CN116936700B - 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。发光二极管外延片依次包括衬底、AlN缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型复合层、电子阻挡层和P型GaN层,P型复合层包括依次层叠的Mg3N2层、P‑GaN层、P‑InGaN层,P‑GaN层中Mg的掺杂浓度<P‑InGaN层中Mg的掺杂浓度;Mg3N2层的生长温度<P‑GaN层的生长温度<P‑InGaN层的生长温度;Mg3N2层的生长压力>P‑GaN层的生长压力>P‑InGaN层的生长压力。实施本发明,可提升发光二极管的发光效率、降低工作电压。
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
GaN作为第三代半导体的“明星”材料,因具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高和抗辐射能力强等特性,是制备发光器件和高频高功率电子器件的理想材料 GaN基发光二极管(LED)由于光效高、寿命长、调节带宽高、调节性能好、响应灵敏等优点,已经受到学术界和产业界的广泛研究和关注。当前主流的GaN基LED是基于多量子阱(MQW)结构,其多量子阱层是有InGaN阱层(well)与GaN垒层(barrier)周期性交叠生长而成。由于InGaN阱层具有宽度小、带隙窄的特点,可与有源区内的GaN垒层形成阶梯式的能带结构,可将注入的电子和空穴限制在二维空间内,增大电子空穴的复合程度从而提高其复合发光效率。然而,由于GaN基材料中的电子和空穴的浓度以及迁移率相差较大,电子的迁移速率约是空穴的几十倍,导致在量子阱有源区内电子与空穴的分布不均,发光主要集中于后面几个量子阱中,且在大电流密度下,其发光效率迅速下降,造成这一现象的重要原因之一是因为空穴的注入不足。主流的GaN基LED会在外延结构引入低温恒压的P型层来提高空穴的注入,主要因为低温P型层可以通过外延层的V型坑帮助空穴注入,增加阱内空穴浓度;然而,随着注入电流密度的增加,单一的低P型层难以提供较高浓度的空穴注入,会导致大电流密度下的LED的光效迅速下降,引起droop效应。
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,其可提升大电流密度下发光二极管的发光效率,降低工作电压。
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、工作电压低。
为了解决上述问题,本发明公开了一种发光二极管外延片,包括衬底和依次设于所述衬底上的AlN缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型复合层、电子阻挡层和P型GaN层,所述P型复合层包括依次层叠的Mg3N2层、P-GaN层、P-InGaN层,其中P-GaN层和P-InGaN层的P型掺杂元素为Mg;
所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度<所述P-InGaN层中Mg的掺杂浓度;
所述Mg3N2层的生长温度<所述P-GaN层的生长温度<所述P-InGaN层的生长温度;
所述Mg3N2层的生长压力>所述P-GaN层的生长压力>所述P-InGaN层的生长压力。
作为上述技术方案的改进,所述Mg3N2层的厚度为3nm~10nm;
所述P-GaN层的厚度为5nm~30nm,所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3~5×1018cm-3;
所述P-InGaN层的厚度为4nm~10nm,In组分的占比为0.05~0.15,所述P-InGaN层中Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~9.5×1018cm-3。
作为上述技术方案的改进,所述Mg3N2层的生长温度为700℃~725℃,生长压力为350torr~450torr;
所述P-GaN层的生长温度为726℃~750℃,生长压力为250torr~349torr;
所述P-InGaN层的生长温度为751℃~775℃,生长压力为150torr~249torr。
作为上述技术方案的改进,所述P型复合层还包括P-InAlGaN层,所述P-InAlGaN层设于所述P-InGaN层之上,所述P-InAlGaN层的厚度为4nm~10nm,In组分的占比为0.05~0.15,Al组分的占比为0.25~0.55,所述P-InAlGaN层中Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~9.5×1018cm-3。
作为上述技术方案的改进,所述P-InAlGaN层的生长温度为776℃~800℃,生长压力为50torr~149torr。
作为上述技术方案的改进,沿外延生长方向,所述P-InAlGaN层中In组分的占比由0.15逐渐降低至0.05,Al组分的占比由0.25逐渐提高至0.55。
