CN117153980A - 适用于Micro-LED的外延片及其制备方法、Micro-LED - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于Micro‑LED的外延片及其制备方法、Micro‑LED，所述适用于Micro‑LED的外延片包括衬底，及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；所述多量子阱层为势阱层和势垒层交替层叠形成的周期性结构，所述势阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层。实施本发明，能够在提升外延片片内波长集中度的同时提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种适用于Micro-LED的外延片及其制备方法、Micro-LED。
背景技术
目前，GaN基发光二极管已经大量应用于固态照明领域以及显示领域。其中，Micro-LED是以自发光的微米量级LED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术，有望促使显示屏向轻薄化、小型化、低功耗和高亮度的方向发展，被誉为“下一代微显示器技术”。现有的LED多量子阱一般为InGaN势阱层和GaN势垒层重复层叠的周期性结构，首先，由于晶格失配，势阱层受到压应力而产生能带弯曲，导致电子和空穴在空间上发生分离，无法满足Micro-LED所需的更高的发光效率；同时，压电极化还会导致不同大小电流下发光波长发生偏移，不利于Micro-LED显示一致性；此外，由于Micro-LED的尺寸是传统LED的几十分之一甚至更小，无法采用传统的挑拣与分选技术，因此对Micro-LED外延片对波长均匀性的要求更高，但是势阱层中In组分的偏析会影响发光二极管的发光波长均匀性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适用于Micro-LED的外延片，可以在提升外延片片内波长集中度的同时提升发光效率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种适用于Micro-LED的外延片的制备方法，工艺简单，性能稳定。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种适用于Micro-LED的外延片，包括衬底，及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述多量子阱层为势阱层和势垒层交替层叠形成的周期性结构，所述势阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述BInN层中B组分的占比为0.1-0.3，所述BInN层的厚度为1-3nm。
作为上述技术方案的改进，所述InGaN层中In组分的占比为0.1-0.3，所述InGaN层的厚度为1-3nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层的厚度为0.5-3nm。
作为上述技术方案的改进，所述BN层的厚度为1-3nm。
相应的，本发明还提供了一种适用于Micro-LED的外延片的制备方法，用于制备上述的适用于Micro-LED的外延片，包括以下步骤：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述多量子阱层为势阱层和势垒层交替层叠形成的周期性结构，所述势阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层的生长温度为600-800℃，生长压力为100-300Torr；
所述BN层的生长温度为900-950℃，生长压力为300-500Torr；
所述BInN层的生长温度为750-800℃，生长压力为300-500Torr；
所述InGaN层的生长温度为750-800℃，生长压力为100-200Torr。
作为上述技术方案的改进，所述AlN层的V/Ⅲ比为600-900；所述BN层的V/Ⅲ比为200-500，所述BInN层的V/Ⅲ比为200-500，所述InGaN层的V/Ⅲ比为1000-1500。
作为上述技术方案的改进，生长所述AlN层、BN层、BInN层和InGaN层的载气均为N2。
相应的，本发明还提供了一种Micro-LED，所述Micro-LED包括上述的适用于Micro-LED的外延片。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明提供的发光二极管外延片的势阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层。AlN层用于形成晶种；BN层作为第一包覆层，包覆AlN层，形成三维岛状结构；并且B原子和Al原子都很小，AlN和BN材料的引入，可以减少势阱层和势垒层的晶格失配，减少势阱层所受的压应力，从而减少势阱层和势垒层的压电极化效应，增加电子和空穴的波函数重叠，从而增加载流子的复合，增强发光效率；BInN作为第二包覆层，可以减少BN层和InGaN层的晶格失配，减少能带弯曲，从而减少压电极化，提升电子空穴的有效复合；InGaN层作为填平层，被三维岛天然分开，减少了传统多量子阱层容易出现的In团簇现象，使得In组分分布更均匀，大大提升了发光波长均匀性。
先三维生长，再进行填平的生长方式，也有利于从三个维度释放多量子阱内部应力，减少压电极化，提升发光效率，使得InGaN填平生长时，内部应力很小，In组分更容易分布均匀，从而提升发光波长的均匀性。压电效应减少也改善了Micro-LED中注入不同大小电流时发生的波长偏移。
附图说明
图1是本发明实施例1中的适用于Micro-LED的外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的适用于Micro-LED的外延片的多量子阱层的结构示意图；
