CN117954539A - 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、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层，所述空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层；所述P型AlGaN/InN超晶格层包括周期性交替层叠的P型AlGaN层和InN层。本发明的空穴注入层可以提高空穴浓度和注入效率，提高多量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率，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
在发光二极管中，由于空穴的浓度和迁移速率都远小于电子，因此注入到多量子阱发光区的空穴浓度远小于电子浓度，空穴主要集中分布在靠近P型层的少数几个量子阱中，导致实际发光的量子阱数量少，而且电子可以很轻易的越过有源区进入到P型层中造成电子泄漏，影响发光二极管的性能。因此需要提高P型层的掺杂浓度，从而提高注入多量子阱发光区的空穴浓度，但是由于P型GaN中的Mg受主的能级较深，约为170meV，室温下Mg的电离率只有1％左右；此外，MOCVD法生长Mg掺杂的P型GaN过程中，会引入大量的H，这些H原子会钝化Mg受主，大大提高了Mg受主的激活能，因此难以得到空穴浓度较高的P型GaN材料。
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，能够提高空穴注入效率，从而提高发光效率。
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、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层，所述空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层；所述P型AlGaN/InN超晶格层包括周期性交替层叠的P型AlGaN层和InN层。
作为上述技术方案的改进，所述Si3N4层的厚度为1nm～10nm。
作为上述技术方案的改进，所述P型AlGaN/InN超晶格层的生长周期为1～20，所述P型AlGaN层的厚度为1nm～50nm，Al组分占比为0.01～0.5，Mg掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3；所述InN层的厚度为0.5nm～5nm。
作为上述技术方案的改进，所述P型InGaN层的厚度为5nm～100nm，In组分占比为0.01～0.3，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为10nm～40nm，Al组分占比为0.01～0.1，In组分占比为0.01～0.2。
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、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层，所述空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层；所述P型AlGaN/InN超晶格层包括周期性交替层叠的P型AlGaN层和InN层。
作为上述技术方案的改进，所述Si3N4层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为50Torr～500Torr。
作为上述技术方案的改进，所述P型AlGaN层的生长温度为650℃～800℃，生长压力为50Torr～500Torr；
所述InN层的生长温度为650℃～800℃，生长压力为50Torr～500Torr。
作为上述技术方案的改进，所述P型InGaN层的生长温度为650℃～800℃，生长压力为50Torr～500Torr。
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：
本发明的空穴注入层包括依次层叠的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层，能够提高P型层的空穴浓度及空穴注入效率，从而提高多量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率；阻挡缺陷的延伸，减少电子溢流效应，从而减少发光二极管漏电，提升发光二极管的发光效率。沉积Si3N4层可以减少V型坑的缺陷延伸，提高后续生长的晶体质量，减少发光二极管的漏电，提高老化性能；P型AlGaN层的势垒较高，可以减少电子从多量子阱层溢流至P型GaN层导致的非辐射复合，同时提高空穴注入多量子阱层的效率，InN层的禁带宽度较窄形成势阱层，存储空穴，P型AlGaN层/InN层组成的超晶格结构能够促进空穴较为均匀的注入到多量子阱层，提高电子与空穴的辐射复合效率；P型InGaN层通过掺杂In降低Mg的激活能，提高活化Mg浓度，为发光二极管提供足量的空穴与电子发生复合，提高发光二极管的发光效率。
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空穴注入层的结构示意图；
图3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、多量子阱层5、空穴注入层6、电子阻挡层7和P型GaN层8，所述空穴注入层6包括依次层叠在所述多量子阱层5上的Si3N4层61、P型AlGaN/InN超晶格层62及P型InGaN层63；所述P型AlGaN/InN超晶格层62包括周期性交替层叠的P型AlGaN层621和InN层622。本发明的空穴注入层6能够提升发光二极管的发光效率，一方面，提高P型层的空穴浓度及空穴注入效率，从而提高多量子阱层中电子与空穴的辐射复合效率；另一方面，阻挡缺陷的延伸，减少电子溢流效应，从而减少发光二极管漏电。
在一种实施方式中，所述Si3N4层的厚度为1nm～10nm，若厚度小于1nm，无法对缺陷形成良好的阻挡；若厚度大于10nm，会导致晶格失配增加，造成后续沉积的外延层晶体质量下降，示例性的为1nm、3nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。沉积Si3N4层可以减少V型坑的缺陷向P型层延伸，提高P型层的晶体质量，减少发光二极管的漏电，提高老化性能。
在一种实施方式中，所述P型AlGaN/InN超晶格层的生长周期为1～20。所述P型AlGaN层的厚度为1nm～50nm，若厚度小于1nm，无法起到阻挡电子溢流的作用；若厚度大于50nm，会造成势垒过高，示例性的为1nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm或50nm，但不限于此。所述P型AlGaN层的Al组分占比为0.01～0.5，Al组分占比过高会造成Mg激活率低，并造成晶体质量的下降，示例性的为0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4或0.5，但不限于此。所述P型AlGaN层的Mg掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，若Mg掺杂浓度过低，不利于提高空穴注入；若Mg掺杂浓度过高，会造成晶体质量的下降，示例性的为1×1018cm-3、5×1018cm-3、8×1018cm-3、1×1019cm-3、5×1019cm-3或1×1020cm-3，但不限于此。所述InN层的厚度为0.5nm～5nm，厚度过大会造成晶体质量的下降，示例性的为0.5nm、0.8nm、1nm、2nm、3.5nm或5nm，但不限于此。P型AlGaN层的势垒较高，可以减少电子从多量子阱层溢流至P型层导致的非辐射复合，少量的Mg掺杂可以提高空穴注入多量子阱层的效率；InN层的禁带宽度较窄，形成势阱层存储空穴，两者交替层叠的超晶格结构形成势阱/势垒的结构，可以促进空穴较为均匀的注入到多量子阱层，提高电子与空穴的辐射复合效率，提高发光均匀性。
在一种实施方式中，所述P型InGaN层的厚度为5nm～100nm，示例性的为5nm、10nm、20nm、40nm、60nm、80nm或100nm，但不限于此。所述P型InGaN层的In组分占比为0.01～0.3，示例性的为0.01、0.03、0.05、0.08、0.1、0.2或0.3，但不限于此。所述P型InGaN层的Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，示例性的为1×1019cm-3、5×1019cm-3、8×1019cm-3、1×1020cm-3、5×1020cm-3或1×1021cm-3，但不限于此。掺杂In可以降低Mg的激活能，提高活化Mg浓度，从而提高空穴浓度，为发光二极管提供足量的空穴与电子发生复合，提高发光二极管的发光效率。