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AlN缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型复合层、电子阻挡层和P型GaN层,所述P型复合层包括依次层叠的Mg3N2层、P-GaN层、P-InGaN层,其中P-GaN层和P-InGaN层的P型掺杂元素为Mg;
所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度<所述P-InGaN层中Mg的掺杂浓度;
所述Mg3N2层的生长温度<所述P-GaN层的生长温度<所述P-InGaN层的生长温度;
所述Mg3N2层的生长压力>所述P-GaN层的生长压力>所述P-InGaN层的生长压力。
作为上述技术方案的改进,所述Mg3N2层生长时,以N2和H2的混合气体作为载气,且N2与H2的体积比为1:1~1:5;
所述P-GaN层生长时,以N2和H2的混合气体作为载气,且N2与H2的体积比为1:1~1:5;
所述P-InGaN层生长时,以N2作为载气。
作为上述技术方案的改进,所述P型复合层还包括P-InAlGaN层,所述P-InAlGaN层设于所述P-InGaN层之上,所述P-InAlGaN层生长时,以N2作为载气。
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:
1. 本发明的发光二极管外延片中,P型复合层包括依次层叠的Mg3N2层、P-GaN层和P-InGaN层。首先,P型复合层可提供空穴,提高进入多量子阱区的空穴浓度,提高二极管的发光效率;其次,Mg3N2层设于多量子阱层之上,其在低温高压下生长为三维结构,可引导空穴通过V型坑快速注入到多量子阱层中,提高空穴迁移率,降低工作电压;再者,P-GaN层本身可产生少量空穴,提高进入多量子阱区的空穴浓度,并且P-GaN层的生长温度稍有提高、生长压力稍有降低,其仍生长为三维结构,进一步起到引导空穴的作用,提高二极管的发光效率;最后,P-InGaN层中的In组分可降低Mg的激活能,提高Mg的掺杂浓度,并且P-InGaN层的生长温度较高,生长压力较低,提高In和Mg组分的并入,进一步提高空穴浓度。综上,本发明的P型复合层可提升大电流密度下LED的光效,降低工作电压,缓解droop效应。
2. 本发明的发光二极管外延片中,P型复合层还包括P-InAlGaN层,P-InAlGaN层设于P-InGaN层之上,其中In组分可降低Mg的激活能,提高Mg的掺杂浓度,提高空穴浓度;Al组分可提高禁带宽度,阻挡多量子阱层中的电子,减少电子溢流。二者综合,P-InAlGaN层可增加多量子阱层电子空穴的复合,提高二极管发光效率。此外,P-InAlGaN层采用高温低压生长,可保证Mg组分的并入,并且提高晶格质量,提高二极管发光效率。
3. 本发明的发光二极管外延片中,P-InAlGaN层中In组分的占比逐渐降低,Al组分的占比逐渐提高,实现与电子阻挡层的晶格缓冲和能阶匹配,渐变In组分可以产生极化电荷,从而提高空穴注入效率。
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应力释放层的结构示意图;
图3是本发明一实施例中多量子阱层的结构示意图;
图4是本发明一实施例中P型复合层的结构示意图;
图5是本发明另一实施例中P型复合层的结构示意图;
图6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4,本发明公开了一种发光二极管外延片,包括衬底1和依次设于衬底1上的AlN缓冲层2、本征GaN层3、N型GaN层4、应力释放层5、多量子阱层6、P型复合层7、电子阻挡层8和P型GaN层9。
其中,P型复合层7包括依次层叠的Mg3N2层71、P-GaN层72和P-InGaN层73,其中P-GaN层72和P-InGaN层73的P型掺杂元素为Mg。Mg的掺杂可提供空穴,提高进入多量子阱区的空穴浓度,提高二极管的发光效率。
其中,Mg3N2层71设于多量子阱层6之上。具体的,Mg3N2层71的生长温度为700℃~725℃,生长压力为350torr~450torr。其在低温高压下生长为三维结构,并且会优先生长于多量子阱层6的V型坑内,因此Mg3N2层71可引导空穴通过V型坑快速注入到多量子阱层6中,提高空穴迁移率,降低工作电压。具体的,Mg3N2层71的厚度为3nm~20nm,当其厚度>20nm时,容易产生裂纹;当Mg3N2层71的厚度<3nm时,无法有效提高空穴迁移率。优选的,Mg3N2层71的厚度为3nm~10nm,示例性的为4nm、6nm、8nm或9nm,但不限于此。
其中,P-GaN层72本身可产生少量空穴,提高进入多量子阱区的空穴浓度。具体的,P-GaN层72的生长温度为726℃~750℃,生长压力为250torr~349torr。P-GaN层72的生长温度稍有提高、生长压力稍有降低,其仍生长为三维结构,进一步起到引导空穴的作用,提高二极管的发光效率。具体的,P-GaN层72的厚度为4nm~40nm。当P-GaN层72的厚度>40nm时,会带来过多的缺陷,降低发光效率;当P-GaN层72的厚度<4nm时,难以有效增加空穴浓度。优选的,P-GaN层72的厚度为5nm~30nm,示例性的为5.5nm、6nm、9nm、10nm、15nm、20nm、25nm,但不限于此。