图3是本发明实施例1中的适用于Micro-LED的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和图2所示，本发明实施例提供了一种适用于Micro-LED的外延片，包括衬底1，及依次层叠在所述衬底1上的缓冲层2、本征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，多量子阱层5为势阱层51和势垒层52交替层叠形成的周期性结构，所述势阱层51包括依次层叠的AlN层511、BN层512、BInN层513和InGaN层514。
本发明通过设置依次层叠的AlN层511、BN层512、BInN层513和InGaN层514作为势阱层51，可以提升势阱层51的In组分分布均匀性，减少压电极化效应，在提升外延片片内波长集中度的同时提升发光效率。首先，生长AlN形核层，形成晶种；然后用BN材料作为第一包覆层，包覆AlN形核层，形成三维岛状结构；采用BInN作为第二包覆层，BInN的晶格常数介于BN和InGaN之间，可以减少BN层和InGaN层的晶格失配，减少能带弯曲，从而减少压电极化，提升电子空穴的有效复合；InGaN材料作为填平层，被三维岛天然分开，这样减少了传统多量子阱层容易出现的In团簇现象，使得In组分分布更均匀，大大提升了发光波长均匀性。
先三维生长再进行填平的生长方式，也有利于从三个维度释放多量子阱内部应力，减少压电极化，提升发光效率，使得InGaN填平生长时，内部应力很小，In组分更容易分布均匀。并且B原子和Al原子都很小，AlN和BN材料的引入，可以减少势阱层和势垒层的晶格失配，减少势阱层所受的压应力，从而减少势阱层和势垒层的压电极化效应，增加电子和空穴的波函数重叠，从而增加载流子的复合，增强发光效率。压电效应的减少，可以改善Micro-LED中注入不同大小电流时的波长偏移。
在一种实施方式中，所述BInN层中B组分的占比为0.1-0.3，所述BInN层的厚度为1-3nm。B组分的占比过大或过小都无法缓解BN层和InGaN层的晶格失配。示例性的，B组分的占比为0.1、0.15、0.2、0.25或0.3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述InGaN层中In组分的占比为0.1-0.3，所述InGaN层的厚度为1-3nm。In组分的占比过大，会引起晶格质量的下降，In组分的占比过小，则会导致发光效率的降低。示例性的，In组分的占比为0.1、0.15、0.2、0.25或0.3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述AlN层的厚度为0.5-3nm。AlN层的厚度过低，无法提供足够的成核晶种，AlN层的厚度过高，则会引起晶格质量的下降。示例性的，AlN层的厚度为0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、2.5nm或3nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述BN层的厚度为1-3nm。BN层的厚度过低，无法很好的形成三维岛状结构，BN层的厚度过高，则会引起晶格质量的下降。示例性的，BN层的厚度为1nm、1.5nm、2nm、2.5nm或3nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述势垒层为GaN层，所述势垒层的厚度为6-15nm，所述多量子阱层的周期数为3-15。
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，所述衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底中的一种。优选的，衬底1选用蓝宝石衬底。
在一种实施方式中，所述缓冲层2为AlGaN缓冲层或AlN缓冲层。优选的，缓冲层2为AlGaN缓冲层。缓冲层2的厚度为25-75nm。
在一种实施方式中，所述本征GaN层3的厚度为300-800nm。
在一种实施方式中，所述n型GaN层4为Si掺杂，Si掺杂浓度为3×1018-8×1018cm-3，n型GaN层4的厚度为1-3μm。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层6为AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层交替生长的周期性结构；其中a的取值范围为0.05-0.2，b的取值范围为0.1-0.5，电子阻挡层6的厚度为20-100nm。
在一种实施方式中，所述p型GaN层7为Mg掺杂，Mg掺杂浓度为5×1017-1×1020cm-3，p型GaN层7的厚度为1-5nm。
如图3所示，本发明还公开了一种适用于Micro-LED的外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一种衬底：
所述衬底选用蓝宝石衬底。在一种实施方式中，控制反应室温度为1000-1200℃，压力为200-600Torr，在H2气氛下对衬底进行5-8min的高温退火，对衬底表面的颗粒和氧化物进行清洁。
S101生长缓冲层：
所述缓冲层为AlGaN缓冲层。控制反应室温度为500-700℃，压力为200-400Torr，通入NH3提供N源，N2和H2做载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
S102生长本征GaN层：
控制反应室温度为1100-1150℃，压力为100-500Torr，通入NH3提供N源，N2和H2做载气，通入TMGa作为Ga源。
S103生长n型GaN层：
控制反应室温度为1110-1150℃，压力为100-500Torr，通入NH3提供N源，N2和H2做载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为n型掺杂。
S104生长多量子阱层：
控制反应室温度为600-800℃，压力为100-500Torr，生长势阱层；控制反应室温度为800-900℃，压力为100-200Torr，通入NH3为N源，H2和N2做载气，通入TEGa作为Ga源，生长势垒层；重复层叠周期性生长势阱层和势垒层。
具体的，在一种实施方式中，势阱层的生长包括以下步骤：
S104a生长AlN层：
