CN117976792A - 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，涉及半导体技术领域。其中，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、电子阻挡层和P型GaN层，所述多量子阱层具有V型坑结构，所述V型坑结构中沉积有高阻层，所述高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层。本发明的复合缓冲层能够避免V型坑内缺陷形成非辐射复合中心，减少发光二极管漏电，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
迄今为止，在GaN基发光二极管的制备中，蓝宝石仍然是最为广泛使用的商业化衬底材料。但是，蓝宝石衬底与GaN外延材料之间存在着较大的晶格失配和热失配，导致蓝宝石衬底上生长的GaN外延材料具有较高的位错密度(109cm-2～1010cm-2)，这些位错在GaN外延层中形成大量的V型坑，V型坑中的位错作为电子和空穴的非辐射复合中心，会导致多量子阱中电子和空穴的复合效率降低，从而导致发光二极管的光电性能下降。
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，能够避免V型坑内缺陷形成非辐射复合中心，减少发光二极管漏电，从而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，工艺简单，制得的发光二极管发光效率高。
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、电子阻挡层和P型GaN层，所述多量子阱层具有V型坑结构，所述V型坑结构中沉积有高阻层，所述高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层包括周期性交替层叠的二维InGaN层和二维Mg3N2层。
作为上述技术方案的改进，所述三维AlN层的厚度为1nm～10nm；
所述三维ScAlN层的厚度为5nm～50nm，Sc组分占比为0.01～0.5。
作为上述技术方案的改进，所述三维ScAlN层的Sc组分占比沿外延方向逐渐升高。
作为上述技术方案的改进，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层的周期数为1～20。
作为上述技术方案的改进，所述二维InGaN层的厚度为0.5nm～5nm，In组分占比为0.01～0.1；
所述二维Mg3N2层的厚度为1nm～10nm。
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、电子阻挡层和P型GaN层，所述多量子阱层具有V型坑结构，所述V型坑结构中沉积有高阻层，所述高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层包括周期性交替层叠的二维InGaN层和二维Mg3N2层。
作为上述技术方案的改进，所述三维AlN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为200Torr～500Torr。
作为上述技术方案的改进，所述三维ScAlN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为200Torr～500Torr。
作为上述技术方案的改进，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为50Torr～200Torr。
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：
本发明的多量子阱层具有V型坑结构，所述V型坑结构中沉积有高阻层，所述高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层。三维AlN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；三维ScAlN层可以在进一步阻挡V型坑的缺陷的同时缓解晶格失配；二维Mg3N2层可以提高Mg原子浓度，从而提高空穴浓度，二维InGaN层的禁带宽度较窄，形成势阱层，存储空穴，而且InGaN层的In组分能够降低Mg的激活能，提高活化Mg浓度，从而提高空穴浓度，周期性的InGaN/Mg3N2二维超晶格层有利于促进空穴注入到多量子阱层，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、电子阻挡层6和P型GaN层7，所述多量子阱层5具有V型坑结构51，所述V型坑结构51中沉积有高阻层52，所述高阻层52包括依次层叠的三维AlN层521、三维ScAlN层522、InGaN/Mg3N2二维超晶格层523。三维AlN层521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；三维ScAlN层522可以进一步阻挡V型坑的缺陷；二维Mg3N2层可以提高Mg原子浓度，从而提高空穴浓度，二维InGaN层的禁带宽度较窄，形成势阱层，存储空穴，InGaN层的In组分能够降低Mg的激活能，提高活化Mg浓度，从而提高空穴浓度，InGaN/Mg3N2二维超晶格层523有利于促进空穴注入到多量子阱层，提高发光二极管的发光效率，此外，二维超晶格结构还可以将V型坑填平，形成平整的外延层表面。
在一种实施方式中，所述三维AlN层的厚度为1nm～10nm，若厚度小于1nm，难以有效阻挡V型坑的缺陷向P型层延伸；若厚度大于10nm，则会影响空穴注入多量子阱层，示例性的为1nm、2nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述三维ScAlN层的厚度为5nm～50nm，合适的厚度在进一步阻挡缺陷延伸的同时不影响空穴的注入，示例性的为5nm、10nm、15nm、20nm、40nm或50nm，但不限于此。所述三维ScAlN层的Sc组分占比为0.01～0.5，将Sc组分限定在0.01～0.5，能够进一步阻挡缺陷向上延伸。若Sc组分占比小于0.01，难以缓解三维AlN层与后续二维超晶格结构之间的晶格失配；若Sc组分占比大于0.5，反而会造成晶格失配过大，导致外延层晶体质量下降，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。
优选的，所述三维ScAlN层的Sc组分占比沿外延方向逐渐升高，减少晶格失配带来的缺陷。