具体的,P-GaN层72中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3~5×1018cm-3。当Mg的掺杂浓度>5×1018cm-3时,会带来过多的缺陷,降低发光效率;当Mg的掺杂浓度<5×1017cm-3时,难以有效增加空穴浓度。优选的,Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3~5×1018cm-3,示例性的为1.5×1018cm-3、2×1018cm-3、2.5×1018cm-3、3×1018cm-3、3.5×1018cm-3、4×1018cm-3或4.5×1018cm-3,但不限于此。
其中,P-InGaN层73中的In组分可降低Mg的激活能,提高Mg的掺杂浓度,提高空穴浓度。具体的,P-InGaN层73的生长温度为751℃~775℃,生长压力为150torr~249torr。P-InGaN层73的生长温度较高,生长压力较低,提高In和Mg组分的并入,进一步提高空穴浓度。具体的,P-InGaN层73的厚度为3nm~12nm。优选的为4nm~10nm,示例性的为4.5nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm,但不限于此。
具体的,P-InGaN层73中的In组分的占比为0.03~0.18,In组分的占比较低,可减少与P-GaN层72之间的晶格失配。优选的,P-InGaN层73中的In组分的占比为0.05~0.15,示例性的0.08、0.1、0.12或0.14,但不限于此。
具体的,P-InGaN层73中Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~1×1019cm-3。当Mg的掺杂浓度>1×1019cm-3时,会带来过多的缺陷,降低发光效率;当Mg的掺杂浓度<5.3×1018cm-3时,难以有效增加空穴浓度。优选的,Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~9.5×1018cm-3,示例性的为5.5×1018cm-3、6×1018cm-3、6.5×1018cm-3、7×1018cm-3、7.5×1018cm-3、8×1018cm-3、8.5×1018cm-3或9×1018cm-3,但不限于此。
优选的,在本发明的一个实施例中,参考图5,P型复合层7还包括P-InAlGaN层74,P-InAlGaN层74设于P-InGaN层73之上,其中In组分可降低Mg的激活能,提高Mg的掺杂浓度,提高空穴浓度;Al组分可提高禁带宽度,阻挡多量子阱层中的电子,减少电子溢流。二者综合,P-InAlGaN层74可增加多量子阱层6电子空穴的复合,提高二极管发光效率。
具体的,P-InAlGaN层74的生长温度为776℃~800℃,生长压力为50torr~149torr。P-InAlGaN层采用高温低压生长,可保证Mg组分的并入,并且提高晶格质量,提高二极管发光效率。
具体的,P-InAlGaN层74的厚度为4nm~10nm,当其厚度>10nm时,会带来过多的缺陷,降低发光效率;当其厚度<4nm时,难以有效提高空穴浓度、阻挡电子。示例性的,P-InAlGaN层74的厚度为4.5nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm,但不限于此。
具体的,P-InAlGaN层74中In组分的占比为0.05~0.15,In组分的占比在这个范围内,可降低Mg的激活能,同时不会带来过多的缺陷。示例性的,In组分的占比为0.08、0.1、0.12或0.14,但不限于此。具体的,P-InAlGaN层74中Al组分的占比为0.25~0.55,Al组分在这个范围内,既可以有效地限制电子溢流,也可以减少对空穴的阻挡,提升空穴向多量子阱层6的注入效率。示例性的,Al组分的占比为0.3、0.35、0.4、0.45或0.5,但不限于此。
具体的,P-InAlGaN层74中Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~9.5×1018cm-3。当Mg的掺杂浓度>9.5×1018cm-3时,会带来过多的缺陷,降低发光效率;当Mg的掺杂浓度<5.3×1018cm-3时,难以有效增加空穴浓度。示例性的,Mg的掺杂浓度为5.5×1018cm-3、6×1018cm-3、6.5×1018cm-3、7×1018cm-3、7.5×1018cm-3、8×1018cm-3、8.5×1018cm-3或9×1018cm-3,但不限于此。
优选的,在本发明的一个实施例中,沿外延生长方向,P-InAlGaN层74中In组分的占比由0.15逐渐降低至0.05,Al组分的占比由0.25逐渐提高至0.55,实现与电子阻挡层8的晶格缓冲和能阶匹配,渐变In组分可以产生极化电荷,从而提高空穴注入效率。
其中,衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、SiC衬底或GaN衬底,但不限于此。
其中,AlN缓冲层2的厚度为20nm~100nm,示例性的为25nm、30nm、35nm、40nm、50nm、70nm或85nm,但不限于此。
