CN117727849A - 一种发光二极管外延片及制备方法 - Google Patents
一种发光二极管外延片及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117727849A CN117727849A CN202410171544.8A CN202410171544A CN117727849A CN 117727849 A CN117727849 A CN 117727849A CN 202410171544 A CN202410171544 A CN 202410171544A CN 117727849 A CN117727849 A CN 117727849A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- sub
- layers
- sublayer
- quantum well
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 10
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 58
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 48
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 62
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 10
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 abstract description 19
- 238000005215 recombination Methods 0.000 abstract description 19
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 17
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 15
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000969 carrier Substances 0.000 abstract description 5
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 63
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 29
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 17
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 11
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 5
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N trimethylaluminium Chemical compound C[Al](C)C JLTRXTDYQLMHGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000013256 coordination polymer Substances 0.000 description 1
- UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N cyclopenta-1,3-diene;magnesium Chemical compound [Mg].C1C=CC=C1.C1C=CC=C1 UOSXPFXWANTMIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
本发明提供了一种发光二极管外延片及制备方法，发光二极管外延片包括衬底，以及依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；其中，有源层包括M个周期结构，周期结构包括交替沉积在n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1‑mN层、第二子层BxInyGa1‑x‑yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1‑zN层、第四子层AljInkGa1‑j‑kN盖帽层，M个周期结构中第二子层BxInyGa1‑x‑yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。本发明提供的发光二极管外延片，降低了量子阱层的极化效应，提高了量子阱层的晶体质量和载流子在量子阱辐射复合效率，进而提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种发光二极管外延片及制备方法。
背景技术
LED是冷光源，光效高，工作电压低，耗电量小，体积小，可平面封装；光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，LED具有节能、环保、寿命长等特点。
量子阱层作为LED等发光器件的核心结构，具有较宽的光谱范围和较高的发光效率，LED多采用在n型GaN上生长多个个周期的InGaN/AlGaN有源层，以此提高量子局域效应，提高电子和空穴波函数交叠程度，从而提高 LED 器件发光效率。
然而，由于InGaN层与AlGaN存在较大的晶格失配产生极化效应，极化效应会在量子阱层中产生电场，电场使得电子和空穴空间分离，减少了电子波函数与空穴波函数的重叠，降低辐射复合效率。另外，电子有效质量小于空穴，电子在半导体中的移动速度远高于空穴，因此电子与空穴在量子阱发生复合通常在后面几个量子阱，前几个量子阱不参与发光，造成电子泄露，与P层的空穴发生非辐射复合，导致发光二极管发光效率下降。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种发光二极管外延片及制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明第一方面提供一种发光二极管外延片，包括衬底，以及依次沉积在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；
其中，所述有源层包括M个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个所述周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。
