CN116885062A - 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，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。本发明提供的发光二极管外延片减少了对紫外LED光的吸收，提高了光提取效率，降低器件的工作电压。
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
发光二极管(LED)，是一种由于电子与空穴的辐射复合而发光的全固态半导体器件。LED光源具有光效高、体积小、可靠性高、安全性好、寿命长、无有害副产物等优点，被成为“绿色光源”。基于GaN的蓝光LED已实现大规模的产业化和商业化，其比传统节能灯节能50％以上，相对而言，AlGaN基的紫外和深紫外LED的发展较为缓慢。
紫外LED不仅在保密通信和信息存储等军事领域应用广发，而且在水净化、医疗诊断、杀菌消毒等民用领域也拥有广泛的应用前景。铝镓氮(AlGaN)作为三族氮化物体系的三元材料，其禁带宽度随Al组分变化在3.4～6.2eV之间连续可调，是制作波长介于210～365nm之间紫外LED的理想材料。然而，AlGaN基的紫外外延片中，高Al组分的P型AlGaN材料的中Mg的激活能较高，导致空穴的活化困难，因而浓度较低；其次，高Al组分的AlGaN材料晶体质量较差，不利于制作芯片的欧姆接触层；基于此，AlGaN基紫光外延层中常采用P型GaN或者低Al组分的P型AlGaN材料作为接触层材料，但由于LED量子阱所发出的光会被比量子阱的禁带宽度还低的材料所吸收，P型GaN或者低Al组分的P型AlGaN材料的接触层会对紫外波段的光产生强烈的吸收作用，从而降低紫外LED的光提取率(LEE)，造成光效的大幅下降。
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，其减少了对紫外LED光的吸收，提高了光提取效率，降低器件的工作电压。
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，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层包括2～5个复合层。
在一种实施方式中，所述BAlGaN层的B组分＞所述BMgGaN层的B组分＞所述BInMgGaN层的B组分。
在一种实施方式中，所述BMgGaN层的Mg组分＜所述BInMgGaN层的Mg组分。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层的厚度为5nm～20nm。
在一种实施方式中，所述BAlGaN层的厚度为0.8nm～2nm；
所述BMgGaN层的厚度为0.8nm～2nm；
所述BInMgGaN层的厚度为0.8nm～2nm。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层的Mg掺杂浓度为5×1019atoms/cm3～6×1020atoms/cm3。
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、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层采用下述方法制得：
将反应室温度控制在900℃～960℃，通入B源、Al源、Ga源和N源，生长BAlGaN层；
再关闭Al源，打开Mg源，继续通入B源、Ga源和N源，生长BMgGaN层；
将反应室温度控制在850℃～900℃，打开In源，继续通入B源、Mg源、Ga源和N源，生长BInMgGaN层。
单个所述BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层构成一个复合层，生长多个所述复合层，得到所述复合欧姆接触层。
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，其具有特定结构的复合欧姆接触层，所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。B组分的引入，一方面是替代部分Al组分，形成BAlGaN以减少与P型AlGaN的失配，另一方面用来调整复合欧姆接触层的禁带宽度，使其与多量子阱层材料的禁带宽度基本一致，从而减少对多量子阱层发光的吸收，提升光提取率；In、Mg材料的掺入，主要是为了提高复合接触层的空穴浓度，降低接触电阻，减小工作电压。
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。
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，所述衬底1上依次设有缓冲层2、过渡层3、AlGaN本征层4、N型AlGaN层5、电流扩展层6、多量子阱层7、电子阻挡层8、P型AlGaN层9以及复合欧姆接触层10；
所述复合欧姆接触层10包括多个复合层11，所述复合层11包括依次层叠的BAlGaN层111、BMgGaN层112和BInMgGaN层113。
所述复合欧姆接触层10的具体结构如下：
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层包括2～5个复合层，所述复合欧姆接触层的示例性复合层数为2、3、4、5，但不限于此。
在一种实施方式中，所述BAlGaN层111的B组分＞所述BMgGaN层112的B组分＞所述BInMgGaN层113的B组分。通过B组分的渐变掺杂，可以调整复合欧姆接触层的禁带宽度，使其与多量子阱层材料的禁带宽度基本一致，从而减少对多量子阱层发光的吸收，提升光提取率(LEE)。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层的Mg掺杂浓度为5×1019atoms/cm3～6×1020atoms/cm3。优选地，所述复合欧姆接触层的Mg掺杂浓度为6×1019atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。在一种实施方式中，所述BMgGaN层112的Mg组分＜所述BInMgGaN层113的Mg组分。优选地，所述BMgGaN层112的Mg掺杂浓度为2×1019atoms/cm3～6×1019atoms/cm3；所述BInMgGaN层113的Mg掺杂浓度为8×1019atoms/cm3～2×1020atoms/cm3。Mg材料的引入，可以提高复合欧姆接触层的空穴浓度，降低接触电阻，减小工作电压。