其中,本征GaN层3的厚度为1.2μm~1.8μm,示例性的为1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm或1.7μm,但不限于此。
其中,N型GaN层4的掺杂元素为Si,但不限于此。N型GaN层4的掺杂浓度为2.5×1018cm-3~1.2×1019cm-3。N型GaN层4的厚度为1.5μm~2μm,示例性的为1.6μm、1.7μm、1.8μm或1.9μm,但不限于此。
其中,应力释放层5为周期性结构,周期数为4~8,每个周期均包括依次层叠的InGaN层51和N-GaN层52。N-GaN层52的掺杂元素为Si,但不限于此。N-GaN层52的掺杂浓度为3.2×1017cm-3~6.5×1017cm-3。单个InGaN层51的厚度为3nm~6nm,单个N-GaN层52的厚度为6nm~10nm。
其中,多量子阱层6为交替堆叠的InGaN量子阱层61和GaN量子垒层62,堆叠周期数5~10。单个InGaN量子阱层61的厚度为2nm~4nm,单个GaN量子垒层62的厚度为8nm~20nm。
其中,电子阻挡层8为AlGaN层,但不限于此。电子阻挡层8的厚度为10nm~50nm,示例性的为15nm、20nm、25nm、30nm、35nm或40nm,但不限于此。
其中,P型GaN层9的掺杂元素为Mg,但不限于此。P型GaN层9中Mg的掺杂浓度为2.5×1018cm-3~1.5×1019cm-3。P型GaN层9的厚度为20nm~100nm,示例性的为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm或90nm,但不限于此。
相应的,参考图6,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,其包括以下步骤:
S100:提供衬底;
S200:在衬底上生长AlN缓冲层;
具体的,可采用磁控溅射法(PVD)生长AlN缓冲层,生长温度为500℃~650℃,功率为4000W~6000W,生长时,以Ar为溅射气体,以N2为前驱体,以Al为溅射靶材,通少量O2调节晶体质量。
S300:在AlN缓冲层上生长本征GaN层;
具体地,在MOCVD中生长本征GaN层,生长温度为1050℃~1150℃,生长压力为100torr~500torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
S400:在本征GaN层上生长N型GaN层;
具体的,在MOCVD中生长N型GaN层,生长温度为1100℃~1200℃,生长压力为100torr~150torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
S500:在N型GaN层上生长应力释放层;
具体的,在MOCVD中周期性生长InGaN层和N-GaN层,以形成应力释放层。其中,InGaN层的生长温度为750℃~850℃,生长压力为100torr~200torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源。其中,N-GaN层的生长温度为850℃~950℃,生长压力为100torr~200torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源,以H2作为载气,通入TEGa作为Ga源。
S600:在应力释放层上生长多量子阱层;
具体的,在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层,以形成多量子阱层。其中,InGaN量子阱层的生长温度为700℃~720℃,生长压力为100torr~200torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源。其中,GaN量子垒层的生长温度为850℃~950℃,生长压力为100torr~200torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以H2和N2作为载气,通入TEGa作为Ga源。
S700:在多量子阱层上生长P型复合层;
具体的,在本发明的一个实施例之中,S700包括:
S710:在多量子阱层上生长Mg3N2层;
具体的,在MOCVD中生长Mg3N2层,生长温度为700℃~725℃,生长压力为350torr~450torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,以H2和N2作为载气,且N2与H2的体积比为1:1~1:5。Mg3N2层采用低温高压生长,有利于Mg3N2层三维生长,可帮助空穴通过V型坑快速注入到多量子阱层中,提高空穴迁移率,降低工作电压。
S720:在Mg3N2层上生长P-GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为726℃~750℃,生长压力为250torr~349torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TMGa作为Ga源,以H2和N2作为载气,且N2与H2的体积比为1:1~1:5。