本发明的有益效果是：本发明提供一种发光二极管外延片，有源层包括M个周期结构，生长多周期结构的有源层，可以有效的提高量子限制效应，电子和空穴被局域在多量子阱中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率；进一步的，周期结构包括交替沉积在n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大；第一子层BmGa1-mN层作为沉积第二子层BxInyGa1-x-yN层的准备层，提高了第二子层BxInyGa1-x-yN层的沉积质量，减少缺陷的非辐射复合。不同周期结构量子阱层中的第二子层BxInyGa1-x-yN层的In组分梯度变化，最终使得不同周期结构中量子阱层的禁带宽度梯度变化，减少量子阱层的极化效应；第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层中的In组分逐渐降低，可以减少第二子层BxInyGa1-x-yN层与第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的晶格失配，降低量子阱层的极化效应，而掺杂的Mg则可以改善载流子在量子阱中发生辐射复合空穴不足的问题。第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层既可以减少量子阱层中的In扩散至量子垒层造成发光效率下降，又可以实现晶格匹配并消除量子阱层中的压电极化效应。本发明提供的发光二极管外延片，降低了量子阱层的极化效应，提高了量子阱层的晶体质量和载流子在量子阱辐射复合效率，进而提高发光效率，适合大范围推广。
优选地，所述有源层中M的取值范围为2-20。
优选地，所述第一子层BmGa1-mN层的厚度为0.5 nm ~5 nm，m的取值为0.05~0.1，沿外延层的生长方向m的取值逐渐减小。
优选地，所述第二子层BxInyGa1-x-yN层的厚度为1 nm ~10 nm，y的取值0.01~0.5，x的取值为0.01~0.05。
优选地，所述第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层的厚度为0.5 nm~5 nm，z的取值为0.01~0.5，沿外延层的生长方向z的取值逐渐减小。
优选地，所述第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的厚度为0.5 nm ~5 nm，k的取值为0.01~0.1，j的取值为0.01~0.2。
本发明另一方面还提供一种制备上述发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；
其中，所述有源层包括M个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个所述周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。
优选地，沿所述外延层的生长方向，生长后一个所述周期结构与生长前一个所述周期结构的TMIn流量之比为1.01-1.1。
优选地，所述有源层的沉积步骤包括：
在所述n型GaN层上沉积所述第一子层BmGa1-mN层，沉积温度由T1逐渐下降至T2；
在所述第一子层BmGa1-mN层上沉积所述第二子层BxInyGa1-x-yN层，沉积温度为T2；
在所述第二子层BxInyGa1-x-yN层上沉积所述第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层，沉积温度为T2逐渐上升至T3；
在所述第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层上沉积所述第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，沉积温度为T3；
在所述第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层沉积量子垒层，得到第一周期结构；
在所述第一周期结构上重复执行若干次所述沉积操作，以的所述n型GaN层上沉积M个周期结构，得到所述有源层。
优选地，所述量子阱层的生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为50 torr ~300 torr。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明提供的发光二极管外延片结构示意图；
图2为本发明提供的发光二极管外延片制备方法流程图。
主要元件符号说明：
10、衬底；20、缓冲层；30、非掺杂GaN层；40、n型GaN层；50、有源层；51、量子阱层；511、第一子层BmGa1-mN层；512、第二子层BxInyGa1-x-yN层；513、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层；514、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，52、量子垒层；60、电子阻挡层；70、P型GaN层。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述可选的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种发光二极管外延片，包括衬底，以及依次沉积在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；其中，所述有源层包括M个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个所述周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。本发明周期设置的有源层，降低了量子阱层极化效应，提高了量子阱层的晶体质量和载流子在量子阱辐射复合效率，进而提高发光二极管发光效率。
可选的，参阅图1，本发明实施方式提供的发光二极管外延片，包括衬底10，以及依次沉积在衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、n型GaN层40、有源层50、电子阻挡层60和P型GaN层70；其中，有源层50包括M个周期结构，周期结构包括交替沉积在n型GaN层40上的量子阱层51和量子垒层52，量子阱层51包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层511、第二子层BxInyGa1-x-yN层512、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层513、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层514，M个周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。
