CN117174797A - 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。发光二极管外延片包括衬底和依次设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；所述电子阻挡层包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1‑x‑yN层。实施本发明，可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
传统的发光二极管外延片包括：衬底，以及在衬底上依次生长的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层、P型GaN层。由于电子迁移率高，导致电子容易从有源层溢出到P型GaN层并与空穴复合，从而降低发光效率，此问题在大电流密度下体现的更加严重，因此在外延层中通常设计有电子阻挡层，实现对电子的阻挡，现有电子阻挡层往往为高Al组分的AlGaN材料，这使得现有电子阻挡层在外延生长时会产生大量的位错，影响P型GaN层的晶体质量，使得P型GaN层中形成严重的非辐射复合中心，另一方面，高Al组分的电子阻挡层在阻挡电子的同时，因高势垒以及自发极化和压电极化的作用，电子阻挡层也同时阻碍了P型GaN层的空穴向有源层注入，影响发光效率。
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，其可提高发光二极管的发光效率。
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，包括衬底和依次设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；所述电子阻挡层包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层。
作为上述技术方案的改进，所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层中Mn的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3，Zn的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3，0.2≤x≤0.8，0≤y≤0.2。
作为上述技术方案的改进，所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层的厚度为10nm-100nm。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层设于所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层之上。
作为上述技术方案的改进，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层中Mg的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3，0.1≤a≤0.5，0≤b≤0.1，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的厚度为5nm-20nm。
作为上述技术方案的改进，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的晶格常数介于所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层与所述P型GaN层之间，且沿外延生长的方向逐渐增大。
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；所述电子阻挡层包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层。
作为上述技术方案的改进，所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层的生长温度为850℃-1050℃，生长压力为50torr-200torr。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层设于所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层之上，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50torr-150torr。
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，电子阻挡层包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层。首先，Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层中的Mn具有自旋极化效应，可减少空穴的散射损失，提高空穴的迁移率，且Mn的磁交换作用也可为空穴传导提供额外的传输路径，提高空穴传导性能的同时保持较强的电子阻挡能力，提高发光效率；其次，掺杂Zn元素一方面可以提高空穴的迁移率和传导性能，另一方面，Zn元素与Mn元素间产生杂效应，能中和因掺杂Mn元素而带来的局域化效应；最后，Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层与有源层衔接，采用与有源层相似的材料，可减少与有源层的晶格失配，提高晶格质量，并且减少传统电子阻挡层与有源层之间由于能带变化过大而导致的能带尖峰，避免影响空穴注入，提高发光效率。
2.本发明的发光二极管外延片中，电子阻挡层还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，适当的Mg掺杂可阻碍位错滑移，减少晶体内部缺陷密度，提高晶格质量，提高发光效率。
3.本发明的发光二极管外延片中，Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的晶格常数介于Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层与P型GaN层之间，且沿外延生长的方向逐渐增大，使得电子阻挡层与P型GaN层之间的能阶平缓过渡，提高了晶格质量，提高了发光效率。
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电子阻挡层的结构示意图；
图3是本发明另一实施例中电子阻挡层的结构示意图；
图4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和依次设于衬底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，电子阻挡层6包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61。首先，Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61中的Mn具有自旋极化效应，可减少空穴的散射损失，提高空穴的迁移率，且Mn的磁交换作用也可为空穴传导提供额外的传输路径，提高空穴传导性能的同时保持较强的电子阻挡能力，提高发光效率；其次，掺杂Zn元素一方面可以提高空穴的迁移率和传导性能，另一方面，Zn元素与Mn元素间产生杂效应，能中和因掺杂Mn元素而带来的局域化效应；最后，Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61与有源层5衔接，采用与有源层5相似的材料，可减少与有源层5的晶格失配，提高晶格质量，并且减少传统电子阻挡层与有源层之间由于能带变化过大而导致的能带尖峰，避免影响空穴注入，提高发光效率。
具体的，Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61中Mn的掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1020cm-3，若Mn的掺杂浓度＜1×1018cm-3，不足以显著提升空穴的迁移率和传导性能；若Mn的掺杂浓度＞5×1020cm-3，会带来局域化效应，反而会降低空穴的迁移率和传导性能。优选的，Mn的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3，示例性的为2×1018cm-3、4×1018cm-3、6×1018cm-3、8×1018cm-3、1×1019cm-3、2×1019cm-3、4×1019cm-3、6×1019cm-3或8×1019cm-3，但不限于此。
具体的，Zn的掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1020cm-3，若Zn的掺杂浓度＜1×1018cm-3，难以有效提高空穴的迁移率和传导性能；若Zn的掺杂浓度＞5×1020cm-3，会带来过多的缺陷。优选的，Zn的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3，示例性的为2×1018cm-3、4×1018cm-3、6×1018cm-3、8×1018cm-3、1×1019cm-3、2×1019cm-3、4×1019cm-3、6×1019cm-3或8×1019cm-3，但不限于此。