S730:在P-GaN层上生长P-InGaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-InGaN层,生长温度为751℃~775℃,生长压力为150torr~249torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源,以N2作为载气。
S740:在P-InGaN层上生长P-InAlGaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-InAlGaN层,生长温度为776℃~800℃,生长压力为50torr~149torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源,通入TMAl作为Al源,以N2作为载气。P-InAlGaN层采用高温低压生长,有利于提高晶格质量。
S800:在P型复合层上生长电子阻挡层;
具体的,在MOCVD中生长AlGaN层,作为电子阻挡层。其中,生长温度为950℃~1100℃,生长压力为150torr~200torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
S900:在电子阻挡层上生长P型GaN层;
具体的,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为1000℃~1100℃,生长压力为100torr~150torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
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4,其包括衬底1和依次设于衬底1上的AlN缓冲层2、本征GaN层3、N型GaN层4、应力释放层5、多量子阱层6、P型复合层7、电子阻挡层8和P型GaN层9。
其中,衬底1为蓝宝石衬底,AlN缓冲层2的厚度为30nm。本征GaN层3的厚度为1.6μm。N型GaN层4的厚度为1.8μm,掺杂元素为Si,Si的掺杂浓度为1×1019cm-3。
其中,应力释放层5为周期性结构,周期数为6,每个周期均包括依次层叠的InGaN层51和N-GaN层52。N-GaN层52的掺杂元素为Si,掺杂浓度为4.5×1017cm-3。单个InGaN层51的厚度为4nm,单个N-GaN层52的厚度为8nm。
其中,多量子阱层6为周期性结构,周期数为8,每个周期为依次层叠的InGaN量子阱层61和GaN量子垒层62,单个InGaN量子阱层61的厚度为3nm,单个GaN量子垒层62的厚度为10nm。
其中,P型复合层7包括依次层叠的Mg3N2层71、P-GaN层72和P-InGaN层73,其中P-GaN层72和P-InGaN层73的P型掺杂元素为Mg。Mg3N2层71的厚度为6nm。P-GaN层72的厚度为5.5nm,P-GaN层72中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3。P-InGaN层73的厚度为4.5nm,In组分的占比为0.1,Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
其中,电子阻挡层8为AlGaN层,厚度为30nm。P型GaN层9的掺杂元素为Mg,掺杂浓度为8×1018cm-3,P型GaN层9的厚度为50nm。
本实施例中用于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AlN缓冲层;
其中,采用磁控溅射法(PVD)生长AlN缓冲层,生长温度为600℃,功率为5000W,以Ar为溅射气体,以N2为前驱体,以Al为溅射靶材,通少量O2调节晶体质量。
(3)在AlN缓冲层上生长本征GaN层;
其中,在MOCVD中生长本征GaN层,生长温度为1120℃,生长压力为300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,N2和H2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层;
其中,在MOCVD中生长N型GaN层,生长温度为1140℃,生长压力为120torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,N2和H2作为载气,通入TMGa作为Ga源,通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN层上生长应力释放层;
其中,在MOCVD中周期性生长InGaN层和N-GaN层,以形成应力释放层。其中,InGaN层的生长温度为850℃,生长压力为150torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源。其中,N-GaN层的生长温度为900℃,生长压力为150torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入SiH4作为N型掺杂源,以H2作为载气,通入TEGa作为Ga源。
(6)在应力释放层上生长多量子阱层;