可选的，衬底10可以选用蓝宝石衬底、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；蓝宝石是目前最常用的GaN基LED衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性的特点，因此被大量使用。然而，蓝宝石衬底表面存在非常大的缺陷，在衬底上直接沉积外延层缺陷容易延伸至有源层，延伸至有源层的缺陷会直接影响其发光效果，因此，在衬底上沉积外延层之前，需要在衬底10上沉积缓冲层20，以在一定程度上减小衬底表面的缺陷，可选的，缓冲层20可以为AlN/GaN缓冲层，厚度为10nm ~50nm，优选的，缓冲层20为15nm。
非掺杂GaN层30的沉积在缓冲层20上，非掺杂GaN层30厚度为1μm ~5μm，较厚的非掺杂GaN层30可以有效的释放发光二极管之间的压应力，提高晶体质量，降低反向漏电。但同时，GaN层厚度的增加对Ga源材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本，因此，为了兼顾发光二极管的质量和生产成本，优选的，非掺杂GaN层30厚度为2μm ~3μm。
n型GaN层40 的厚度为2μm ~3μm ，Si掺杂浓度为1E+19 atoms/cm3~5E+19atoms/cm3，n型GaN层40在LED中的主要作用是进一步减小晶体之间的缺陷以及为LED发光提供足够的电子并使得电子顺利的运动至有源层50，与有源层50中的空穴发生辐射复合；减小晶体的缺陷可以提高晶体的质量，提供足够的电子与有源层中的空穴发生复合可以有效的提高LED整体的发光效率，电子与空穴辐射复合的越多，LED的发光效果越好。
有源层50包括M个周期结构，周期结构包括交替沉积在n型GaN层上的量子阱层51和量子垒层52，量子阱层51包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层511、第二子层BxInyGa1-x-yN层512、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层513、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层514，M个周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大，以使得量子阱层的禁带宽度梯度变化，也即，第一量子阱层中的第二子层BxInyGa1-x-yN层的In组分小于第二量子阱层中的第二子层BxInyGa1-x-yN层的In组分，第二量子阱层小于第三量子阱层，依此类推。
可选的，有源层50包括2-20个周期结构，生长多周期结构的有源层，可以有效的提高量子限制效应，电子和空穴被局域在多量子阱中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率。
可选的，第一子层BmGa1-mN层511的厚度为0.5 nm ~5 nm，m的取值为0.05~0.1，沿外延层的生长方向m的取值逐渐减小。第一子层BmGa1-mN层511作为沉积第二子层BxInyGa1-x- yN层512的准备层，第一子层BmGa1-mN层511在沉积过程中，沉积温度逐渐下降至沉积第二子层BxInyGa1-x-yN层512的温度，可以提高后续沉积第二子层BxInyGa1-x-yN层512的晶体质量，减少缺陷的非辐射复合。
可选的，第二子层BxInyGa1-x-yN层512的厚度为1 nm ~10 nm，y的取值0.01~0.5，x的取值为0.01~0.05。第二子层BxInyGa1-x-yN层512沉积过程中，可以通过调控TMIn流量，使得不同周期结构量子阱层中的第二子层BxInyGa1-x-yN层512的In组分梯度变化，最终使得不同周期结构中量子阱层的禁带宽度梯度变化，减少量子阱层的极化效应。具体的，第二子层BxInyGa1-x-yN层512的厚度小于电子的德布罗意波长，电子和空穴的能级为分立的量子化能级，具有显著的量子限制效应；BxInyGa1-x-yN层的富In区域产生势能谷，富In区域成为载流子的势阱，电子和空穴注入时，很容易被这些势阱俘获并复合发光，大大降低了被位错俘获而发生非辐射复合的几率，提高发光二极管发光效率。
可选的，第三子层Mg掺In渐变InZGa1-ZN层513的厚度为0.5 nm~5 nm，z的取值为0.01~0.5，沿外延层的生长方向z的取值逐渐减小，Mg掺杂浓度为1E+17 atoms/cm3~5E+18atoms/cm3，第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层513中的In组分逐渐降低，可以减少第二子层BxInyGa1-x-yN层512与第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层514的晶格失配，降低量子阱层的极化效应，而掺杂的Mg则可以改善载流子在量子阱中发生辐射复合空穴不足的问题。
可选的，第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层514的厚度为0.5 nm ~5 nm，k的取值为0.01~0.1，j的取值为0.01~0.2。第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层514既可以减少量子阱层中的In扩散至量子垒层造成发光效率下降，又可以实现晶格匹配并消除量子阱层中的压电极化效应。
量子垒层52为AlGaN/GaN层，厚度为5 nm ~50 nm，Al组分为0.01~0.5。合适的量子垒层既可以减少电子溢流至P型层导致非辐射复合，又可以提高电子和空穴的复合效率。
电子阻挡层60为AlInGaN电子阻挡层，厚度为10nm ~40nm，生长温度为900℃~1000℃，压力为100 torr ~300 torr；电子阻挡层60既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。
P型GaN层70的厚度为10nm~50 nm，生长温度为900℃~1050℃，压力为100 torr ~600 torr，Mg掺杂浓度为1E+19 atoms/cm3~1E+21 atoms/cm3；Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度；同时，P型掺杂的AlGaN层可以有效填平外延层，得到表面光滑的LED外延片。
