CN117293240A - 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，所述发光二极管外延片包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力抵消层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述应力抵消层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为Cr掺杂的GaN层，所述第二子层包括依次层叠的Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层。本发明制得的发光二极管，可以释放GaN外延层的张应力及有源区的失配应力，从而提高发光二极管外延片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
GaN基半导体具有高功率、高效率、高工作温度等特点，已广泛应用于电力电子、微波通信等领域。有源区中InGaN量子阱中的In组分较高，InGaN量子阱与n型GaN层之间存在较大的失配应力，从而产生层与层之间的界面缺陷和层内的缺陷，导致产生漏电通道以及InGaN量子阱中的In组分并入难、晶体缺陷多和极化电场大等问题。为解决这一问题，通常在n型GaN层之后插入InGaN/GaN超晶格层来缓冲有源区的失配应力。
但是衬底与GaN外延层之间也存在较大的张应力，使用AlN材料作为缓冲层后，由于GaN与AlN存在晶格常数的差异，所以在GaN与AlN的界面处存在部分缺陷，产生位错缺陷并延伸至发光层。对于常见的InGaN/GaN超晶格应力释放层，无法释放衬底与GaN外延层之间较大的张应力，而张应力的不断累积甚至导致外延层断裂，其次GaN的晶格扭转能较高，导致应力释放不充分。
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，可以释放GaN外延层的张应力及有源区的失配应力，从而提高发光二极管外延片的发光效率。
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，工艺简单，制得的发光二极管外延片发光效率高。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力抵消层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述应力抵消层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为Cr掺杂的GaN层，所述第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为1-20。
作为上述技术方案的改进，所述第一子层的厚度为1nm-100nm。
作为上述技术方案的改进，所述Cr掺杂的AlGaN层的厚度为5nm-10nm，所述BGaN层的厚度0.5nm-10nm。
作为上述技术方案的改进，所述Cr掺杂的GaN层的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述Cr掺杂的AlGaN层中的掺杂浓度为1.5×1018cm-3-5×1019cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述Cr掺杂的AlGaN层中的Al组分占比为0.01-0.6。
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，包括以下步骤：
提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力抵消层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
其中，所述应力抵消层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为Cr掺杂的GaN层，所述第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为1-20。
作为上述技术方案的改进，所述应力抵消层的生长温度400℃-1100℃，生长压力为50Torr-500Torr。
作为上述技术方案的改进，所述应力抵消层的生长气氛为N2和NH3，N2和NH3的流量比为1:(1-10)。
相应的，本发明还公开了一种发光二极管，包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明在N型GaN层和多量子阱层之间生长应力抵消层，应力抵消层包括第一子层和第二子层，第一子层为Cr掺杂的GaN层，第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构。沉积Cr掺杂的GaN层，Cr元素的引入，表现为受主能级，可以缓解电子的迁移速率，从而减少电子的溢流。Cr掺杂的AlGaN层的晶格常数大于BGaN层晶格常数，交替堆叠，两者张应力与压应力交替变化，有效释放外延层累积的应力，还可以提高界面的晶体质量，避免位错线延伸至多量子阱层中产生压电极化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的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，下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，包括衬底1及依次层叠于所述衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、应力抵消层5、多量子阱层6、电子阻挡层7和P型GaN层8。
其中，应力抵消层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为Cr掺杂的GaN层，所述第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为1-20。
首先沉积第一子层，Cr元素主要以Ga替位形式进入GaN晶格中，增大了GaN层在C轴的晶格常数，因为Cr掺杂的GaN层的晶格常数大于GaN的晶格常数，因此会对GaN产生张应力，以抵消由底层累积产生的压应力；同时Cr元素的引入，表现为受主能级，可以缓解电子的迁移速率，从而减少电子的溢流。接着沉积第二子层，交替层叠的Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层可以减少缺陷，提高界面的晶体质量，减少位错线延伸至多量子阱层中，避免压电极化的产生；此外由于B原子较小，可以不断填补缺陷，从而提高发光效率。
在一种实施方式中，所述第一子层的厚度为1nm-100nm。示例性的，所述第一子层的厚度为1nm、10nm、20nm、50nm或100nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述Cr掺杂的AlGaN层的厚度为5nm-10nm，所述BGaN层的厚度0.5nm-10nm。交替堆叠的Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层，由于两层的厚度足够薄，在不断地交替生长过程中，可以不断扭曲界面里的应力，而且由于Cr掺杂的AlGaN层的晶格常数大于BGaN层晶格常数，两者交替堆叠，张应力与压应力交替变化，进一步有效释放了外延层累积的应力。
在一种实施方式中，所述Cr掺杂的GaN层的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3。若Cr掺杂的GaN层的掺杂浓度＜1×1018cm-3，不能提供足够的张应力；若Cr掺杂的GaN层的掺杂浓度＞1×1020cm-3，会影响Cr掺杂的GaN层与GaN的晶格匹配。示例性的，所述Cr掺杂的GaN层的掺杂浓度为1×1018cm-3、1.5×1018cm-3、7×1018cm-3、1×1019cm-3、5×1018cm-3或1×1020cm-3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述Cr掺杂的AlGaN层中的掺杂浓度为1.5×1018cm-3-5×1019cm-3。若Cr掺杂的AlGaN层的掺杂浓度＜1.5×1018cm-3，无法阻挡位错延伸；若Cr掺杂的AlGaN层的掺杂浓度＞5×1019cm-3，会影响Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层的晶格匹配。示例性的，所述Cr掺杂的AlGaN层的掺杂浓度为1.5×1018cm-3、5×1018cm-3、1×1019cm-3或5×1019cm-3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述Cr掺杂的AlGaN层中的Al组分占比为0.01-0.6。示例性的，所述Cr掺杂的AlGaN层中的Al组分占比为0.01、0.05、0.2、0.4或0.6，但不限于此。
