm，掺杂浓度为1×1019-5×1019cm-3。n型GaN层为LED发光提供充足电子；其次，n型GaN层足够的Si掺杂，可以有效降低n型GaN层的电阻率；最后，n型GaN层足够的厚度可以有效释放应力，从而提升发光二极管的发光效率。
在一种实施方式中，所述多量子阱层5包括周期性交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期数为6-12；其中InGaN量子阱层的In组分为0.1-0.3，厚度为2-5nm，AlGaN量子垒层的Al组分为0.01-0.1，厚度为5-15nm。
在一种实施方式中，所述p型GaN层7的厚度为10-50nm，掺杂浓度为1×1019-1×1021cm-3。掺杂浓度过高会破坏晶体质量，掺杂浓度过低则会影响空穴浓度。
相应的，如图2所示，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：
S100提供一种Si衬底：
Si衬底尺寸大、价格便宜，可以降低外延生长成本，对比硬度大且导热导电性质差的蓝宝石衬底有较大优势，而且可以简化衬底减薄加工工艺，降低成本。
S101生长复合准备层：
具体的，在一种实施方式中，复合准备层的生长包括以下步骤：
S101a生长SiO2层：
采用PECVD生长，控制反应室温度为250℃-300℃，压力为50-500Torr，以O2为生长气氛，通入SiH4作为Si源。合适的生长温度能够提高晶体质量，若生长温度太低，晶体质量下降，若生长温度太高，会导致硅衬底回融，甚至衬底碎裂。低压有利于复合准备层的二维外延生长，保证了复合准备层能够在较小的厚度下形成平面，从而为后续外延生长提供平整的成核表面。
S101b生长Ga2O3层：
采用MOCVD生长，，控制反应室温度为500-1000℃，压力为50-500Torr，以O2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源。
S101c生长GaON层：
采用射频磁控溅射生长，控制反应室压力为100-300Torr，以O2和NH3为生长气氛，Ar为保护气体，金属Ga为溅射靶，其中O2和NH3的体积比为1:(1-10)，示例性的为1:1、1:2、1:5、1:8或1:10，但不限于此。
S101d生长AlGaN层：
采用MOCVD生长，以N2和NH3为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，其中N2和NH3的体积比为1:(1-10)，示例性的为1:1、1:1.5、1:3、1:5、1:8或1:10，但不限于此。
S102生长非掺杂GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1100-1150℃，压力为100-500Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源。非掺杂GaN层的生长温度较高，压力较低，制备得到的GaN的晶体质量较优。
S103生长n型GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1100-1150℃，压力为100-500Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为n型掺杂剂。
S104生长多量子阱层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790-810℃，压力为50-300Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，生长InGaN量子阱层；控制反应室温度为800-900℃，保持压力不变，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，生长AlGaN量子垒层；重复层叠周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。
S105生长电子阻挡层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900-1000℃，压力为100-300Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源。
S106生长p型GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900-1050℃，压力为100-600Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入Cp2Mg作为p型掺杂剂。对于含V型坑的LED结构来说，p型GaN层较高的生长温度有利于合并V型坑，得到表面光滑的LED外延片。
下面以具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的复合准备层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层。
复合准备层包括SiO2层、Ga2O3层、GaO0.2N0.8层和Al0.1Ga0.9N层，复合准备层的厚度为100nm，其中SiO2层、Ga2O3层、GaO0.2N0.8层和Al0.1Ga0.9N层的厚度比为1:3:2:3。
非掺杂GaN层的厚度为2μm。
n型GaN层中Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3，厚度为2μm。
多量子阱层为交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，AlGaN量子垒层的厚度为9.8nm，层叠周期数为10。
电子阻挡层为AlInGaN层，In组分占比为0.01，Al组分占比延外延层生长方向由0.01渐变至0.05，电子阻挡层的厚度为15nm。
p型GaN层中Mg的掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为15nm。
上述发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一种Si衬底。
S101生长复合准备层，具体的，包括以下步骤：
S101a生长SiO2层：控制反应室温度为260℃，压力为100Torr，以O2为生长气氛，通入SiH4作为Si源。
S101b生长Ga2O3层：控制反应室温度为820℃，压力为100Torr，以O2为生长气氛，以Ar为载气，通入TMGa作为Ga源。
S101c生长GaON层：控制反应室压力为100Torr，以O2和NH3为生长气氛，Ar为保护气体，金属Ga为溅射靶，其中O2和NH3的体积比为1:5。
S101d生长AlGaN层：控制反应室温度为820℃，压力为100Torr，以N2和NH3为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，其中N2和NH3的体积比为2:3。
S102生长非掺杂GaN层：
控制反应室温度为1100℃，压力为150Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源。
S103生长n型GaN层：
控制反应室温度为1120℃，压力为100Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为n型掺杂剂。
S104生长多量子阱层：
控制反应室温度为795℃，压力为200Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，生长InGaN量子阱层；控制反应室温度为855℃，保持压力不变，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TEGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，生长AlGaN量子垒层；重复层叠周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。