请参阅图2，为本发明实施方式中的发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述发光二极管外延片，可选的，本发明提供的发光二极管外延片的制备方法包括步骤S10~S80。
步骤S10，提供一衬底；
可选的，衬底可以选用蓝宝石衬底、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；蓝宝石是目前最常用的GaN基LED衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性的特点。
步骤S20，在衬底上沉积缓冲层；
可选的，在衬底上沉积缓冲层可以采用物理气相沉积（Physical VaporDeposition，PVD）进行，缓冲层厚度为10nm ~50nm，在本实施方式中，采用AlN缓冲层，采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了外延GaN材料和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，为外延生长提供了平整的成核表面，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，提高后续沉积外延层的晶体质量，降低位错密度，提高有源层的辐射复合效率。
步骤S30，对已沉积缓冲层的衬底进行预处理。
具体地，将已沉积完缓冲层的硅衬底转入金属有机气相沉积（Metal~organicChemical Vapor Deposition简称MOCVD)设备中，在MOCVD设备中，可以采用高纯H2（氢气）、高纯N2（氮气）、高纯H2和高纯N2的混合气体中的一种作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓（TMGa）及三乙基镓（TEGa）作为镓源，三甲基铟（TMIn）作为铟源，三甲基铝（TMAl）作为铝源，硅烷（SiH4）作为N型掺杂剂，二茂镁（CP2Mg）作为P型掺杂剂进行外延生长。
可选的，将已沉积完缓冲层的衬底在H2气氛进行处理1 min ~10 min，处理温度为1000℃～1200℃，再对其进行氮化处理，提升缓冲层的晶体质量，并且可以有效提高后续沉积GaN外延层的晶体质量。
步骤S40，在缓冲层上沉积非掺杂GaN层。
对沉积完缓冲层的衬底进行氮化处理后，在MOCVD设备中沉积非掺杂GaN层，采用高纯NH3作为N源，三甲基镓（TMGa）及三乙基镓（TEGa）作为镓源；非掺杂GaN层生长温度为1050℃~1200℃，压力为100 torr ~600torr，厚度为1μm ~5μm；优选的，非掺杂GaN层生长温度1200℃，压力150 torr，非掺杂GaN层生长温度较高，压力较低，制备的GaN晶体质量较优，并且随着GaN厚度的增加，非掺杂GaN层中的压应力会通过堆垛层错释放，减少线缺陷，提高晶体质量，降低反向漏电，但提高GaN层厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了LED的外延成本，优选的，非掺杂GaN层生长厚度为2μm~3μm，不仅节约生产成本，而且GaN材料又具有较高的晶体质量。
步骤S50，在非掺杂GaN层上沉积n型GaN层。
可选的，沉积完非掺杂GaN层后，在MOCVD设备中继续沉积n型GaN层，n型GaN层生长温度为1050℃~1200℃，压力为100 torr ~600torr，厚度为2μm ~3μm；Si掺杂浓度为1E+19atoms/cm3~5E+19atoms/cm3。
步骤S60，在n型GaN层上沉积有源层。
有源层包括M个周期结构，周期结构包括交替沉积在n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大，以使得量子阱层的禁带宽度梯度变化，也即，第一量子阱层中的第二子层BxInyGa1-x-yN层的In组分小于第二量子阱层中的第二子层BxInyGa1-x-yN层的In组分，第二量子阱层小于第三量子阱层，依此类推。
优选的，有源层包括2-20个周期结构，具体的，沉积有源层的步骤包括：
首先在n型GaN层上沉积第一子层BmGa1-mN层，沉积温度由T1逐渐下降至T2；可选的，沉积温度可以在700℃~900℃变化，生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为50 torr ~300torr；沉积第一子层BmGa1-mN层的厚度为0.5 nm ~5 nm，m的取值为0.05~0.1，沿外延层的生长方向m的取值逐渐减小。
维持T2的温度，在第一子层BmGa1-mN层上沉积第二子层BxInyGa1-x-yN层，生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为50 torr ~300 torr，沉积第二子层BxInyGa1-x-yN层的厚度为1 nm ~10 nm，y的取值0.01~0.5，x的取值为0.01~0.05。
在第二子层BxInyGa1-x-yN层上沉积第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层，沉积温度为T2逐渐上升至T3；可选的，沉积温度可以在700℃~900℃变化，T3的取值范围为800℃-900℃，生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为50 torr ~300 torr，第三子层Mg掺In渐变InZGa1-ZN层的厚度为0.5 nm~5 nm，z的取值为0.01~0.5，沿外延层的生长方向z的取值逐渐减小。
维持T3的温度，在第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层上沉积第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为50 torr ~300 torr，第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的厚度为0.5 nm ~5 nm，k的取值为0.01~0.1，j的取值为0.01~0.2。
在第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层沉积量子垒层，得到第一周期结构，最后在第一周期结构上再次沉积上述第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层和量子垒层，得到第二周期结构，在第二周期结构上沉积第三周期结构，依次类推；进一步的，在沉积第二周期结构中，控制系统TMIn的流量与沉积第一周期结构TMIn的流量比为1.01-1.1，沉积第三周期结构TMIn的流量与沉积第二周期结构TMIn的流量比为1.01-1.1，依次类推。