在一种实施方式中，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层包括周期性交替层叠的二维InGaN层和二维Mg3N2层，周期数为1～20，示例性的为1、2、5、8、10、16或20，但不限于此。周期性的超晶格结构可以不断地促进空穴注入到多量子阱层，从而提高发光二极管的发光效率。
在一种实施方式中，所述二维InGaN层的厚度为0.5nm～5nm，示例性的为0.5nm、0.8nm、1nm、3nm、4nm或5nm，但不限于此。所述二维InGaN层的In组分占比为0.01～0.1，若In组分占比小于0.01，难以有效降低Mg的激活能；若In组分占比大于0.1，不利于与二维Mg3N2层的匹配，示例性的为0.01、0.03、0.05、0.08、0.09或0.1，但不限于此。
在一种实施方式中，所述二维Mg3N2层的厚度为1nm～10nm，若厚度小于1nm，难以提供足够的Mg；若厚度大于10nm，会造成材料的浪费，示例性的为1nm、2nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。
除了上述高阻层结构外，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，蓝宝石衬底作为目前最常用的GaN基LED衬底材料，具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理的优点，而且高温下有很好的稳定性。
所述缓冲层2可以为AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN缓冲层中的一种或多种。具体的，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，为进一步的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。
所述电子阻挡层6为AlInGaN层，厚度为10nm～40nm，Al组分占比为0.005～0.1，In组分占比为0.01～0.2。
所述P型GaN层7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；
在一种实施方式中，衬底选用蓝宝石衬底。
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、电子阻挡层和P型GaN层；外延结构可以通过MOCVD、MBE、PVD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；
采用PVD生长AlN缓冲层，控制温度为400℃～800℃，压力为4Torr～6Torr，溅射功率为3000W～5000W。在一种实施方式中，将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H2气氛进行预处理1min～10min，处理温度为1000℃～1200℃，可以提升AlN缓冲层的晶体质量及后续沉积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、生长多量子阱层；
采用MOCVD生长，控制温度为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、在多量子阱层的V型坑结构中生长高阻层；具体的，S25包括以下步骤：
S251、生长三维AlN层；
采用MOCVD生长，控制温度为800℃～900℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源。
S252、生长三维ScAlN层；
采用MOCVD生长，控制温度为800℃～900℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入Sc(TMHD)3作为Sc源。
S253、生长InGaN/Mg3N2二维超晶格层；
采用MOCVD生长，控制温度为800℃～900℃，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，生长二维InGaN层；控制温度为800℃～900℃，压力为50Torr～500Torr，通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，生长二维Mg3N2层；重复层叠周期性生长二维InGaN层和二维Mg3N2层。
S26、生长电子阻挡层；
采用MOCVD生长，控制温度为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、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。
多量子阱层具有V型坑结构，V型坑结构中沉积有高阻层，高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层。三维AlN层的厚度为3.5nm；三维ScAlN层的厚度为30nm，Sc组分占比为0.05；
InGaN/Mg3N2二维超晶格层包括周期性交替层叠的二维InGaN层和二维Mg3N2层，周期数为10，二维InGaN层的厚度为2.5nm，In组分占比为0.05，二维Mg3N2层的厚度为5nm。
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。
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、电子阻挡层和P型GaN层；具体的，S2包括以下步骤：
S21、生长缓冲层；
采用PVD生长AlN缓冲层，控制温度为600℃，压力为5Torr，溅射功率为4000W。在一种实施方式中，将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H2气氛进行预处理6min，处理温度为1100℃。
S22、生长非掺杂GaN层；
采用MOCVD生长，控制温度为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、生长多量子阱层；
采用MOCVD生长，控制温度为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、在多量子阱层的V型坑结构中生长高阻层；具体的，S25包括以下步骤：
S251、生长三维AlN层；
采用MOCVD生长，控制温度为845℃，压力为300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源。
S252、生长三维ScAlN层；