控制反应室温度为600-800℃，压力为100-300Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入TMAl作为Al源，V/Ⅲ比为600-900。通过V/Ⅲ比控制AlN层中的Al含量，若Al含量太高，会造成Al原子分布不均匀，使得后续三维岛分布不均匀，从而影响In组分分布均匀性；若Al含量太低则更容易二维生长，不容易形成形核层。
S104b生长BN层：
控制反应室温度为900-950℃，压力为300-500Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入C6H15B为B源，V/Ⅲ比为200-500。
S104c生长BInN层：
控制反应室温度为750-800℃，压力为300-500Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入C6H15B为B源，通入TMIn作为In源，V/Ⅲ比为200-500。
S104d生长InGaN层：
控制反应室温度为750-800℃，压力为100-200Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，V/Ⅲ比为1000-1500。低温有利于In组分的并入，低压和高的V/Ⅲ比有利于二维生长。
势阱层的载气均为N2，生长过程中不通入H2，采用N2为载气生长势阱层，可以提高势阱层的晶体质量。
S105生长电子阻挡层：
控制反应室温度为800-1000℃，压力为200-500Torr，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，生长AlaGa1-aN层；保持反应室温度和压力不变，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长InbGa1bN层。
S106生长p型GaN层：
控制反应室温度为800-1000℃，压力为100-300Torr，通入NH3为N源，N2和H2做载气，通入TMGa为Ga源，通入Cp2Mg为p型掺杂。
相应的，本发明还提供了一种Micro-LED，所述Micro-LED包括上述的适用于Micro-LED的外延片。
下面以具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例提供一种适用于Micro-LED的外延片，包括衬底，及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层。
其中，衬底为蓝宝石衬底。
缓冲层为AlGaN层，厚度为30nm。
本征GaN层的厚度为600nm。
N型GaN层中Si的掺杂浓度为5×1018cm-3，厚度为2μm。
多量子阱层包括周期性交替生长的量子阱层和量子垒层，周期数为10。量子阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层，其中，AlN层的厚度为2nm，BN层的厚度为1nm，BInN层中B组分占比为0.15，BInN层的厚度为2.5nm，InGaN层中In组分占比为0.1，InGaN层的厚度为2.5nm；量子垒层为GaN层，量子垒层的厚度为15nm。
电子阻挡层为Al0.1Ga0.9N层和In0.3Ga0.7N层交替生长的周期性结构，电子阻挡层的厚度为30nm。
p型GaN层中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为4nm。
上述适用于Micro-LED的外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一种衬底：
选用蓝宝石衬底。控制反应室温度为1100℃，压力为250Torr，在H2气氛下对衬底进行6min的高温退火，对衬底表面的颗粒和氧化物进行清洁。
S101生长缓冲层：
控制反应室温度为600℃，压力为200Torr，通入NH3提供N源，N2和H2做载气，通入TMGa提供Ga源，通入TMAl作为Al源。
S102生长本征GaN层：
控制反应室温度为1100℃，压力为200Torr，通入NH3提供N源，N2和H2做载气，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200Torr，通入NH3提供N源，N2和H2做载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为n型掺杂。
S104生长多量子阱层：
重复层叠周期性生长势阱层和势垒层。其中，控制反应室温度为850℃，压力为200Torr，通入NH3为N源，H2和N2做载气，通入TEGa作为Ga源，生长势垒层。
势阱层的生长包括以下步骤：
S104a生长AlN层：
控制反应室温度为700℃，压力为200Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入TMAl作为Al源，V/Ⅲ比为750。
S104b生长BN层：
控制反应室温度为900℃，压力为400Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入C6H15B为B源，V/Ⅲ比为400。
S104c生长BInN层：
控制反应室温度为750℃，压力为350Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入C6H15B为B源，通入TMIn作为In源，V/Ⅲ比为300。
S104d生长InGaN层：
控制反应室温度为800℃，压力为200Torr，通入NH3为N源，N2做载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，V/Ⅲ比为1200。
S105生长电子阻挡层：
控制反应室温度为1000℃，压力为250Torr，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，生长Al0.1Ga0.9N层；保持反应室温度和压力不变，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长In0.3Ga0.7N层。