步骤S70，在有源层上沉积电子阻挡层。
电子阻挡层60为AlInGaN电子阻挡层，厚度为10nm ~40nm，生长温度为900℃~1000℃，压力为100 torr ~300 torr。
步骤S80，在电子阻挡层上沉积P型GaN层。
P型GaN层的厚度为10nm~50 nm，生长温度为900℃~1050℃，压力为100 torr ~600torr，Mg掺杂浓度为1E+19 atoms/cm3~1E+21 atoms/cm3。
实施例1
一种发光二极管外延片，在本实施例中，选用蓝宝石衬底。有源层的周期数为10，沿外延层的生长方向，生长后一个周期结构与生长前一个周期结构的TMIn流量之比为1.05；量子阱层的生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为150 torr；第一子层BmGa1-mN层的厚度为1.5 nm，m的取值由0.1逐渐下降至0.07，沉积温度由900℃逐渐下降至800℃；第二子层BxInyGa1-x-yN层的厚度为3.5 nm，y的取值为0.15，x的取值为0.03，沉积温度为800℃；第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层的厚度为1nm，z的取值由0.15逐渐下降至0.05，沉积温度由800℃逐渐上升至870℃；第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的厚度为1.5 nm，k的取值为0.05，j的取值为0.1，沉积温度为870℃。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，有源层的周期数为2，后一个周期结构与前一个周期结构的TMIn流量之比为1.01；生长压力为50 torr，第一子层BmGa1- mN层的厚度为0.5 nm，m的取值由0.08逐渐下降至0.05，沉积温度由800℃逐渐下降至700℃；第二子层BxInyGa1-x-yN层的厚度为1 nm，y的取值为0.01，x的取值为0.01，沉积温度为700℃。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，有源层的周期数为20，后一个周期结构与前一个周期结构的TMIn流量之比为1.1；生长压力为300 torr，第一子层BmGa1-mN层的厚度为5nm，m的取值由0.1逐渐下降至0.05，沉积温度由900℃逐渐下降至700℃；第二子层BxInyGa1-x-yN层的厚度为10nm，y的取值为0.5，x的取值为0.05，沉积温度为700℃。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层的厚度为0.5nm，z的取值由0.15逐渐下降至0.01，沉积温度由800℃逐渐上升至900℃；第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的厚度为0.5 nm，k的取值为0.01，j的取值为0.01，沉积温度为900℃。
实施例5
本实施例与实施例1的不同之处在于，在本实施例中，第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层的厚度为5nm，z的取值由0.5逐渐下降至0.01，沉积温度由800℃逐渐上升至850℃；第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的厚度为5nm，k的取值为0.1，j的取值为0.2，沉积温度为850℃。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，有源层中未沉积第一子层BmGa1-mN层。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，有源层中未沉积第二子层BxInyGa1-x-yN层。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，有源层中未沉积第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层。
对比例4
本对比例与实施例1的不同之处在于，在本对比例中，有源层中未沉积第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层。
对照例
本对照例为目前常规量产制备的发光二极管外延片，与实施例1的不同之处在于，在本对照例中，有源层为交替沉积的InGaN层和AlGaN层，其余条件与实施例1相同。
请参阅表1，所示为上述各个实施例、对比例及对照例的部分参数对比及对应光学提升的对比结果。
表1
从表1可知，本发明提供的发光二极管，与目前量产制备的发光二极管相比，光电效率提升2.5%-5%。
需要说明的是，上述的实施过程只是为了说明本申请的可实施性，但这并不代表本申请的发光二极管外延片只有上述几种实施流程，相反的，只要能够将本申请的发光二极管外延片实施起来，都可以被纳入本申请的可行实施方案。另外，本发明的实施方式中发光二极管外延片的结构部分与本发明制备发光二极管外延片的方法部分是相对应的，其具体实施细节也是相同的，在此不再赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底，以及依次沉积在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；
其中，所述有源层包括M个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个所述周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述有源层中M的取值范围为2-20。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层BmGa1-mN层的厚度为0.5 nm ~5 nm，m的取值为0.05~0.1，沿外延层的生长方向m的取值逐渐减小。
4. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层BxInyGa1-x-yN层的厚度为1 nm ~10 nm，y的取值0.01~0.5，x的取值为0.01~0.05。
5. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层的厚度为0.5 nm~5 nm，z的取值为0.01~0.5，沿外延层的生长方向z的取值逐渐减小。
6. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层的厚度为0.5 nm ~5 nm，k的取值为0.01~0.1，j的取值为0.01~0.2。
7.一种如权利要求1~6任意一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；
其中，所述有源层包括M个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层BmGa1-mN层、第二子层BxInyGa1-x-yN层、第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层、第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，M个所述周期结构中第二子层BxInyGa1-x-yN层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，沿所述外延层的生长方向，生长后一个所述周期结构与生长前一个所述周期结构的TMIn流量之比为1.01-1.1。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述有源层的沉积步骤包括：
在所述n型GaN层上沉积所述第一子层BmGa1-mN层，沉积温度由T1逐渐下降至T2；
在所述第一子层BmGa1-mN层上沉积所述第二子层BxInyGa1-x-yN层，沉积温度为T2；
在所述第二子层BxInyGa1-x-yN层上沉积所述第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层，沉积温度为T2逐渐上升至T3；
在所述第三子层Mg掺In渐变InzGa1-zN层上沉积所述第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层，沉积温度为T3；
在所述第四子层AljInkGa1-j-kN盖帽层沉积量子垒层，得到第一周期结构；
在所述第一周期结构上重复执行若干次所述沉积操作，以的所述n型GaN层上沉积M个周期结构，得到所述有源层。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱层的生长气氛为N2/NH3的混合气，压力为50 torr ~300 torr。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410171544.8A CN117727849B (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种发光二极管外延片及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410171544.8A CN117727849B (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种发光二极管外延片及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117727849A true CN117727849A (zh) | 2024-03-19 |
| CN117727849B CN117727849B (zh) | 2024-04-30 |
Family
ID=90200120
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410171544.8A Active CN117727849B (zh) | 2024-02-07 | 2024-02-07 | 一种发光二极管外延片及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117727849B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006332611A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-12-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化物半導体素子 |
| US20090057688A1 (en) * | 2007-08-27 | 2009-03-05 | Riken | Optical semiconductor device and manufacturing method therefor |
| JP2010068010A (ja) * | 2009-12-24 | 2010-03-25 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 |
| CN109786520A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-05-21 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN109802020A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-24 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN114792749A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-26 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN114975703A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-08-30 | 厦门未来显示技术研究院有限公司 | 一种提高发光效率的led外延结构及其制作方法 |
| CN116314502A (zh) * | 2023-05-19 | 2023-06-23 | 江西兆驰半导体有限公司 | 高光效发光二极管外延片及其制备方法、led芯片 |
| CN116435424A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-07-14 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种辐射复合效率高的发光二极管外延片及其制备方法 |
| US20230246124A1 (en) * | 2020-11-24 | 2023-08-03 | Enkris Semiconductor, Inc. | Quantum well structure and preparation method therefor, and light-emitting diode |