除了上述应力抵消层外，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、SiO2/蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。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，形核层2为AlN缓冲层，所述缓冲层2的厚度为10nm-50nm。
在一种实施方式中，所述非掺杂GaN层3的厚度为1μm-5μm。
在一种实施方式中，所述N型GaN层4的厚度为2μm-3μm，N型掺杂可以为Si掺杂，Si掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1019cm-3。
在一种实施方式中，所述多量子阱层6包括周期性堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，堆叠周期为6-12。所述InGaN量子阱层的厚度为2nm-5nm，In组分为0.1-0.3；所述AlGaN量子垒层的厚度为5nm-15nm，Al组分占比为0.01-0.1。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层7为AlInGaN层，所述AlInGaN层的厚度为10nm-40nm，其中Al组分占比为0.005-0.1，In组分占比为0.01-0.2。
在一种实施方式中，所述P型GaN层8的厚度为10nm-50nm，P型掺杂可以为Mg掺杂，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3-1×1021cm-3。
相应的，如图2所示，本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一种衬底：
选用蓝宝石衬底，将衬底加载至MOCVD中，控制反应室温度为1000℃-1200℃，压力为200Torr-600Torr，在H2气氛下对蓝宝石衬底进行5min-8min的高温退火，对蓝宝石衬底表面的颗粒和氧化物进行清洁。
S200生长缓冲层：
采用PVD生长，控制溅射温度为600℃-900℃，溅射功率为1500W-3000W，靶材为纯铝(纯度99.999％)，溅射反应气体为N2和Ar的混合气体。
在一种实施方式中，还包括：
S300对已沉积缓冲层的衬底进行预处理：
将已镀完缓冲层的衬底转入MOCVD中，在H2气氛进行预处理1min-10min，处理温度为1000℃-1200℃，再对衬底进行氮化处理。
S400生长非掺杂GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1050℃-1200℃，压力为100Torr-600Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S500生长N型GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1050℃-1200℃，压力为100Torr-600Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为掺杂源。
S600生长应力抵消层，具体的，在一种实施方式中，包括以下步骤：
S601生长第一子层：
采用MOCVD制备GaN薄膜，控制反应室温度为800℃-1100℃，压力为50Torr-500Torr，通入NH3作为N源，N2作为载气，N2和NH3的流量比为1:(1-10)，通入TEGa作为Ga源；降温后在350℃-450℃采用高能离子注入法在100keV-300keV下注入铬离子，生长Cr掺杂的GaN层。
S602生长第二子层：
采用MOCVD制备AlGaN薄膜，控制反应室温度为800℃-1000℃，压力为50Torr-500Torr，通入NH3作为N源，N2作为载气，N2和NH3的流量比为1:(1-10)，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源，降温后在350℃-450℃采用高能离子注入法在100keV-300keV下注入铬离子，生长Cr掺杂的AlGaN层；保持反应室温度和压力不变，通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TEB作为B源，生长BGaN层。
在一种实施方式中，重复层叠周期性生长Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层。
S700生长多量子阱层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790℃-810℃，压力为50Torr-300Torr，通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，生长InGaN量子阱层；控制反应室温度为800℃-900℃，保持压力不变，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，生长AlGaN量子垒层；重复层叠周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。
S800生长电子阻挡层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃-1000℃，压力为100Torr-300Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源。
S900生长P型GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃-1050℃，压力为100Torr-600Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为掺杂源。
下面以具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力抵消层、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AlN缓冲层，厚度为15nm。
非掺杂GaN层的厚度为2μm。
N型GaN层的厚度为2μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
应力抵消层包括第一子层和第二子层。第一子层为Cr掺杂的GaN层，厚度为60nm，Cr掺杂浓度为1.5×1019cm-3。第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为10，单个Cr掺杂的AlGaN层的厚度为6nm，Cr掺杂浓度为1.5×1019cm-3，Al组分占比为0.1；单个BGaN层的厚度为3nm。
多量子阱层为交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，层叠周期数为10。InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，In组分占比为0.2；AlGaN量子垒层的厚度为9.8nm，Al组分占比为0.05。
电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为15nm，Al组分占比延外延层生长方向由0.01渐变至0.05，In组分占比为0.01。
P型GaN层的厚度为15nm，Mg掺杂浓度为2×1020cm-3。
上述发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S100提供一种衬底：
选用蓝宝石衬底，将衬底加载至MOCVD中，控制反应室温度为1100℃，压力为250Torr，在H2气氛下对蓝宝石衬底进行6min的高温退火，对蓝宝石衬底表面的颗粒和氧化物进行清洁。
S200生长缓冲层：
采用PVD生长，控制溅射温度为750℃，溅射功率为2000W，靶材为纯铝(纯度99.999％)，溅射反应气体为N2和Ar的混合气体。
S300对已沉积缓冲层的衬底进行预处理：
将已镀完缓冲层的衬底转入MOCVD中，在H2气氛进行预处理6min，处理温度为1100℃，再对衬底进行氮化处理。
S400生长非掺杂GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1100℃，压力为150Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S500生长N型GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1120℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为掺杂源。
S600生长应力抵消层，具体的，包括以下步骤：
S601生长第一子层：
采用MOCVD制备GaN薄膜，控制反应室温度为900℃，压力为150Torr，通入NH3作为N源，N2作为载气，N2和NH3的流量比为1:10，通入TEGa作为Ga源；降温后在450℃采用高能离子注入法在250keV下注入铬离子，生长Cr掺杂的GaN层。
S602生长第二子层：
采用MOCVD制备AlGaN薄膜，控制反应室温度为950℃，压力为150Torr，通入NH3作为N源，N2作为载气，N2和NH3的流量比为1:10，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源，降温后在450℃采用高能离子注入法在250keV下注入铬离子，生长Cr掺杂的AlGaN层；保持反应室温度和压力不变，通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TEB作为B源，生长BGaN层；重复层叠周期性生长Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层。
S700生长多量子阱层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为795℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，生长InGaN量子阱层；控制反应室温度为855℃，保持压力不变，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，生长AlGaN量子垒层；重复层叠周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。
S800生长电子阻挡层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为965℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源。
S900生长P型GaN层：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为985℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为掺杂源。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，应力抵消层包括第一子层和第二子层。第一子层为Cr掺杂的GaN层，厚度为60nm，Cr掺杂浓度为5×1019cm-3。第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为10，单个Cr掺杂的AlGaN层的厚度为6nm，Cr掺杂浓度为1.5×1019cm-3，Al组分占比为0.1；单个BGaN层的厚度为3nm。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，应力抵消层包括第一子层和第二子层。第一子层为Cr掺杂的GaN层，厚度为60nm，Cr掺杂浓度为5×1018cm-3。第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为10，单个Cr掺杂的AlGaN层的厚度为6nm，Cr掺杂浓度为1.5×1019cm-3，Al组分占比为0.1；单个BGaN层的厚度为3nm。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，不包括应力抵消层。相应的，在制备方法中，也不包括应力抵消层的制备步骤。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，应力抵消层为Cr掺杂的GaN层，厚度为60nm，Cr掺杂浓度为5×1018cm-3。相应的，在制备方法中，不包括第二子层的制备步骤。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，应力抵消层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为10，单个Cr掺杂的AlGaN层的厚度为6nm，Cr掺杂浓度为1.5×1019cm-3，Al组分占比为0.1；单个BGaN层的厚度为3nm。相应的，在制备方法中，不包括第一子层的制备步骤。其余均与实施例2相同。
性能测试：
将实施例1-3和对比例1-3制得的发光二极管外延片做成10mil×24mil的芯片，并在120mA/60mA电流下进行光电性能测试，分别计算实施例1-3和对比例2、3相对于对比例1的光效提升，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
| 光效提升 | |
| 实施例1 | 2.0％ |
| 实施例2 | 3.6％ |
| 实施例3 | 2.5％ |
| 对比例2 | 0.4％ |
| 对比例3 | 0.7％ |
由表1结果可知，采用本发明的应力抵消层，相较于传统外延结构的发光二极管，光效可以提升2.0％-3.6％，表明本发明中的应力抵消层可有效提升发光二极管的发光效率。
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)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力抵消层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述应力抵消层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为Cr掺杂的GaN层，所述第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为1-20。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为1nm-100nm。
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Cr掺杂的AlGaN层的厚度为5nm-10nm，所述BGaN层的厚度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Cr掺杂的GaN层的掺杂浓度为1×1018cm-3-1×1020cm-3。
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Cr掺杂的AlGaN层中的掺杂浓度为1.5×1018cm-3-5×1019cm-3。
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Cr掺杂的AlGaN层中的Al组分占比为0.01-0.6。
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，包括以下步骤：
提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力抵消层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
其中，所述应力抵消层包括第一子层和第二子层，所述第一子层为Cr掺杂的GaN层，所述第二子层为Cr掺杂的AlGaN层和BGaN层交替层叠形成的周期性结构，周期数为1-20。
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，所述应力抵消层的生长温度400℃-1100℃，生长压力为50Torr-500Torr。
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，所述应力抵消层的生长气氛为N2和NH3，N2和NH3的流量比为1:(1-10)。
10.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括如权利要求1-6任一项所述的发光二极管外延片。
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