具体的，0.2≤x≤0.8。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。示例性的，x为0.3、0.4、0.5、0.6或0.7，但不限于此。
具体的，0≤y≤0.2。In组分在这个范围内，可减少与有源层5和P型GaN层7之间的晶格失配。示例性的，y为0.12、0.14、0.16、或0.18，但不限于此。
具体的，Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61的厚度为10nm-120nm。若厚度＜10nm，无法有效起到电子阻挡的作用；若厚度＞120nm，会带来过多的缺陷。优选的，厚度为10nm-100nm，示例性的为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm或90nm，但不限于此。
优选的，在本发明的另一个实施例中，参考图3，电子阻挡层6还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62，Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62设于Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61之上。适当的Mg掺杂可阻碍位错滑移，减少晶体内部缺陷密度，提高晶格质量，提高发光效率。
具体的，Mg的掺杂浓度为1×1017cm-3-5×1019cm-3，若掺杂浓度＜1×1017cm-3，无法有效阻碍位错滑移；若掺杂浓度＞5×1019cm-3，会导致出现大量的镁空位和氮空位，这些空位都会引起晶格畸变，且Mg掺杂浓度过高还会引入堆垛层错这类平面位错以及异质界面缺陷，影响发光效率。优选的，Mg的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3，示例性的为3×1017cm-3、5×1017cm-3、7×1017cm-3、1×1018cm-3、3×1018cm-3、5×1018cm-3、7×1017cm-3或9×1017cm-3，但不限于此。
具体的，0.1≤a≤0.55，0≤b≤0.12，Al和In组分在这个范围内，可减少电子阻挡层6与有源层5和P型GaN层7之间的晶格失配。优选的，0.1≤a≤0.5，0≤b≤0.1，示例性的，a为0.2、0.3或0.4，b为0.02、0.04、0.06或0.08，但不限于此。
具体的，Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62的厚度为5nm-25nm。若厚度＜5nm，难以有效减小晶格失配；若厚度＞25nm，会带来过多的缺陷。优选的，厚度为5nm-20nm，示例性的为8nm、10nm、12nm、14nm、16nm或18nm，但不限于此。
进一步优选的，Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62的晶格常数介于Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61与P型GaN层7之间，且沿外延生长的方向逐渐增大，其中，y为0。基于这种设置，使得电子阻挡层6与P型GaN层7之间的能阶平缓过渡，提高了晶格质量，提高了发光效率。
其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2可为AlN层和/或AlGaN层，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，非掺杂GaN层3的厚度为1μm-1.7μm。
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5×1017cm-3-1×1019cm-3，厚度为1μm-3μm。
其中，有源层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数3-15。单个InGaN量子阱层的厚度为2nm-4nm，单个GaN量子垒层的厚度为8nm-12nm。
其中，P型GaN层7中的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3-5×1021cm-3。P型GaN层7的厚度为15nm-20nm。
相应的，参考图4，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：
S100：提供衬底；
S200：在衬底上生长缓冲层；
具体的，可采用MOCVD生长AlGaN层作为缓冲层，或采用PVD生长AlN层作为缓冲层，但不限于此。优选的，采用MOCVD生长AlGaN层，其生长温度为500℃-700℃，生长压力为200torr-400torr。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TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
S300：在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
具体地，在MOCVD中生长非掺杂GaN层，生长温度为1000℃-1250℃，生长压力为100torr-300torr。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：在非掺杂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1000℃-1200℃，生长压力为100torr-500torr。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层上生长有源层；
具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层，以形成有源层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为760℃-800℃，生长压力为150torr-250torr，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860℃-900℃，生长压力为150torr-250torr，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。
S600：在有源层上生长电子阻挡层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，S600包括：
S610：在有源层上生长Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层；
具体的，在MOCVD中生长Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层，生长温度为850℃-1050℃，生长压力为50torr-200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMMn作为Mn源，通入DMZn作为Zn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。
S620：在Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层上生长Mg掺AlaInbGa1-a-bN层；
具体的，在MOCVD中生长Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50torr-150torr。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。
S700：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为980℃-1050℃，生长压力为100torr-300torr。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2和图4，其包括衬底1和依次设于衬底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，衬底1为蓝宝石衬底；缓冲层2为AlGaN层，其厚度为30nm；非掺杂GaN层3的厚度1.5μm；N型GaN层4中Si的掺杂浓度为7×1018cm-3，其厚度为2μm。有源层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数为10，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6为Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61。Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61中Mn的掺杂浓度为5×1020cm-3，Zn的掺杂浓度为5×1020cm-3，x为0.5，y为0.1，其厚度为120nm。