在一种实施方式中，所述电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为10nm～40nm，示例性的为10nm、15nm、20nm、25nm、30nm或40nm，但不限于此。所述电子阻挡层的Al组分占比为0.01～0.1，示例性的为0.01、0.03、0.05、0.08或0.1，但不限于此。所述电子阻挡层的In组分占比为0.01～0.2，示例性的为0.01、0.03、0.05、0.08、0.1或0.2，但不限于此。由于空穴注入层起到了部分阻挡电子的作用，因此可以将电子阻挡层的厚度适当降低。
除了上述空穴注入层和电子阻挡层结构外，本发明的其它层状结构的特点如下：
所述衬底1可选用蓝宝石衬底、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。具体地，衬底1选用蓝宝石衬底，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。
所述缓冲层2为AlN缓冲层或AlGaN缓冲层。在一种实施方式中，缓冲层2为AlN缓冲层，厚度为10nm～50nm，采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了GaN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，为后续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。
所述非掺杂GaN层3的厚度为1μm～5μm。
所述N型GaN层4的厚度为2μm～3μm，Si掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1019cm-3。
所述多量子阱发光层5为包括周期性堆叠的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组分占比为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。
所述P型GaN层8的厚度为10nm～50nm，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：
S1、提供一衬底；
衬底可以为蓝宝石衬底、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。在一种实施方式中，衬底选用蓝宝石衬底。在NH3气氛中进行氮化处理，处理时间为2s～20s，处理温度为800℃～1100℃。
S2、在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层；外延结构可以通过MOCVD、MBE或VPE生长，但不限于此。具体的，S2包括以下步骤：
S21、生长缓冲层；
缓冲层可选用AlN缓冲层或AlGaN缓冲层。在一种实施方式中，采用PVD生长AlN缓冲层。将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H2气氛中进行预处理，处理时间为1min～10min，处理温度为1000℃～1200℃，提升AlN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。
S22、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，通入TMGa作为Ga源。
S23、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，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
S24、生长多量子阱发光层；
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，通入TMGa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℃，压力为50Torr～300Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa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。
S25、生长空穴注入层；具体的，S25包括以下步骤：
S251、生长Si3N4层；
采用CVD生长，控制反应室温度为800℃～900℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入SiH4作为Si源。
S252、生长P型AlGaN/InN超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为650℃～800℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源，生长P型AlGaN层；控制反应室温度为650℃～800℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，生长InN层；重复层叠周期性生长P型AlGaN层和InN层。
S253、生长P型InGaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为650℃～800℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源。
S26、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，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源。
S27、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，通入TMGa作为Ga源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源。
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衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层。
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。
多量子阱层为交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期数为10。InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，In组分占比为0.22；AlGaN量子垒层的厚度为9.8nm，Al组分占比为0.05。
空穴注入层包括依次层叠的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层。Si3N4层的厚度为3.5nm。P型AlGaN/InN超晶格层的周期数为5，P型AlGaN层的厚度为5nm，Al组分占比为0.1，Mg掺杂浓度为3×1019cm-3，InN层的厚度为1.5nm。P型InGaN层的厚度为30nm，In组分占比为0.05，Mg掺杂浓度为5×1020cm-3。
电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为15nm，Al组分占比为0.1，In组分占比为0.05。
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：
S1、提供一衬底；
衬底选用蓝宝石衬底，在NH3气氛中进行氮化处理，处理时间为10s，处理温度为900℃。
S2、在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层，具体的，包括以下步骤：
S21、生长缓冲层；
采用PVD生长AlN缓冲层。将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H2气氛中进行预处理，处理时间为5min，处理温度为1100℃。
S22、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，通入TMGa作为Ga源。
S23、生长N型GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1120℃，压力为100Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
