CN117558846A - 发光二极管外延片及其制备方法、led - 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、LED，所述发光二极管外延片包括硅衬底，所述硅衬底上依次设有复合层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN层。本发明提供的发光二极管外延片能够降低外延层位错密度，释放硅衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、LED。
背景技术
GaN基半导体材料的蓝绿光LED已被广泛应用如白光照明、全彩显示、交通指示灯等等。在硅衬底上外延比在6H-SiC或蓝宝石衬底上要难很多，主要由于GaN主要的晶体体结构是(2H)六方纤锌矿结构，而硅是金刚石立方结构，而且硅衬底很容易被氨气裂解出的氮原子钝化形成无定形的SixNy层，使得GaN几乎无法在硅衬底上成核。同时硅衬底可以很快与Ga原子反应形成Si-Ga合金会在外延层表面形成大的花型缺陷。
在硅衬底上的GaN的异质外延通常采用AlN复合层技术。第一，AlN层与硅衬底大的晶格失配仍会产生大量的位错，同时GaN外延层还会受到大的张应力；第二，在硅衬底上的外延层生长的高温降至室温时，又由于GaN同硅衬底之间更大的热失配使得GaN外延层受到更大的张应力而产生大量的裂纹。
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，其降低外延层位错密度，释放硅衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，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，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括硅衬底，所述硅衬底上依次设有复合层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN层。
在一种实施方式中，所述氮化石墨烯层的厚度为1nm～100nm。
在一种实施方式中，所述C掺杂AlN层的厚度为1nm～100nm；
所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度为5×1016atoms/cm3～5×1018atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度沿生长方向逐渐降低。
在一种实施方式中，所述N极性AlGaN层的厚度为0.5μm～5μm；
所述N极性AlGaN层的Al组分为0.04～0.5。
在一种实施方式中，所N极性AlGaN层的Al组分沿生长方向逐渐降低。
为解决上述问题，本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备硅衬底；
S2、在所述硅衬底上依次沉积复合层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN层。
在一种实施方式中，所述氮化石墨烯层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～100torr，射频功率为15W～22W，通入CH4和H2，CH4与H2的通入比例为1：(1～20)，生长石墨烯层；
在1000℃～1200℃条件下，所述石墨烯层经NH3气体氮化处理得到氮化石墨烯层。
在一种实施方式中，所述N极性AlGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～500torr，通入Al源、Ga源和N源，生长AlGaN层；
在1000℃～1100℃条件下，所述AlGaN层经NH3气体处理得到N极性AlGaN层。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED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：
本发明提供的发光二极管外延片，其在硅衬底上设有具有特定结构的复合层，所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN层。
所述氮化石墨烯层不仅可以阻断Si与Ga原子的合金共融现象，而且氮化石墨烯层的-N键可为所述C掺杂AlN层提供成核点。所述C掺杂AlN层的C掺杂元素可以使AlN层晶格发生畸变，减少与氮化石墨烯层的晶格失配度。进一步地，所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度沿生长方向逐渐降低，能够提高后续沉积N极性AlGaN层的晶体质量。所述N极性AlGaN层提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角。进一步地，所N极性AlGaN层的Al组分沿生长方向逐渐降低，可以减少后续沉积GaN层的晶格失配，提高晶体质量。另外，所述N极性维AlGaN层可以改变后续沉积GaN层的极性，降低多量子阱层的极化效应，提高发光效率。并且，在所述C掺杂AlN层上沉积N极性AlGaN层释放了GaN和衬底之间因晶格失配产生的应力以及因热膨胀系数失配产生的热应力。
综上，本发明通过在硅衬底上设有具有特定结构的复合层，降低了外延层位错密度，释放硅衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图3为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的步骤S2的流程图。
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。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，如图1所示，包括硅衬底100，所述硅衬底100上依次设有复合层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、多量子阱层500、电子阻挡层600、P型GaN层700；
所述复合层200包括依次沉积在所述硅衬底100上的氮化石墨烯层210、C掺杂AlN层220和N极性AlGaN层230。
所述复合层200的具体结构如下：
在一种实施方式中，所述氮化石墨烯层210的厚度为1nm～100nm；所述氮化石墨烯层210的示例性厚度为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm，但不限于此。在一种实施方式中，所述氮化石墨烯层采用下述方法制得：将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～100torr，射频功率为15W～22W，通入CH4和H2，CH4与H2的通入比例为1：(1～20)，生长石墨烯层；在1000℃～1200℃条件下，所述石墨烯层经NH3气体氮化处理得到氮化石墨烯层。所述氮化石墨烯层210不仅可以阻断Si与Ga原子的合金共融现象，而且氮化石墨烯层的-N键可为所述C掺杂AlN层提供成核点。
