CN118231541B - Led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LED外延片及其制备方法、LED，涉及半导体技术领域。所述LED外延片包括衬底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，所述有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为N极性AlInN层，第二子层为N极性AlGaN量子垒层，第三子层为N极性AlInGaN层，第四子层为Ga极性InGaN量子阱层。本发明的结构能够减少多量子阱的非有效复合效率，从而提升LED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LED外延片及其制备方法、LED。
背景技术
LED具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。GaN基材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在高亮度蓝色发光二极管中有着广泛的应用和巨大的市场前景。目前LED外延片的主要结构为衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层及P型层，由于GaN基材料固有的极化效应，产生的斯塔克效应会导致多量子阱中能带弯曲，减少了波函数的重合，从而减少了空穴与电子的有效复合效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种LED外延片，提高载流子在有源区的辐射复合效率，从而提升LED的发光效率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种LED外延片的制备方法，制得的LED的发光效率高。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种LED外延片，包括衬底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，所述有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为N极性AlInN层，第二子层为N极性AlGaN量子垒层，第三子层为N极性AlInGaN层，第四子层为Ga极性InGaN量子阱层。
作为上述技术方案的改进，所述第一子层、第二子层、第三子层和第四子层交替层叠的周期数为7~11。
作为上述技术方案的改进，所述第一子层的In组分占比为0.01~0.05，厚度为4nm~6nm；
所述第二子层的Al组分占比为0.01~0.8，厚度为8nm~10nm；
所述第三子层的In组分占比为0.01~0.05，Al组分占比为0.01~0.8，厚度为4nm~6nm；
所述第四子层的In组分占比为0.1~0.6，厚度为3nm~3.5nm。
作为上述技术方案的改进，所述第三子层的In组分占比大于所述第一子层的In组分占比。
作为上述技术方案的改进，所述有源层中最后两个周期的第一子层、第二子层和第三子层均进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为1×1015cm-3~1×1016cm-3。
作为上述技术方案的改进，同一周期中的所述第一子层、第二子层和第三子层的Mg掺杂浓度相同，最后一个周期的Mg掺杂浓度大于倒数第二个周期的Mg掺杂浓度。
相应的，本发明还公开了一种LED外延片的制备方法，用于制备上述的LED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、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为N极性AlInN层，第二子层为N极性AlGaN量子垒层，第三子层为N极性AlInGaN层，第四子层为Ga极性InGaN量子阱层。
作为上述技术方案的改进，所述第一子层的生长温度为750℃~860℃，生长压力为100Torr~300Torr；
所述第二子层的生长温度为850℃~950℃，生长压力为100Torr~300Torr；
所述第三子层的生长温度为750℃~860℃，生长压力为100Torr~300Torr；
所述第四子层的生长温度为700℃~820℃，生长压力为100Torr~300Torr。
作为上述技术方案的改进，还包括在生长有源层的第一个周期的第一子层前对生长表面进行氮化处理。
相应的，本发明还公开了一种LED，包括上述的LED外延片。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明通过交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层以及第四子层形成混合极性的有源层结构。其中，第一子层、第二子层和第三子层为N极性结构，极化场与外电场方向相同，极化场与外电场共同加速电子、空穴向第四子层的注入，载流子注入效率进一步提高，增加了多量子阱的发光效率；第四子层为Ga极性结构，Ga极性相对N极性，可以有效提高量子阱的晶体质量，减少杂质的并入，从而提高有源层中的有效复合发光效率。本发明的有源层能够降低自发性极化效应，减少非辐射复合，促使量子阱能带拉平，电子空穴波函数更加重叠。
附图说明
图1是本发明实施例提供的LED外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的LED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LED外延片，包括衬底1及依次沉积在所述衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。所述有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为N极性AlInN层，第二子层为N极性AlGaN量子垒层，第三子层为N极性AlInGaN层，第四子层为Ga极性InGaN量子阱层。
本发明通过交替层叠的N极性层和Ga极性层形成混合极性的有源层结构，降低自发性极化效应，减少非辐射复合，促使量子阱能带拉平，电子空穴波函数更加重叠。第一子层、第二子层和第三子层为N极性结构，极化场与外电场方向相同，极化场与外电场共同加速电子、空穴向第四子层的注入，载流子注入效率进一步提高，增加了多量子阱的发光效率。第四子层为Ga极性结构，Ga极性相对N极性，可以有效提高量子阱的晶体质量，减少杂质的并入，从而提高有源层中的有效复合发光效率。