采用MOCVD生长，控制温度为845℃，压力为300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入Sc(TMHD)3作为Sc源。
S253、生长InGaN/Mg3N2二维超晶格层；
采用MOCVD生长，控制温度为845℃，压力为150Torr，通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源，生长二维InGaN层；控制温度为850℃，压力为150Torr，通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，生长二维Mg3N2层；重复层叠周期性生长二维InGaN层和二维Mg3N2层。
S26、生长电子阻挡层；
采用MOCVD生长，控制温度为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，三维ScAlN层的Sc组分占比沿外延方向由0.05逐渐升高至0.4。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，三维AlN层的厚度为1nm；所述三维ScAlN层的厚度为5nm，Sc组分占比为0.01。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，二维InGaN层的厚度为0.5nm，In组分占比为0.01；所述二维Mg3N2层的厚度为1nm。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，高阻层不包括三维AlN层；相应的，在制备方法中，也不包括三维AlN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，高阻层不包括三维ScAlN层；相应的，在制备方法中，也不包括三维ScAlN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，高阻层不包括InGaN/Mg3N2二维超晶格层；相应的，在制备方法中，也不包括InGaN/Mg3N2二维超晶格层的制备步骤。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，高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层和二维InGaN层；相应的，在制备方法中，不包括二维Mg3N2层及InGaN/Mg3N2二维超晶格层的制备步骤。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，高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层和二维Mg3N2层；相应的，在制备方法中，不包括二维InGaN层及InGaN/Mg3N2二维超晶格层的制备步骤。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性能测试结果
| 光效提升(％) | |
| 实施例1 | 4.7 |
| 实施例2 | 5.1 |
| 实施例3 | 2.5 |
| 实施例4 | 2.3 |
| 对比例1 | - |
| 对比例2 | 0.4 |
| 对比例3 | -0.1 |
| 对比例4 | 0.7 |
| 对比例5 | 0.3 |
由表中可以看出，采用本发明的高阻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、电子阻挡层和P型GaN层，所述多量子阱层具有V型坑结构，所述V型坑结构中沉积有高阻层，所述高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层包括周期性交替层叠的二维InGaN层和二维Mg3N2层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述三维AlN层的厚度为1nm～10nm；
所述三维ScAlN层的厚度为5nm～50nm，Sc组分占比为0.01～0.5。
3.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述三维ScAlN层的Sc组分占比沿外延方向逐渐升高。
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InGaN/Mg3N2二维超晶格层的周期数为1～20。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述二维InGaN层的厚度为0.5nm～5nm，In组分占比为0.01～0.1；
所述二维Mg3N2层的厚度为1nm～10nm。
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、电子阻挡层和P型GaN层，所述多量子阱层具有V型坑结构，所述V型坑结构中沉积有高阻层，所述高阻层包括依次层叠的三维AlN层、三维ScAlN层、InGaN/Mg3N2二维超晶格层，所述InGaN/Mg3N2二维超晶格层包括周期性交替层叠的二维InGaN层和二维Mg3N2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，所述三维AlN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为200Torr～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，所述三维ScAlN层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为200Torr～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InGaN/Mg3N2二维超晶格层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为50Torr～200Torr。
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。
Priority Applications (1)
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| CN202410138984.3A CN117976792A (zh) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 |
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