S24、生长多量子阱发光层；
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，通入TMGa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℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa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。
S25、生长空穴注入层；具体的，S25包括以下步骤：
S251、生长Si3N4层；
采用CVD生长，控制反应室温度为850℃，压力为100Torr，通入NH3作为N源，通入SiH4作为Si源。
S252、生长P型AlGaN/InN超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃，压力为300Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源，生长P型AlGaN层；控制反应室温度为700℃，压力为300Torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，生长InN层；重复层叠周期性生长P型AlGaN层和InN层。
S253、生长P型InGaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃，压力为300Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源。
S26、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，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源。
S27、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，通入TMGa作为Ga源，通入Cp2Mg作为P型掺杂源。
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，Si3N4层的厚度为1nm。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1的区别在于，P型AlGaN/InN超晶格层的周期数为10，P型AlGaN层的厚度为2.5nm，Al组分占比为0.08，Mg掺杂浓度为8×1018cm-3，InN层的厚度为1.0nm。其余均与实施例1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1的区别在于，P型InGaN层的厚度为10nm，In组分占比为0.1，Mg掺杂浓度为8×1019cm-3。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，与实施例1的区别在于，空穴注入层不包括Si3N4层；相应的，在制备方法中，也不包括Si3N4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，与实施例1的区别在于，空穴注入层不包括P型AlGaN/InN超晶格层；相应的，在制备方法中，也不包括P型AlGaN/InN超晶格层的制备步骤。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，空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、P型AlGaN层及P型InGaN层，P型AlGaN层的厚度为25nm；相应的，在制备方法中，也不包括第一P型AlInGaN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
对比例4
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，空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、InN层及P型InGaN层，InN层的厚度为7.5nm；相应的，在制备方法中，也不包括第一P型AlInGaN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
对比例5
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，空穴注入层不包括P型InGaN层；相应的，在制备方法中，也不包括P型InGaN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
性能测试：
将实施例1～实施例4和对比例1～对比例5制得的发光二极管外延片做成10mil×24mil的芯片并在120mA/60mA电流下测试，计算实施例1～实施例4、对比例2～对比例5相较于对比例1的光效提升率，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
由表中可以看出，采用本发明的空穴注入层结构能够有效提高LED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、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层，所述空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层；所述P型AlGaN/InN超晶格层包括周期性交替层叠的P型AlGaN层和InN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Si3N4层的厚度为1nm～10nm。
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P型AlGaN/InN超晶格层的生长周期为1～20，所述P型AlGaN层的厚度为1nm～50nm，Al组分占比为0.01～0.5，Mg掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3；所述InN层的厚度为0.5nm～5nm。
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P型InGaN层的厚度为5nm～100nm，In组分占比为0.01～0.3，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3。
5.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为10nm～40nm，Al组分占比为0.01～0.1，In组分占比为0.01～0.2。
6.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1～5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、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和P型GaN层，所述空穴注入层包括依次层叠在所述多量子阱层上的Si3N4层、P型AlGaN/InN超晶格层及P型InGaN层；所述P型AlGaN/InN超晶格层包括周期性交替层叠的P型AlGaN层和InN层。
7.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述Si3N4层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为50Torr～500Torr。
8.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述P型AlGaN层的生长温度为650℃～800℃，生长压力为50Torr～500Torr；
所述InN层的生长温度为650℃～800℃，生长压力为50Torr～500Torr。
9.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述P型InGaN层的生长温度为650℃～800℃，生长压力为50Torr～500Torr。
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1～5中任一项所述的发光二极管外延片。
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