S105生长电子阻挡层：
控制反应室温度为965℃，压力为200Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源。
S106生长p型GaN层：
控制反应室温度为985℃，压力为200Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为p型掺杂剂。
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的区别在于，复合准备层的厚度为150nm，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的区别在于，复合准备层的厚度为50nm，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的区别在于，复合准备层的厚度为150nm，其中SiO2层、Ga2O3层、GaO0.2N0.8层和Al0.1Ga0.9N层的厚度比为1:4:2:4，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的区别在于，复合准备层中SiO2层、Ga2O3层、GaO0.2N0.8层和Al0.1Ga0.9N层的厚度比为1:10:5:10，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的区别在于，复合准备层包括SiO2层、Ga2O3层、GaO0.3N0.7层和Al0.1Ga0.9N层，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的区别在于，复合准备层包括SiO2层、Ga2O3层、GaO0.1N0.9层和Al0.1Ga0.9N层，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的区别在于，复合准备层包括SiO2层、Ga2O3层、GaO0.2N0.8层和Al0.2Ga0.8N层，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的区别在于，复合准备层包括SiO2层、Ga2O3层、GaO0.2N0.8层和Al0.05Ga0.95N层，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片，与实施例1的区别在于，不包括复合准备层，在衬底上设置厚度为100nm的GaN准备层，相应的，在制备方法中，也不包括复合准备层的制备步骤，GaN准备层的制备步骤为：控制反应室温度为1100℃，压力为100Torr，以NH3、N2和H2为生长气氛，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为n型掺杂剂。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，与实施例1的区别在于，复合准备层不包括SiO2层、Ga2O3层和GaO0.2N0.8层，相应的，在制备方法中，也不包括SiO2层、Ga2O3层和GaO0.2N0.8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，与实施例1的区别在于，复合准备层不包括Ga2O3层和GaO0.2N0.8层，相应的，在制备方法中，也不包括Ga2O3层和GaO0.2N0.8层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
性能测试：
将实施例1-9和对比例1-3制得的发光二极管外延片做成10mil×24mil的芯片并进行亮度测试，计算实施例1-9和对比例2、3相较于对比例1的光效提升率，结果如表1所示。
表1发光二极管外延片的光电性能测试结果
| 光效提升 | |
| 实施例1 | 5％ |
| 实施例2 | 3.5％ |
| 实施例3 | 2.8％ |
| 实施例4 | 3.2％ |
| 实施例5 | 1.5％ |
| 实施例6 | 3.5％ |
| 实施例7 | 1.8％ |
| 实施例8 | 2％ |
| 实施例9 | 1％ |
| 对比例2 | -0.2％ |
| 对比例3 | 0.4％ |
由表中可以看出，当将对比例1中的GaN准备层变更为本发明实施例1中的复合准备层后，发光效率可以提升5％，表明本发明的复合准备层能够有效提升发光效率。
以上所述是本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Si衬底及依次层叠于所述Si衬底上的复合准备层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述复合准备层包括依次层叠于所述Si衬底上的SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1- bN层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合准备层的厚度为10-500nm。
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SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1-bN层的厚度比为1:(1-10):(1-5):(1-10)。
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GaOaN1-a层中，a的取值范围为0.01-0.5。
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AlbGa1-bN层中，b的取值范围为0.01-0.5。
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SiO2层和Ga2O3层的生长气氛为O2；所述GaOaN1-a层的生长气氛为O2和NH3的混合气体；所述AlbGa1-bN层的生长气氛为N2和NH3的混合气体。
7.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层为AlcIndGa1-c- dN层，其中c的取值范围为0.005-0.1，d的取值范围为0.01-0.2；所述电子阻挡层的厚度为10-40nm。
8.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-7任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，包括以下步骤：
提供一Si衬底，在所述Si衬底上依次生长复合准备层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述复合准备层包括依次层叠于所述Si衬底上的SiO2层、Ga2O3层、GaOaN1-a层和AlbGa1- bN层。
9.如权利要求8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述SiO2层和Ga2O3层的生长气氛为O2；
所述GaOaN1-a层的生长气氛为O2和NH3的混合气体，其中O2和NH3的体积比为1:(1-10)；
所述AlbGa1-bN层的生长气氛为N2和NH3的混合气体，其中N2和NH3的体积比为1:(1-10)。
10.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括如权利要求1-7中任一项所述的发光二极管外延片。
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