其中,在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层,以形成多量子阱层。其中,InGaN量子阱层的生长温度为710℃,生长压力为150torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源。其中,GaN量子垒层的生长温度为900℃,生长压力为150torr,生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以H2和N2作为载气,通入TEGa作为Ga源。
(7)在多量子阱层上生长Mg3N2层;
其中,在MOCVD中生长Mg3N2层,生长温度为710℃,生长压力为400torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,以H2和N2作为载气,且N2与H2的体积比为1:3。
(8)在Mg3N2层上生长P-GaN层;
其中,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为740℃,生长压力为300torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TMGa作为Ga源,以H2和N2作为载气,且N2与H2的体积比为1:3。
(9)在P-GaN层上生长P-InGaN层,得到P型复合层;
其中,在MOCVD中生长P-InGaN层,生长温度为760℃,生长压力为200torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源,以N2作为载气。
(10)在P型复合层上生长电子阻挡层;
其中,在MOCVD中生长AlGaN层,作为电子阻挡层,生长温度为1000℃,生长压力为180torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,以N2作为载气,通入TMAl作为Al源,通入TMGa作为Ga源。
(11)在电子阻挡层上生长P型GaN层;
其中,在MOCVD中生长P-GaN层,生长温度为1050℃,生长压力为120torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为P型掺杂源;以H2和N2作为载气,通入TMGa作为Ga源。
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,P-GaN层72中Mg的掺杂浓度为3×1018cm-3,P-InGaN层73中Mg的掺杂浓度为7×1018cm-3,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,参考图1~图3、图5,其与实施例2的区别在于,P型复合层7还包括P-InAlGaN层74,P-InAlGaN层74设于P-InGaN层73之上,P-InAlGaN层74的厚度为8nm,In组分的占比为0.1,Al组分的占比为0.4,Mg的掺杂浓度为8×1018cm-3。相应的,在制备方法中,还包括P-InAlGaN层的制备方法。具体的,在MOCVD中生长P-InAlGaN层,生长温度为780℃,生长压力为100torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源,通入TMAl作为Al源,以N2作为载气。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2的区别在于,P型复合层7还包括P-InAlGaN层74,P-InAlGaN层74设于P-InGaN层73之上,P-InAlGaN层74的厚度为8nm,Mg的掺杂浓度为8×1018cm-3,沿外延生长方向,P-InAlGaN层74中In组分的占比由0.15逐渐降低至0.05,Al组分的占比由0.25逐渐提高至0.55。相应的,在制备方法中,还包括P-InAlGaN层的制备方法。具体的,在MOCVD中生长P-InAlGaN层,生长温度为780℃,生长压力为100torr。生长时,在MOCVD反应室中通入NH3作为N源,通入CP2Mg作为Mg源,通入TEGa作为Ga源,通入TMIn作为In源,通入TMAl作为Al源,以N2作为载气。其余均与实施例2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,P型复合层不包括Mg3N2层和P-InGaN层,相应的,在制备方法中,不包含制备上述两层的步骤。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,P型复合层不包括Mg3N2层,相应的,在制备方法中,不包含制备该层的步骤。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,P型复合层不包括P-InGaN层,相应的,在制备方法中,不包含制备该层的步骤。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,Mg3N2层的生长温度为760℃,生长压力为200torr;P-InGaN层的生长温度为710℃,生长压力为400torr。其余均与实施例1相同。