具体的，所述第一子层为N极性AlInN层，AlInN的晶格常数介于InGaN和AlGaN的晶格常数之间，降低了晶格失配，有利于提高量子阱层和量子垒层之间的界面晶体质量，并减少了压电极化对量子阱层的影响，同时AlInN具有较高的禁带宽度，也可以降低电子迁移速度，起到阻挡电子溢流的作用。在一种实施方式中，第一子层的In组分占比为0.01~0.05，示例性的为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05，但不限于此，将In组分占比控制在0.01~0.05，可以在缓解晶格失配的同时提供较高的Al组分占比，起到阻挡电子溢流的作用，提高抗静电能力。第一子层的厚度为4nm~6nm，示例性的为4nm、4.5nm、5nm、5.5nm或6nm，但不限于此。
所述第二子层为N极性AlGaN量子垒层。在一种实施方式中，第二子层的Al组分占比为0.01~0.8，示例性的为0.01、0.1、0.2、0.4、0.6或0.8，但不限于此。第二子层的厚度为8nm~10nm，示例性的为8nm、8.5nm、9nm、9.5nm或10nm，但不限于此。
所述第三子层为N极性AlInGaN层，In组分占比为0.01~0.05，示例性的为0.01、0.02、0.03、0.04或0.05，但不限于此。第三子层的Al组分占比为0.01~0.8，示例性的为0.01、0.1、0.2、0.4、0.6或0.8，但不限于此。第三子层的厚度为4nm~6nm，示例性的为4nm、4.5nm、5nm、5.5nm或6nm，但不限于此。
所述第四子层为Ga极性InGaN量子阱层，Ga极性能够减少杂质并入，从而提高第四子层的生长质量。在一种实施方式中，第四子层的In组分占比为0.1~0.6，示例性的为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5或0.6，但不限于此。第四子层的厚度为3nm~3.5nm，示例性的为3nm、3.1nm、3.2nm、3.4nm或3.5nm，但不限于此。
在一种实施方式中，所述第三子层的In组分占比大于所述第一子层的In组分占比。有源层的结构可以分段阻挡电子，限制电子流动速度，起到阻挡电子溢流出量子阱的作用，提高了抗静电能力。
在一种实施方式中，所述有源层的交替层叠周期数为7~11，示例性的为7、8、9、10或11。
在一种实施方式中，所述有源层中最后两个周期的第一子层、第二子层和第三子层均进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为1×1015cm-3~1×1016cm-3，示例性的为1×1015cm-3、2.5×1015cm-3、5×1015cm-3、8×1015cm-3或1×1016cm-3，但不限于此。对靠近P型GaN层的最后两个周期的第一子层、第二子层和第三子层进行Mg掺杂，由于极化掺杂效应，可以产生高浓度的三维空穴气，有效增强P型GaN层的电导率与空穴注入率，从而提高发光效率。
优选的，同一周期中的所述第一子层、第二子层和第三子层的Mg掺杂浓度相同，最后一个周期的Mg掺杂浓度大于倒数第二个周期的Mg掺杂浓度。通过Mg掺杂浓度沿外延结构的变化，进一步提高发光效率。
除了上述有源层结构外，本发明的其它层状结构的特点如下：
所述衬底1可以选用Si衬底、蓝宝石衬底、SiC衬底、SiO2衬底中的一种。具体地，衬底1选用蓝宝石衬底。
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。具体地，缓冲层2选用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1×1018cm-3~5×1018cm-3。
所述电子阻挡层6为AlInGaN电子阻挡层，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，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LED的发光效率。
所述P型GaN层7的厚度为15nm~30nm，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3~1×1021cm-3，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。
相应的，如图2所示，本发明还提供了一种LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一衬底。将衬底置于MOCVD反应室内进行高温处理，以免衬底表面发生氧化或衬底表面沾污，具体的，高温处理的温度为1000℃~1150℃，处理气体为H2和NH3，处理时间为4min~15min。
S2、在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层。外延结构可以通过MOCVD、MBE、PLD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，生长温度为500℃~600℃，功率为3000W~5000W，以Ar为溅射气体，以N2为前驱体，以Al为溅射靶材。将已镀完AlN缓冲层的衬底转入MOCVD中，在H2气氛下进行预处理，预处理时间为1min~10min，预处理温度为1000℃~1200℃。
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1000℃~1150℃，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。
在一种实施方式中，还包括对外延片生长表面进行氮化处理，以保证N极性结构层的生长质量。具体的，通入120sccm~150sccm的NH3作为N源进行氮化处理，氮化处理的时间为1min~10min，氮化处理的温度为1000℃~1200℃。