在一种实施方式中，所述C掺杂AlN层220的厚度为1nm～100nm，所述C掺杂AlN层220的示例性厚度为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm，但不限于此。所述C掺杂AlN层的C掺杂元素可以使AlN层晶格发生畸变，减少与氮化石墨烯层的晶格失配度。
在一种实施方式中，所述C掺杂AlN层220的C掺杂浓度为5×1016atoms/cm3～5×1018atoms/cm3；优选地，所述C掺杂AlN层220的C掺杂浓度为1×1017atoms/cm3～1×1018atoms/cm3；更佳地，所述C掺杂AlN层220的C掺杂浓度沿生长方向逐渐降低。所述C掺杂AlN层220的C掺杂浓度沿生长方向逐渐降低，能够提高后续沉积N极性AlGaN层的晶体质量。
在一种实施方式中，所述N极性AlGaN层230的厚度为0.5μm～5μm；所述N极性AlGaN层230的示例性厚度为1μm、2μm、3μm、4μm，但不限于此。在一种实施方式中，所述N极性AlGaN层230采用下述方法制得：将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～500torr，通入Al源、Ga源和N源，生长AlGaN层；在1000℃～1100℃条件下，所述AlGaN层经NH3气体处理得到N极性AlGaN层。所述N极性AlGaN层提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角。另外，所述N极性维AlGaN层可以改变后续沉积GaN层的极性，降低多量子阱层的极化效应，提高发光效率。并且，在所述C掺杂AlN层上沉积N极性AlGaN层释放了GaN和衬底之间因晶格失配产生的应力以及因热膨胀系数失配产生的热应力。
在一种实施方式中，所述N极性AlGaN层230的Al组分为0.04～0.5。优选地，所N极性AlGaN层230的Al组分沿生长方向逐渐降低。所N极性AlGaN层230的Al组分沿生长方向逐渐降低，可以减少后续沉积GaN层的晶格失配，提高晶体质量。
综上，本发明通过在硅衬底上设有具有特定结构的复合层，降低了外延层位错密度，释放硅衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。
相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、准备硅衬底100；
硅衬底尺寸大、价格便宜，可以降低外延生长成本，对比硬度大、导热导、电性质差的蓝石衬底而言，硅衬底有较大优势，而且简化衬底减薄加工工艺，降低成本。
S2、在所述硅衬底100上依次沉积复合层200、非掺杂GaN层300、N型GaN层400、多量子阱层500、电子阻挡层600、P型GaN层700。
如图3所示，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21、在硅衬底100上沉积复合层200。
所述复合层200包括依次沉积在所述硅衬底100上的氮化石墨烯层210、C掺杂AlN层220和N极性AlGaN层230。
在一种实施方式中，所述氮化石墨烯层210采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～100torr，射频功率为15W～22W，通入CH4和H2，CH4与H2的通入比例为1：(1～20)，生长石墨烯层；
在1000℃～1200℃条件下，所述石墨烯层经NH3气体氮化处理得到氮化石墨烯层。
在一种实施方式中，所述C掺杂AlN层220采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～300torr，通入Al源、N源和C源，生长C掺杂AlN层；
然后在1000℃～1200℃条件下，对所述C掺杂AlN层进行H2气体处理。
在一种实施方式中，所述N极性AlGaN层230采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～500torr，通入Al源、Ga源和N源，生长AlGaN层；
在1000℃～1100℃条件下，所述AlGaN层经NH3气体处理得到N极性AlGaN层。
S22、在复合层200上沉积非掺杂GaN层300。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1050℃～1300℃，压力控制为100torr～600torr，通入N源、Ga源，生长厚度为1μm～5μm的非掺杂GaN层。
S23、在非掺杂GaN层300上沉积N型GaN层400。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1050℃～1200℃，压力控制在100torr～600torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述N型GaN层。
S24、在N型GaN层400上沉积多量子阱层500。
所述多量子阱层包括多个交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，堆叠周期数6～12个，其中所述InGaN量子阱层的生长温度为790℃～810℃，厚度为2nm～5nm，生长压力为50torr～300torr，所述AlGaN量子垒层的生长温度为800℃～900℃，厚度为5nm～15nm，生长压力为50torr～300torr。
S25、在多量子阱层500上沉积电子阻挡层600。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在900℃～1000℃，压力控制在100torr～300torr，通入N源、Al源、Ga源、In源，生长厚度为10nm～40nm的AlInGaN电子阻挡层。
S26、在电子阻挡层600上沉积P型GaN层700。
在一种实施方式中，将反应室的温度控制在900℃～1050℃，压力控制在100torr～600torr，通入N源、Ga源、Mg源，生长厚度为10nm～5nm的P型GaN层。优选地，Mg掺杂浓度为1×1019atoms/cm3～1×1021atoms/cm3。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升，且其他项电学性能良好。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包所述硅衬底上依次设有复合层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN层。
所述氮化石墨烯层的厚度为25nm。