将实施例1~实施例4,对比例1~对比例4所得的发光二极管外延片进行测试,具体测试方法如下:将实施例和对比例中的不同条件制得的外延片制备成22mil×35mil的芯片,在120mA电流下,使用同一点测机台进行测试其工作电压和发光亮度。
具体结果如下:
由表中可以看出,当将传统的发光二极管结构(对比例1)中的P-GaN层替换为本发明的P型复合层结构时,在大电流下的发光亮度有明显提升,且本发明也降低了工作电压。
此外,通过实施例1与对比例2~对比例4的对比可以看出,当变更本发明中的P型复合层结构或改变其生长条件时,难以有效起到提升亮度、降低工作电压的效果。
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 (7)
1.一种发光二极管外延片,其特征在于,包括衬底和依次设于所述衬底上的AlN缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型复合层、电子阻挡层和P型GaN层,所述P型复合层包括依次层叠的Mg3N2层、P-GaN层、P-InGaN层和P-InAlGaN层,P-GaN层和P-InGaN层的P型掺杂元素为Mg;所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度<所述P-InGaN层中Mg的掺杂浓度;P-InAlGaN层中In组分的占比为0.05~0.15,Al组分的占比为0.25~0.55;且沿外延生长方向,所述P-InAlGaN层中In组分的占比由0.15逐渐降低至0.05,Al组分的占比由0.25逐渐提高至0.55;
所述Mg3N2层的生长温度为700℃~725℃,生长压力为350torr~450torr;
所述P-GaN层的生长温度为726℃~750℃,生长压力为250torr~349torr;
所述P-InGaN层的生长温度为751℃~775℃,生长压力为150torr~249torr;
所述P-InAlGaN层的生长温度为776℃~800℃,生长压力为50torr~149torr。
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Mg3N2层的厚度为3nm~10nm;
所述P-GaN层的厚度为5nm~30nm,所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3~5×1018cm-3;
所述P-InGaN层的厚度为4nm~10nm,In组分的占比为0.05~0.15,所述P-InGaN层中Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~9.5×1018cm-3。
3.如权利要求1或2所述的发光二极管外延片,其特征在于,所述P-InAlGaN层的厚度为4nm~10nm,所述P-InAlGaN层中Mg的掺杂浓度为5.3×1018cm-3~9.5×1018cm-3。
4.一种发光二极管外延片的制备方法,用于制备如权利要求1~3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AlN缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型复合层、电子阻挡层和P型GaN层,所述P型复合层包括依次层叠的Mg3N2层、P-GaN层、P-InGaN层和P-InAlGaN层,P-GaN层和P-InGaN层的P型掺杂元素为Mg;所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度<所述P-InGaN层中Mg的掺杂浓度;P-InAlGaN层中In组分的占比为0.05~0.15,Al组分的占比为0.25~0.55;且沿外延生长方向,所述P-InAlGaN层中In组分的占比由0.15逐渐降低至0.05,Al组分的占比由0.25逐渐提高至0.55;
所述Mg3N2层的生长温度为700℃~725℃,生长压力为350torr~450torr;
所述P-GaN层的生长温度为726℃~750℃,生长压力为250torr~349torr;
所述P-InGaN层的生长温度为751℃~775℃,生长压力为150torr~249torr
所述P-InAlGaN层的生长温度为776℃~800℃,生长压力为50torr~149torr。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述Mg3N2层生长时,以N2和H2的混合气体作为载气,且N2与H2的体积比为1:1~1:5;
所述P-GaN层生长时,以N2和H2的混合气体作为载气,且N2与H2的体积比为1:1~1:5;
所述P-InGaN层生长时,以N2作为载气。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片的制备方法,其特征在于,所述P-InAlGaN层生长时,以N2作为载气。
7.一种发光二极管,其特征在于,包括如权利要求1~3任一项所述的发光二极管外延片。
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