| CN116960248A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-27 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片及制备方法 |
-
2024
- 2024-02-07 CN CN202410171544.8A patent/CN117727849B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006332611A (ja) * | 2005-04-27 | 2006-12-07 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化物半導体素子 |
| US20090057688A1 (en) * | 2007-08-27 | 2009-03-05 | Riken | Optical semiconductor device and manufacturing method therefor |
| JP2010068010A (ja) * | 2009-12-24 | 2010-03-25 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子 |
| CN109786520A (zh) * | 2018-12-19 | 2019-05-21 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN109802020A (zh) * | 2018-12-26 | 2019-05-24 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 |
| US20230246124A1 (en) * | 2020-11-24 | 2023-08-03 | Enkris Semiconductor, Inc. | Quantum well structure and preparation method therefor, and light-emitting diode |
| CN114792749A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-26 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN114975703A (zh) * | 2022-07-01 | 2022-08-30 | 厦门未来显示技术研究院有限公司 | 一种提高发光效率的led外延结构及其制作方法 |
| CN116435424A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-07-14 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种辐射复合效率高的发光二极管外延片及其制备方法 |
| CN116314502A (zh) * | 2023-05-19 | 2023-06-23 | 江西兆驰半导体有限公司 | 高光效发光二极管外延片及其制备方法、led芯片 |
| CN116960248A (zh) * | 2023-09-15 | 2023-10-27 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117727849B (zh) | 2024-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110718612B (zh) | 发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN109346576B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN113206175B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116130569B (zh) | 一种高效发光二极管及制备方法 | |
| CN116230825B (zh) | 一种氢杂质调控空穴注入层的led外延片及其制备方法 | |
| CN109449264B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN115986018B (zh) | 一种外延片、外延片制备方法及发光二极管 | |
| CN117253950B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN116230823A (zh) | 一种高效发光二极管外延片及制备方法 | |
| CN109671817B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN109346568B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116344684B (zh) | 一种发光二极管制备方法及二极管 | |
| CN110993753B (zh) | 发光二极管外延片及其制造方法 | |
| CN116487493A (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、led芯片 | |
| CN109473521B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 | |
| CN116845153A (zh) | 一种高光效发光二极管外延片、制备方法及led | |
| CN217641376U (zh) | 一种led外延片及led芯片 | |
| CN116722083A (zh) | 高辐射发光二极管制备方法及发光二极管 | |
| CN114464709B (zh) | 一种led外延片、外延生长方法及led芯片 | |
| CN116387426A (zh) | 一种发光二极管外延片及制备方法 | |
| CN117727849B (zh) | 一种发光二极管外延片及制备方法 | |
| CN117712253B (zh) | 一种深紫外发光二极管及制备方法 | |
| CN116544327B (zh) | 一种发光二极管及制备方法 | |
| CN117832348B (zh) | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 | |
| CN117457824B (zh) | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |