CN116914043A - 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和依次沉积于衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层包括多个交替层叠的量子阱层和量子垒层；每个所述量子垒层均包括依次层叠的YGaN层、Si掺GaN层和BScN层。实施本发明，可有效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、发光二极管。
背景技术
半导体材料是一类导电性能介于绝缘体和导体之间、在微电子器件和集成电路等领域具有广泛应用的电子材料。到目前为止，半导体材料经历了以硅和锗为代表的第一代半导体材料、以砷化镓和磷化铟为代表的第二代半导体材料以及以氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体材料三个发展阶段。其中，第三代半导体材料是当前国内外最为热门的研究领域。
InGaN/GaN基LED在大驱动电流下的效率droop问题一直是业界的研究热点。droop效率问题已经严重制约了LED器件在大功率照明场景的应用，成为发展高效、功率照明技术的关键瓶颈。
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，其可有效提升发光效率。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高。
为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层包括多个交替层叠的量子阱层和量子垒层；每个所述量子垒层均包括依次层叠的YGaN层、Si掺GaN层和BScN层。
作为上述技术方案的改进，所述YGaN层中Y组分占比为0.15～0.5，厚度为0.5nm～3nm。
作为上述技术方案的改进，所述Si掺GaN层中Si掺杂浓度为1×1017cm3～5×1018cm3，厚度为0.5nm～10nm。
作为上述技术方案的改进，所述BScN层中B组分占比为0.1～0.4，厚度为0.1nm～5nm。
作为上述技术方案的改进，所述YGaN层的厚度为1nm～3nm，所述Si掺GaN层的厚度为3nm～9nm，所述BScN层的厚度为0.5nm～2nm。
作为上述技术方案的改进，所述YGaN中Y组分占比为0.3～0.4，所述BScN层中B组分占比为0.15～0.25。
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、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层包括多个交替层叠的量子阱层和量子垒层；每个所述量子垒层均包括依次层叠的YGaN层、Si掺GaN层和BScN层。
作为上述技术方案的改进，所述YGaN层的生长温度为1000℃～1100℃，生长压力为100torr～500torr；
所述Si掺GaN层的生长温度为800℃～1000℃，生长压力为100torr～500torr；
所述BScN层的生长温度为900℃～1000℃，生长压力为100torr～400torr。
作为上述技术方案的改进，所述量子垒层的生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:1:1～1:10:20。
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，每个量子垒层均包括依次层叠的YGaN层、Si掺GaN层和BScN层。其中，位于两侧的YGaN层、BScN层与势阱层(InGaN层)的晶格匹配程度高，有效屏蔽了由于失配应力导致的压电场，弱化了压电极化效应，提升了辐射复合效率，提升了发光二极管外延片的发光效率。BScN层的势垒高，减少电子向P型层溢流，提高了电子与空穴在有源层辐射复合效率，提高发光二极管的droop效率。Si掺GaN层中Si的引入不仅减少了线缺陷，弱化了压电极化效应，还与BScN层共同加强了局域化效应，提高了发光效率。此外，Si掺GaN层还可提升电子的迁移率，降低发光二极管外延片的工作电压。综上，本发明的发光二极管外延片，提升了发光效率，降低了工作电压。
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量子垒层的结构示意图；
图3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和图2，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。其中，有源层5为周期性结构，周期数为2～20。每个周期的有源层5均包括依次层叠的量子阱层51和量子垒层52。其中，量子阱层51为InxGa1-xN层(x＝0.1～0.25)，其厚度为1nm～5nm，示例性的为1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm或4nm。
其中，每个量子垒层52均包括依次层叠的YGaN层521、Si掺GaN层522和BScN层523。
其中，YGaN层521与量子阱层51(InGaN材质)的晶格匹配程度高，且YGaN层中Y-N键的结合及其紧密，有效阻止了底部位错在有源层5的延伸，这就有效弱化压电极化效应，提升了发光二极管外延片的发光效率。具体的，YGaN层521中Y组分占比为0.1～0.5，当其Y组分＞0.5时，晶格适配程度下降，而且对载流子的局域化效应减弱，降低发光效率。当其Y组分＜0.1时，晶格适配程度下降，难以有效弱化压电极化效应。示例性的，YGaN层521中Y组分占比为0.14、0.18、0.22、0.25、0.3、0.35、0.4或0.44。优选的为0.15～0.5，更优选的为0.3～0.4。
YGaN层521的厚度为0.5nm～4nm，示例性的为0.8nm、1nm、1.5nm、2nm、2.4nm、3nm、3.4nm或3.8nm，但不限于此。优选的为0.5nm～3nm，更优选的为1nm～3nm。
其中，Si掺GaN层522中引入的Si掺杂可进一步防止不仅减少了线缺陷，弱化了压电极化效应，还与BScN层523共同加强了局域化效应，提高了发光效率。具体的，Si掺GaN层522中Si掺杂浓度为1×1017cm3～1×1019cm3，当其掺入浓度过高时，电子空穴的适配程度下降，容易形成非辐射复合，降低发光效率。当其掺入浓度过低时，难以有效阻挡位错延伸。示例性的，Si掺GaN层522中Si掺杂浓度为3×1017cm3、7×1017cm3、2×1018cm3、6×1018cm3或9×1018cm3，但不限于此。优选的为1×1017cm3～5×1018cm3。
Si掺GaN层522的厚度为0.5nm～10nm，示例性的为0.8nm、1.4nm、1.9nm、2.5nm、3nm、5nm、7nm或9.3nm，但不限于此。优选的为3nm～9nm。
优选的，在本发明的一个实施例之中，随着有源层5的周期数增加，每个量子垒层52中Si掺GaN层522的Si掺杂浓度呈递减变化。基于该控制，可优化空穴在有源层5中的分布，提升发光效率。
