CN117423787B - 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SiC衬底及依次沉积在所述SiC衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。本发明能够降低外延层的位错密度，释放衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层的晶体质量，减少缺陷导致的非辐射复合，从而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基材料具有宽禁带、直接带隙、高电子饱和速度、高击穿电场和高热导率等特性，在光电子和微电子领域都有很大的应用潜力。在外延过程中，晶格缺陷往往是非辐射复合中心或漏电途径，因此，外延材料的晶体质量，直接影响着载流子的注入和复合效率，决定了器件的发光功率与频率响应性能。
SiC衬底具有良好的导电性能和导热性能，其芯片可以制成垂直结构。对比硬度大、导热导电性能差的蓝石衬底有较大优势，而且简化衬底减薄加工工艺，降低成本。SiC衬底上生长外延层结构前一般先生长AlN缓冲层，但是AlN缓冲层存在以下缺点：首先，SiC衬底与AlN之间存在晶格失配，导致在AlN层中容易形成缺陷和裂纹。其次，AlN的热膨胀系数小于GaN的热膨胀系数，在降温过程中会使得外延膜中产生张应力，容易导致外延膜中产生裂纹。此外，SiC为层状结构，表面存在大量的台阶，容易诱导外延薄膜产生晶体缺陷，降低GaN外延薄膜的晶体质量。
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，提高GaN外延层晶体质量，减少缺陷导致的非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。
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，制得的发光二极管的发光效率高。
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SiC衬底及依次沉积在所述SiC衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。
作为上述技术方案的改进，所述C、Si共掺杂的AlN层中C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1018cm-3，Si掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；
所述C、Si共掺杂的AlN层的厚度为5nm~50nm。
作为上述技术方案的改进，所述C掺杂浓度和Si掺杂浓度沿外延生长方向逐渐降低。
作为上述技术方案的改进，所述N极性AlInGaN层的Al组分占比为0.01~0.5，In组分占比为0.01~0.2；
所述N极性AlInGaN层的厚度为5nm~50nm。
作为上述技术方案的改进，所述N极性AlInGaN层的Al组分占比和In组分占比沿外延生长方向逐渐降低。
作为上述技术方案的改进，所述二维GaN层为二维Mg掺杂GaN层，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3；
所述二维GaN层的厚度为10nm~100nm。
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SiC衬底，在所述SiC衬底上依次生长复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。
作为上述技术方案的改进，所述C、Si共掺杂的AlN层的沉积温度为800℃~1000℃，沉积压力为100Torr~500Torr，转速为600r/min~1000r/min；
所述N极性AlInGaN层的沉积温度为800℃~1000℃，沉积压力为100Torr~500Torr，转速为600r/min~1000r/min；
所述二维GaN层的沉积温度为600℃~800℃，沉积压力为50Torr~200Torr，转速为1000r/min~1200r/min。
作为上述技术方案的改进，所述N极性AlInGaN层的制备步骤包括：通入Al源、In源、Ga源和N源，生长AlInGaN层；生长完成后，通入NH3进行处理，使AlInGaN层形成N极性接触面，得到N极性AlInGaN层，NH3处理的温度为1000℃~1200℃。
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：
本发明提供的发光二极管的复合缓冲层结构包括C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。沉积C、Si共掺杂的AlN层，引入C元素和Si元素，使得AlN的晶格发生畸变，减少AlN层与衬底之间的晶格失配及热失配，提高晶体质量。然后沉积N极性AlInGaN层，增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高发光二极管器件发光效率，通过调控Al元素和In元素组成，还可以减少其与C、Si共掺杂的AlN层的晶格失配，提高晶体质量。最后沉积二维GaN层，提供平整的成核表面，提高后续沉积非掺杂GaN层的晶体质量。
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SiC衬底1及依次沉积在所述SiC衬底1上的复合缓冲层2、非掺杂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。所述复合缓冲层2包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。
在一种实施方式中，所述C、Si共掺杂的AlN层中C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1018cm-3，示例性的，C掺杂浓度为1×1016cm-3、5×1016cm-3、1×1017cm-3、5×1017cm-3、8.5×1017cm-3或1×1018cm-3，但不限于此。在一种实施方式中，所述C、Si共掺杂的AlN层中Si掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3，示例性的，Si掺杂浓度为1×1018cm-3、5×1018cm-3、1×1019cm-3、5×1019cm-3、8.5×1019cm-3或1×1020cm-3，但不限于此。在一种实施方式中，所述C、Si共掺杂的AlN层的厚度为5nm~50nm，示例性的，所述C、Si共掺杂AlN层的厚度为5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、40nm或50nm，但不限于此。C元素和Si元素的共掺杂使得AlN的晶格发生畸变，减少AlN层与衬底之间的晶格失配及热失配，提高晶体质量。
在一种实施方式中，所述C掺杂浓度和Si掺杂浓度沿外延生长方向逐渐降低。C元素和Si元素的掺杂浓度沿外延方向逐渐降低，可以减少与N极性AlInGaN层的晶格失配，提高后续沉积N极性AlInGaN层的晶体质量。
在一种实施方式中，所述N极性AlInGaN层的Al组分占比为0.01~0.5，示例性的，所述N极性AlInGaN层的Al组分占比为0.01、0.05、0.1、0.2、0.25、0.3、0.4或0.5，但不限于此。在一种实施方式中，所述N极性AlInGaN层的In组分占比为0.01~0.2，示例性的，所述N极性AlInGaN层的In组分占比为0.01、0.05、0.08、0.1、0.15、0.18或0.2，但不限于此。在一种实施方式中，所述N极性AlInGaN层的厚度为5nm~50nm，示例性的，所述N极性AlInGaN层的厚度为5nm、10nm、20nm、25nm、30nm、40nm或50nm，但不限于此。N极性AlInGaN层可以降低外延层的极化效应，增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高发光二极管器件发光效率。通过调控AlInGaN层中Al组分及In组分占比，可以减少其与C、Si共掺杂AlN层的晶格失配，提高晶体质量。
在一种实施方式中，所述N极性AlInGaN层的Al组分占比和In组分占比沿外延生长方向逐渐降低。Al组分占比和In组分占比沿外延生长方向逐渐降低，可以增加其与后续生长的二维GaN层的晶格匹配。
在一种实施方式中，所述二维GaN层为二维Mg掺杂GaN层，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3。若Mg掺杂浓度小于1×1017cm-3，无法使得GaN层在较小厚度内形成二维表面；若Mg掺杂浓度大于1×1019cm-3，则会造成缺陷的增加，示例性的，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3、5×1017cm-3、1×1018cm-3、5×1018cm-3、8.5×1018cm-3或1×1019cm-3，但不限于此。在一种实施方式中，所述二维GaN层的厚度为10nm~100nm，示例性的，所述二维GaN层的厚度为10nm、20nm、30nm、50nm、75nm、90nm或100nm，但不限于此。二维GaN层的生长提供了平整的成核表面，此外，在二维GaN层中掺杂少量的Mg可以减少其成核生长的接触角，使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积非掺杂GaN层的晶体质量。
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SiC衬底。
S200 在所述SiC衬底上依次生长复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层。所述复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。
在一种实施方式中，通入NH3对所述SiC衬底进行氮化处理，氮化处理的温度为1000℃~1200℃。通过氮化处理在SiC衬底表面形成Si-N键，促进C、Si共掺杂的AlN层在SiC衬底表面的沉积。
在一种实施方式中，所述C、Si共掺杂的AlN层的制备方法包括以下步骤：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为100Torr~500Torr，转速为600r/min~1000r/min，通入N源、Al源、C源和Si源。
在一种实施方式中，所述N极性AlInGaN层的制备方法包括以下步骤：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为100Torr~500Torr，转速为600r/min~1000r/min，通入N源、Ga源、Al源和In源，沉积AlInGaN层；再通入NH3进行处理，使AlInGaN层形成N极性接触面，得到N极性AlInGaN层，NH3处理的温度为1000℃~1200℃。
在一种实施方式中，所述二维GaN层的制备方法包括以下步骤：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为600℃~800℃，压力为50Torr~200Torr，转速为1000r/min~1200r/min，通入N源、Ga源和Mg源。沉积方式采用低温、低压、高转速，较低的沉积的温度可以有效释放之前外延层累积的热失配应力，低压和高转速则是为了提高原子迁移率，促进二维生长。
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SiC衬底及依次沉积在SiC衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层。复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。
C、Si共掺杂的AlN层中C掺杂浓度为5×1017cm-3，Si掺杂浓度为3×1019cm-3。C、Si共掺杂的AlN层的厚度为35nm。
N极性AlInGaN层的Al组分占比为0.2，In组分占比为0.15。N极性AlInGaN层的厚度为25nm。
二维GaN层的Mg掺杂浓度为5×1017cm-3。二维GaN层的厚度为65nm。
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SiC衬底。
S200 在所述SiC衬底上依次生长复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层。复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN层。
具体的，C、Si共掺杂的AlN层的制备方法包括以下步骤：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃，压力为200Torr，转速为700r/min，通入N源、Al源、C源和Si源。
N极性AlInGaN层的制备方法包括以下步骤：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃，压力为250Torr，转速为800r/min，通入N源、Ga源、Al源和In源，沉积AlInGaN层；再通入NH3进行处理，使AlInGaN层形成N极性接触面，得到N极性AlInGaN层，NH3处理的温度为1100℃。
二维GaN层的制备方法包括以下步骤：
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃，压力为120Torr，转速为1100r/min，通入N源、Ga源和Mg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，N极性AlInGaN层的Al组分占比沿外延方向由0.2降至0.05，In组分占比沿外延方向由0.15降至0.05。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，C、Si共掺杂的AlN层中C掺杂浓度沿外延方向由5×1017cm-3降至5×1016cm-3，Si掺杂浓度沿外延方向由3×1019cm-3降至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，通入NH3对SiC衬底进行氮化处理，氮化处理的温度为1100℃。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，与实施例1的区别在于，缓冲层为AlN缓冲层，厚度为50nm；相应的，在制备方法中，缓冲层的制备方法包括：采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃，压力为200Torr，转速为700r/min，通入N源和Al源。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，与实施例1的区别在于，复合缓冲层为C、Si共掺杂的AlN层和N极性AlInGaN层；相应的，在制备方法中，不包括二维GaN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，与实施例1的区别在于，复合缓冲层为C、Si共掺杂的AlN层和二维GaN层；相应的，在制备方法中，不包括N极性AlInGaN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
性能测试：
(1)缺陷情况：对实施例1~实施例4和对比例1~对比例3制得的发光二极管外延片进行XRD测试，分别测试(002)面和(102)面的衍射主峰半峰宽。
(2)发光亮度：将实施例1~实施例4和对比例1~对比例3制得的发光二极管外延片做成10mil×24mil的LED芯片，在120mA/60mA电流下测试发光亮度，并计算实施例1~实施例4、对比例2和对比例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性能测试结果
由表中可以看出，采用本发明的发光二极管外延片的结构能够有效提高发光二极管的发光亮度。
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SiC衬底及依次沉积在所述SiC衬底上的复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN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C、Si共掺杂的AlN层中C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1018cm-3，Si掺杂浓度为1×1018cm-3~1×1020cm-3；
所述C、Si共掺杂的AlN层的厚度为5nm~50nm。
3.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述C掺杂浓度和Si掺杂浓度沿外延生长方向逐渐降低。
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N极性AlInGaN层的Al组分占比为0.01~0.5，In组分占比为0.01~0.2；
所述N极性AlInGaN层的厚度为5nm~50nm。
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N极性AlInGaN层的Al组分占比和In组分占比沿外延生长方向逐渐降低。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述二维GaN层为二维Mg掺杂GaN层，Mg掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1019cm-3；
所述二维GaN层的厚度为10nm~100nm。
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SiC衬底，在所述SiC衬底上依次生长复合缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合缓冲层包含C、Si共掺杂的AlN层、N极性AlInGaN层和二维GaN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C、Si共掺杂的AlN层的沉积温度为800℃~1000℃，沉积压力为100Torr~500Torr，转速为600r/min~1000r/min；
所述N极性AlInGaN层的沉积温度为800℃~1000℃，沉积压力为100Torr~500Torr，转速为600r/min~1000r/min；
所述二维GaN层的沉积温度为600℃~800℃，沉积压力为50Torr~200Torr，转速为1000r/min~1200r/min。
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N极性AlInGaN层的制备步骤包括：通入Al源、In源、Ga源和N源，生长AlInGaN层；生长完成后，通入NH3进行处理，使AlInGaN层形成N极性接触面，得到N极性AlInGaN层，NH3处理的温度为1000℃~1200℃。
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中任一项所述的发光二极管外延片。
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