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层的厚度为5nm～20nm；所述复合欧姆接触层的示例性厚度为6nm、7nm、8nm、9nm、10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm，但不限于此；所述BAlGaN层111的厚度为0.8nm～2nm；所述BAlGaN层111的示例性厚度为1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm，但不限于此；所述BMgGaN层112的厚度为0.8nm～2nm；所述BMgGaN层112的示例性厚度为1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm，但不限于此；所述BInMgGaN层113的厚度为0.8nm～2nm；所述BInMgGaN层113的示例性厚度为1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm，但不限于此。所述复合欧姆接触层及各子层的厚度设置在上述范围内，有利于形成近乎透明的接触层。
综上，本发明提供的发光二极管外延片，其具有特定结构的复合欧姆接触层，所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层111、BMgGaN层112和BInMgGaN层113。B组分的引入，一方面是替代部分Al组分，形成BAlGaN以减少与P型AlGaN的失配，另一方面用来调整复合欧姆接触层的禁带宽度，使其与多量子阱层材料的禁带宽度基本一致，从而减少对多量子阱层发光的吸收，提升光提取率；In、Mg材料的掺入，主要是为了提高复合接触层的空穴浓度，降低接触电阻，减小工作电压。
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，所述衬底为蓝宝石或者硅衬底；优选地，采用蓝宝石衬底。
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、过渡层3、AlGaN本征层4、N型AlGaN层5、电流扩展层6、多量子阱层7、电子阻挡层8、P型AlGaN层9以及复合欧姆接触层10；
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。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在500℃～650℃，功率3500～5500W下，在PVD(物理气相沉积)系统中，溅射得AlN缓冲层，生长厚度为60nm～200nm的缓冲层。
S22、在缓冲层2上沉积过渡层3。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在950℃～1000℃，压力控制为100torr～200torr，通入N源、Ga源和Al源，生长厚度为100nm～300nm的过渡层AlGaN层。
S23、在过渡层3上沉积AlGaN本征层4。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1100℃～1200℃，压力控制为100torr～150torr，通入N源、Ga源和Al源，生长厚度为1.5μm～2.5μm的AlGaN本征层。
S24、在AlGaN本征层4上沉积N型AlGaN层5。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1000℃～1100℃，压力控制为100torr～200torr，通入N源、Ga源和Al源，通SiH4提供N型掺杂，生长厚度为2μm～4μm的N型AlGaN层。优选地，所述Si掺杂浓度为6×1018atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。
S25、在N型AlGaN层5上沉积电流扩展层6。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1000℃～1100℃，压力控制为100torr～200torr，通入N源、Ga源和Al源，通SiH4提供N型掺杂，生长厚度为2μm～4μm的AlGaN电流扩展层。优选地，所述Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3～5×1018atoms/cm3。
S25、在电流扩展层6上沉积多量子阱层7。
在一种实施方式中，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，上述多量子阱层的制备方法如下：
将反应室温度控制在900℃～980℃，通入N源、Al源、Ga源，控制所沉积的AlGaN量子阱层单层厚度为1nm～4nm，Al组分为50％～55％；
将反应室温度控制在900℃～980℃，通入N源、Al源、Ga源，控制所沉积的AlGaN量子垒层单层厚度为10nm～15nm，Al组分为70％～75％；
交替层叠所述AlGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，完成多量子阱层的沉积，交替层叠周期数为5～10。
S27、在多量子阱层7上沉积电子阻挡层8。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1000℃～1050℃，通入N源、Ga源、Al源，生长出Al组分为0.6～0.65的AlGaN电子阻挡层，并控制厚度为20nm～80nm。
S28、在电子阻挡层8上沉积P型AlGaN层9。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在950℃～1000℃，通入N源、Al源、Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂剂，使得生长出Al组分为0.4～0.5的P型AlGaN层，并控制所沉积P型AlGaN层厚度为50nm～200nm，Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～1×1020atoms/cm3。
S29、在P型AlGaN层9上沉积复合欧姆接触层10。
在一种实施方式中，所述复合欧姆接触层采用下述方法制得：
将反应室温度控制在900℃～960℃，通入B源、Al源、Ga源和N源，生长BAlGaN层；
再关闭Al源，打开Mg源，继续通入B源、Ga源和N源，生长BMgGaN层；
将反应室温度控制在850℃～900℃，打开In源，继续通入B源、Mg源、Ga源和N源，生长BInMgGaN层。
单个所述BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层构成一个复合层，生长多个所述复合层，得到所述复合欧姆接触层。