其中，BScN层523与势阱层(InGaN材质)的晶格匹配程度高，有效屏蔽了由于失配应力导致的压电场，弱化了压电极化效应，提升了辐射复合效率；同时，BScN层523的势垒高，减少电子向P型层溢流，提高了电子与空穴在有源层辐射复合效率，提高发光二极管的droop效率。BScN层523中B组分占比为0.1～0.5，当其B组分＞0.5时，势垒过高，影响空穴的传输，降低发光效率。当其B组分＜0.1时，势垒过低，难以减少电子向P型层溢流。示例性的，BScN层中B组分的占比为0.15、0.2、0.25、0.3、0.4或0.45，但不限于此。优选的为0.1～0.4；更优选的为0.15～0.25。
BScN层523的厚度为0.1nm～5nm，示例性的为0.3nm、0.8nm、1nm、1.8nm、2.5nm、3.4nm、4nm或4.8nm，但不限于此。优选的为0.5nm～2nm。
其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、SiC衬底、ZnO衬底或GaN衬底，但不限于此。
其中，缓冲层2为AlN层或AlGaN层，但不限于此。优选的为AlN层。缓冲层2的厚度为30nm～100nm，示例性的为35nm、40nm、50nm、60nm、80nm或90nm，但不限于此。
其中，非掺杂GaN层的厚度为0.8μm～3μm，示例性的为1μm、1.4μm、1.9μm、2.3μm、2.7μm或2.9μm，但不限于此。
其中，N型GaN层4的N型掺杂元素为Si或Ge，但不限于此。优选的为Si。N型GaN层4中N型掺杂元素的掺杂浓度为1×1018～5×1019cm-3，示例性的为3×1018cm-3、5×1018cm-3、6×1018cm-3、9×1018cm-3、3×1019cm-3或4×1019cm-3，但不限于此。N型GaN层4的厚度为1μm～3μm，示例性的为1.2μm、1.6μm、2μm、2.4μm、2.8μm或2.9μm，但不限于此。
其中，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层(y＝0.5～0.8)，但不限于此。具体的，电子阻挡层6的厚度为10nm～100nm，示例性的为15nm、30nm、45nm、60nm、75nm或90nm，但不限于此。
其中，P型GaN层7的P型掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层7中P型元素的掺杂浓度为5×1019cm-3～8×1020cm-3，示例性的为6×1019cm-3、8×1019cm-3、1×1020cm-3、3×1020cm-3、5×1020cm-3或7×1020cm-3，但不限于此。P型GaN层7的厚度为20nm～200nm，示例性的为40nm、60nm、80nm、120nm、140nm或180nm，但不限于此。
相应的，参考图3，本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，其用于制备上述的发光二极管外延片，其包括以下步骤：
S1：提供衬底；
S2：在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；
具体的，S2包括：
S21：在衬底上生长缓冲层；
其中，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，但不限于此。
S22：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，生长温度为1000℃～1150℃，生长压力50torr～500torr，但不限于此。
S23：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，生长温度为1000℃～1200℃，生长压力50torr～500torr，但不限于此。
S24：在N型GaN层上生长有源层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD周期性生长量子阱层和量子垒层，直至得到有源层。其中，量子阱层的生长温度为700℃～800℃，生长压力为100torr～500torr。
其中，每个量子垒层的制备方法均包括：
(I)生长YGaN层；
其中，可通过MBE或MOCVD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1000℃～1100℃，生长压力为100torr～500torr；其生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:(1～10):(1～20)。
(II)在YGaN层上生长Si掺GaN层；
其中，可通过MOCVD、MBE或VPE生长Si掺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Si掺GaN层，其生长温度为800℃～1000℃，生长压力为100torr～500torr；其生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:(1～10):(1～20)。
(III)在Si掺GaN层上生长BScN层；
具体的，可通过PVD、MOCVD、MBE或VPE生长BScN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BScN层，其生长温度为900℃～1000℃，生长压力为100torr～500torr；其生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:(1～10):(1～20)。
S25：在有源层上生长电子阻挡层；
其中，通过PVD、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AlyGa1-yN层，作为电子阻挡层，其生长温度为1000℃～1100℃，生长压力100torr～300torr。
S26：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，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，生长温度为1000℃～1100℃，生长压力100torr～600torr。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1、图2，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6、P型GaN层7和P型接触层8。
其中，衬底1为蓝宝石衬底。缓冲层2为AlN层，其厚度为80nm。非掺杂GaN层3的厚度为2μm，N型GaN层4的厚度为2μm，Si掺杂浓度为3×1019cm-3。
其中，有源层5为周期性交替堆叠的量子阱层51和量子垒层52，堆叠周期数为10。量子阱层52为InxGa1-xN层(x＝0.18)，其厚度为3nm。每个量子垒层52均包括依次层叠的YGaN层521、Si掺GaN层522和BScN层523。其中，YGaN层521中Y组分占比为0.13，厚度为3.5nm；Si掺GaN层522中Si掺杂浓度为7×1018cm-3，厚度为2.5nm；BScN层523中Sc组分占比为0.42，厚度为4.5nm。
其中，电子阻挡层6为AlyGa1-yN层(y＝0.55)，厚度为50nm。P型GaN层7的厚度为100nm，Mg掺杂浓度为2×1020cm-3。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法为：