S106生长p型GaN层：
控制反应室温度为900℃，压力为200Torr，通入NH3为N源，N2和H2做载气，通入TMGa为Ga源，通入Cp2Mg为p型掺杂。
实施例2
本实施例提供一种适用于Micro-LED的外延片，其与实施例1的区别在于，多量子阱层包括周期性交替生长的量子阱层和量子垒层，周期数为10。量子阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层，其中，AlN层的厚度为2nm，BN层的厚度为1nm，BInN层中B组分占比为0.2，BInN层的厚度为2nm，InGaN层中In组分占比为0.2，InGaN层的厚度为3nm；量子垒层为GaN层，量子垒层的厚度为15nm。
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，其与实施例1的区别在于，势阱层中不包括AlN层、BN层和BInN层，相应的，制备方法中不包括AlN层、BN层和BInN层的制备步骤，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，势阱层中不包括BInN层，相应的，制备方法中不包括BInN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，势阱层中不包括AlN层和BN层，相应的，制备方法中不包括AlN层和BN层的制备步骤，其余均与实施例1相同。
性能测试：
对实施例1、2和对比例1-3制得的发光二极管外延片制成2mil×3mil的LED芯片并进行光学性能测试，具体测试方法如下：
(1)亮度：测试芯片在3mA电流下的平均发光亮度；
(2)波长均匀性：测试芯片在3mA电流下的峰值波长，计算峰值波长标准差；
(3)波长偏移：分别测试芯片在1mA电流下的波长λa和3mA电流下的波长λb，通过λ＝λa-λb计算波长偏移λ。
检测结果如表1所示。
表1发光二极管外延片的光电性能测试结果
由表1结果可知，本发明实施例提供的适用于Micro-LED的外延片制得的芯片的发光亮度和波长集中度均有显著提升，与对比例1比较，实施例1的亮度由23mcd提升至28mcd，波长均匀性由1.23nm改善至0.98nm，波长偏移由3.5nm降低至2.5nm。
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)
1.一种适用于Micro-LED的外延片，其特征在于，包括衬底，及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述多量子阱层为势阱层和势垒层交替层叠形成的周期性结构，所述势阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层。
2.如权利要求1所述的适用于Micro-LED的外延片，其特征在于，所述BInN层中B组分的占比为0.1-0.3，所述BInN层的厚度为1-3nm。
3.如权利要求1所述的适用于Micro-LED的外延片，其特征在于，所述InGaN层中In组分的占比为0.1-0.3，所述InGaN层的厚度为1-3nm。
4.如权利要求1所述的适用于Micro-LED的外延片，其特征在于，所述AlN层的厚度为0.5-3nm。
5.如权利要求1所述的适用于Micro-LED的外延片，其特征在于，所述BN层的厚度为1-3nm。
6.一种适用于Micro-LED的外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的适用于Micro-LED的外延片，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、本征GaN层、n型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和p型GaN层；
所述多量子阱层为势阱层和势垒层交替层叠形成的周期性结构，所述势阱层包括依次层叠的AlN层、BN层、BInN层和InGaN层。
7.如权利要求6所述的适用于Micro-LED的外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN层的生长温度为600-800℃，生长压力为100-300Torr；
所述BN层的生长温度为900-950℃，生长压力为300-500Torr；
所述BInN层的生长温度为750-800℃，生长压力为300-500Torr；
所述InGaN层的生长温度为750-800℃，生长压力为100-200Torr。
8.如权利要求6所述的适用于Micro-LED的外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN层的V/Ⅲ比为600-900；所述BN层的V/Ⅲ比为200-500；所述BInN层的V/Ⅲ比为200-500；所述InGaN层的V/Ⅲ比为1000-1500。
9.如权利要求6所述的适用于Micro-LED的外延片的制备方法，其特征在于，生长所述AlN层、BN层、BInN层和InGaN层的载气均为N2。
10.一种Micro-LED，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的适用于Micro-LED的外延片。
Priority Applications (1)
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| CN202310873215.3A CN117153980A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 适用于Micro-LED的外延片及其制备方法、Micro-LED |
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- 2023-07-17 CN CN202310873215.3A patent/CN117153980A/zh active Pending
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