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，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括2个复合层，所述每个复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。
其中，所述BAlGaN层的厚度为1.13nm，B组分为70％；
所述BMgGaN层的厚度为1.18nm，Mg掺浓度为4.50×1019atoms/cm3，B组分为50％；
所述BInMgGaN层的厚度为1.21nm，Mg掺浓度为9.50×1019atoms/cm3，B组分为30％。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括2个复合层，所述每个复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。
其中，所述BAlGaN层的厚度为1.03nm，B组分为70％；
所述BMgGaN层的厚度为1.05nm，Mg掺浓度为4.53×1019atoms/cm3，B组分为50％；
所述BInMgGaN层的厚度为1.1nm，Mg掺浓度为9.54×1019atoms/cm3，B组分为30％。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括2个复合层，所述每个复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。
其中，所述BAlGaN层的厚度为0.91nm，B组分为70％；
所述BMgGaN层的厚度为0.95nm，Mg掺浓度为4.57×1019atoms/cm3，B组分为50％；
所述BInMgGaN层的厚度为0.97nm，Mg掺浓度为9.53×1019atoms/cm3，B组分为30％。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及欧姆接触层；
所述欧姆接触层为P型GaN型接触层，厚度为7nm，Mg掺浓度为5.2×1019atoms/cm3。
对比例2
本对比例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及欧姆接触层；
所述欧姆接触层为P型GaN型接触层，厚度为6nm，Mg掺浓度为5.5×1019atoms/cm3。
对比例3
本对比例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及欧姆接触层；
所述欧姆接触层为P型GaN型接触层，厚度为5nm，Mg掺浓度为5.7×1019atoms/cm3。
以实施例1～实施例3和对比例1～对比例3制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成芯片，分别抽取300颗LED芯片，测试所得芯片的出光功率和工作电压，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3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制得的LED的出光功率明显上升，工作电压下降明显，因光效显著提升，所述发光二极管外延片具有特定结构的复合欧姆接触层，所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。B组分的引入，一方面是替代部分Al组分，形成BAlGaN以减少与P型AlGaN的失配，另一方面用来调整复合欧姆接触层的禁带宽度，使其与多量子阱层材料的禁带宽度基本一致，从而减少对多量子阱层发光的吸收，提升光提取率；In、Mg材料的掺入，主要是为了提高复合接触层的空穴浓度，降低接触电阻，减小工作电压。
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，所述衬底上依次设有缓冲层、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合欧姆接触层包括2～5个复合层。
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BAlGaN层的B组分＞所述BMgGaN层的B组分＞所述BInMgGaN层的B组分。
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BMgGaN层的Mg组分＜所述BInMgGaN层的Mg组分。
5.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合欧姆接触层的厚度为5nm～20nm。
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BAlGaN层的厚度为0.8nm～2nm；
所述BMgGaN层的厚度为0.8nm～2nm；
所述BInMgGaN层的厚度为0.8nm～2nm。
7.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合欧姆接触层的Mg掺杂浓度为5×1019atoms/cm3～6×1020atoms/cm3。
8.一种如权利要求1～7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、过渡层、AlGaN本征层、N型AlGaN层、电流扩展层、多量子阱层、电子阻挡层、P型AlGaN层以及复合欧姆接触层；
所述复合欧姆接触层包括多个复合层，所述复合层包括依次层叠的BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN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，所述复合欧姆接触层采用下述方法制得：
将反应室温度控制在900℃～960℃，通入B源、Al源、Ga源和N源，生长BAlGaN层；
再关闭Al源，打开Mg源，继续通入B源、Ga源和N源，生长BMgGaN层；
将反应室温度控制在850℃～900℃，打开In源，继续通入B源、Mg源、Ga源和N源，生长BInMgGaN层。
单个所述BAlGaN层、BMgGaN层和BInMgGaN层构成一个复合层，生长多个所述复合层，得到所述复合欧姆接触层。
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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