(1)提供衬底；
(2)在衬底上生长缓冲层；
具体的，采用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，生长温度为1120℃，生长压力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，生长温度为1150℃，生长压力200torr。
(5)在N型GaN层上生长有源层；
其中，通过MOCVD周期性生长量子阱层和量子垒层，直至得到有源层。其中，量子阱层的生长温度为760℃，生长压力为300torr。
其中，每个量子垒层的生长方法为：
(I)生长YGaN层；
其中，通过MOCVD生长YGaN层，其生长温度为1050℃，生长压力为300torr；其生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:5:12。
(II)在YGaN层上生长Si掺GaN层；
其中，，通过MOCVD生长Si掺GaN层，其生长温度为980℃，生长压力为300tor；其生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:5:18。
(III)在Si掺GaN层上生长BScN层；
其中，通过MOCVD生长BScN层，其生长温度为930℃，生长压力为300torr；其生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:5:8。
(6)在有源层上生长电子阻挡层；
其中，通过MOCVD生长AlyGa1-yN层，作为电子阻挡层，生长温度为1080℃，生长压力200torr。
(7)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，通过MOCVD生长P型GaN层，生长温度为1050℃，生长压力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：
YGaN层521中Y组分占比为0.45，厚度为0.8nm；Si掺GaN层522中Si掺杂浓度为4×1018cm-3，厚度为8.5nm；BScN层523中Sc组分占比为0.3，厚度为1.2nm。
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：
随着有源层5的周期数增加，每个量子垒层52中Si掺GaN层522的Si掺杂浓度呈递减变化。但每个Si掺GaN层中Si掺杂浓度相同。
具体的，掺咋浓度由6×1018cm-3递减至3×1018cm-3。
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：
YGaN层521中Y组分占比为0.35，BScN层523中Sc组分占比为0.2。
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521的厚度为2nm，Si掺GaN层522的厚度为6nm，BScN层523的厚度为1.5nm。
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：
量子垒层52为GaN层，其厚度为10.5nm。其通过MOCVD制备得到，其生长温度为900℃，生长压力为300torr。
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：
量子垒层52不包括YGaN层，相应的，制备方法中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：
量子垒层52不包括Si掺GaN层，相应的，制备方法中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：
量子垒层52不包括YScN层，相应的，制备方法中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所得的发光二极管外延片进行亮度测试，并以对比例1中的发光二极管外延片为基准，计算其他实施例、对比例的光效提升率，具体结果如下表所示：
具体结果如下：
由表中可以看出，当在外延结构中引入本发明的量子垒层以后，可有效提升发光效率。
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，包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层包括多个交替层叠的量子阱层和量子垒层；其特征在于，每个所述量子垒层均包括依次层叠的YGaN层、Si掺GaN层和BScN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YGaN层中Y组分占比为0.15～0.5，厚度为0.5nm～3nm。
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Si掺GaN层中Si掺杂浓度为1×1017cm3～5×1018cm3，厚度为0.5nm～10nm。
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BScN层中B组分占比为0.1～0.4，厚度为0.1nm～5nm。
5.如权利要求1～4任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述YGaN层的厚度为1nm～3nm，所述Si掺GaN层的厚度为3nm～9nm，所述BScN层的厚度为0.5nm～2nm。
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YGaN中Y组分占比为0.3～0.4，所述BScN层中B组分占比为0.15～0.25。
7.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1～6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、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层包括多个交替层叠的量子阱层和量子垒层；每个所述量子垒层均包括依次层叠的YGaN层、Si掺GaN层和BScN层。
8.如权利要求7所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述YGaN层的生长温度为1000℃～1100℃，生长压力为100torr～500torr；
所述Si掺GaN层的生长温度为800℃～1000℃，生长压力为100torr～500torr；
所述BScN层的生长温度为900℃～1000℃，生长压力为100torr～400torr。
9.如权利要求7所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述量子垒层的生长气氛为N2、H2和NH3的混合气体，且N2、H2和NH3的体积比为1:1:1～1:10:20。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1～6任一项所述的发光二极管外延片。
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