所述C掺杂AlN层的厚度为45nm，C掺杂浓度沿生长方向由5×1017atoms/cm3逐渐降至6×1016atoms/cm3。
所述N极性AlGaN层厚度为2μm，Al组分沿生长方向由0.4逐渐降低至0.05。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同在之处在于：所述氮化石墨烯层的厚度为35nm，所述C掺杂AlN层的厚度为35nm，其余参照实施例1。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同在之处在于：所述氮化石墨烯层的厚度为15nm，所述C掺杂AlN层的厚度为60nm，其余参照实施例1。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度沿生长方向由1×1018atoms/cm3逐渐降至1×1017atoms/cm3，其余均参照实施例1。
实施例5
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度沿生长方向由1×1017atoms/cm3逐渐降至1×1016atoms/cm3，其余均参照实施例1。
实施例6
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述N极性AlGaN层厚度为3μm，其余均参照实施例1。
实施例7
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述N极性AlGaN层厚度为1μm，其余均参照实施例1。
实施例8
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述N极性AlGaN层的Al组分沿生长方向由0.5逐渐降低至0.1，其余均参照实施例1。
实施例9
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述N极性AlGaN层的Al组分沿生长方向由0.4逐渐降低至0.2，其余均参照实施例1。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片，其余实施例1不同之处在于：不设有复合层，其余参照实施例1。
对比例2
本对比例提供一种发光二极管外延片，其余实施例1不同之处在于：其复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的C掺杂AlN层和N极性AlGaN层，不包括氮化石墨烯层，其余参照实施例1。
对比例3
本对比例提供一种发光二极管外延片，其余实施例1不同之处在于：其复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层和N极性AlGaN层，不包括C掺杂AlN层，其余参照实施例1。
对比例4
本对比例提供一种发光二极管外延片，其余实施例1不同之处在于：其复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层和C掺杂AlN层，不包括N极性AlGaN层，其余参照实施例1。
以实施例1～实施例9和对比例1～对比例4制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成10mil×24mil芯片，分别抽取300颗LED芯片，在120mA/60mA电流下测试，以对比例1为参照，计算各实施例和对比例的发光效率提升率，具体测试结果如表1所示。
表1实施例1～实施例9和对比例1～对比例4制得LED的性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的发光二极管外延片，相比于现有的外延片，本发明通过在硅衬底上设有具有特定结构的复合层，降低了外延层位错密度，释放硅衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，最终提升发光二极管的发光效率。
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，其特征在于，包括硅衬底，所述硅衬底上依次设有复合层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述氮化石墨烯层的厚度为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C掺杂AlN层的厚度为1nm～100nm；
所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度为5×1016atoms/cm3～5×1018atoms/cm3。
4.如权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述C掺杂AlN层的C掺杂浓度沿生长方向逐渐降低。
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N极性AlGaN层的厚度为0.5μm～5μm；
所述N极性AlGaN层的Al组分为0.04～0.5。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所N极性AlGaN层的Al组分沿生长方向逐渐降低。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备硅衬底；
S2、在所述硅衬底上依次沉积复合层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述复合层包括依次沉积在所述硅衬底上的氮化石墨烯层、C掺杂AlN层和N极性AlGaN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，所述氮化石墨烯层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～100torr，射频功率为15W～22W，通入CH4和H2，CH4与H2的通入比例为1：(1～20)，生长石墨烯层；
在1000℃～1200℃条件下，所述石墨烯层经NH3气体氮化处理得到氮化石墨烯层。
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AlGaN层采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在800℃～1000℃，压力控制在50torr～500torr，通入Al源、Ga源和N源，生长AlGaN层；
在1000℃～1100℃条件下，所述AlGaN层经NH3气体处理得到N极性AlGaN层。
10.一种LED，其特征在于，所述LED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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