其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为5×1019cm-3，厚度为15nm。
本实施例中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)在衬底上生长缓冲层；
具体的，采用MOCVD生长AlGaN层，生长温度为600℃，生长压力为300torr。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TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
(3)在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
具体地，采用MOCVD生长非掺杂GaN层，生长温度为1100℃，生长压力为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TMGa作为Ga源。
(4)在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
具体地，采用MOCVD生长N型GaN层，生长温度为1100℃，生长压力为300torr；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。
(5)在N型GaN层上生长有源层；
具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层层和GaN量子垒层，得到有源层；其中，InGaN量子阱层的生长温度为780℃，生长压力为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880℃，生长压力为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。
(6)在有源层上生长电子阻挡层；
具体的，在有源层上生长Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层，作为电子阻挡层。具体的，在MOCVD中生长Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层，生长温度为950℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMMn作为Mn源，通入DMZn作为Zn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。
(7)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为1000℃，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，Mn的掺杂浓度为1×1019cm-3，Zn的掺杂浓度为1×1019cm-3，其厚度为50nm。
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，参考图3，电子阻挡层6还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62，Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62设于Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x- yN层61之上。Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62中Mg的掺杂浓度为5×1019cm-3，a为0.3，b为0.06，其厚度为25nm。相应的，在制备方法中，在MOCVD中生长Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，生长温度为900℃，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3的区别在于，AlxInyGa1-x-yN层61中y为0。Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62中，0.1≤a≤0.5，0≤b≤0.1。Mg掺AlaInbGa1-a-bN层62的晶格常数介于Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层61与P型GaN层7之间，且沿外延生长的方向逐渐增大。
其余均与实施例3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，外延片中电子阻挡层6为AlGaN层，AlGaN层中Al组分的占比为0.5，其厚度为120nm。相应的，在制备方法中，AlGaN层的生长温度为950℃，生长压力为100torr，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，电子阻挡层6中不掺杂Mn，也不掺杂Zn，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，电子阻挡层6中不掺杂Mn，其余均与实施例1相同。
将实施例1-4，对比例1-3所得的发光二极管外延片使用相同的工艺条件制备成15mil*15mil芯片，每个实施例、对比例各制备300颗芯片，在120mA电流下测试，并以对比例1为基准，计算各实施例中光效的提升率，具体的计算结果如下表：
由表中可以看出，将传统的电子阻挡层(对比例1)变更为本发明中的电子阻挡层结构时，有效提升了光效。此外，通过实施例1与对比例2-3的对比可以看出，当变更本发明中的电子阻挡层结构时，难以有效起到提升亮度的效果。
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 (10)
1.一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；其特征在于，所述电子阻挡层包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN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Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层中Mn的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3，Zn的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3，0.2≤x≤0.8，0≤y≤0.2。
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Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层的厚度为10nm-100nm。
4.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，所述电子阻挡层还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层设于所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层之上。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层中Mg的掺杂浓度为1×1017cm-3-1×1019cm-3，0.1≤a≤0.5，0≤b≤0.1，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的厚度为5nm-20nm。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的晶格常数介于所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层与所述P型GaN层之间，且沿外延生长的方向逐渐增大。
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；所述电子阻挡层包括Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层。
8.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层的生长温度为850℃-1050℃，生长压力为50torr-200torr。
9.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层还包括Mg掺AlaInbGa1-a-bN层，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层设于所述Mn/Zn共掺的AlxInyGa1-x-yN层之上，所述Mg掺AlaInbGa1-a-bN层的生长温度为800℃-1000℃，生长压力为50torr-150torr。
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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