S24、生长有源层。采用MOCVD生长，控制反应室温度为750℃~860℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，生长第一子层；控制反应室温度为850℃~950℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，生长第二子层；控制反应室温度为750℃~860℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长第三子层；控制反应室温度为700℃~820℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长第四子层；周期性交替生长第一子层、第二子层、第三子层和第四子层。
在一种实施方式中，有源层最后两个周期的制备方法为：采用MOCVD生长，控制反应室温度为750℃~860℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，通入CP2Mg作为P型掺杂源，生长第一子层；控制反应室温度为850℃~950℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源，生长第二子层；控制反应室温度为750℃~860℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源，生长第三子层；控制反应室温度为700℃~820℃，压力为100Torr~300Torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长第四子层；周期性交替生长第一子层、第二子层、第三子层和第四子层。
S25、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。
S26、生长P型GaN层。
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃~1000℃，压力为200Torr~300Torr，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LED外延片，包括衬底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。
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2.5μm，Si掺杂浓度为2.5×1018cm-3。
有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，周期数为7。第一子层为N极性AlInN层，In组分占比为0.01，厚度为4nm；第二子层为N极性AlGaN量子垒层，Al组分占比为0.5，厚度为8nm；第三子层为N极性AlInGaN层，Al组分占比为0.5，In组分占比为0.01，厚度为4nm；第四子层为Ga极性InGaN量子阱层，In组分占比为0.1，厚度为3nm。
电子阻挡层为AlInGaN电子阻挡层，厚度为15nm，Al组分占比为0.04，In组分占比为0.01。
P型GaN层的厚度为15nm，Mg掺杂浓度为2×1020cm-3。
上述LED外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一衬底。
S2、在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、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，生长温度为550℃，功率为4000W，以Ar为溅射气体，以N2为前驱体，以Al为溅射靶材。将已镀完AlN缓冲层的衬底转入MOCVD中，在H2气氛下进行预处理，预处理时间为5min，预处理温度为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、生长有源层。
采用MOCVD生长，控制反应室温度为800℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，生长第一子层；控制反应室温度为900℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，生长第二子层；控制反应室温度为800℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长第三子层；控制反应室温度为750℃，压力为200Torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TMGa作为Ga源，生长第四子层；周期性交替生长第一子层、第二子层、第三子层和第四子层。
S25、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。
S26、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LED外延片，其与实施例1的区别在于，第一子层的In组分占比为0.02，第三子层的In组分占比为0.05。其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于，有源层的周期数为9。第一子层的In组分占比为0.02，厚度为5nm；第二子层的Al组分占比为0.2，厚度为10nm；第三子层的Al组分占比为0.16，In组分占比为0.04，厚度为5nm；第四子层的In组分占比为0.36，厚度为3nm。其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种LED外延片，其与实施例3的区别在于，有源层的第8、9个周期的第一子层、第二子层和第三子层均进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为5×1015cm-3。相应的，制备方法中，有源层的第8、9个周期的第一子层、第二子层和第三子层制备过程中均还要通入CP2Mg作为P型掺杂源。其余均与实施例3相同。
实施例5
本实施例提供一种LED外延片，其与实施例4的区别在于，有源层的第8个周期的第一子层、第二子层和第三子层的Mg掺杂浓度为3×1015cm-3，第9个周期的第一子层、第二子层和第三子层的Mg掺杂浓度为6×1015cm-3。其余均与实施例4相同。
对比例1
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于，有源层包括周期性交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。相应的，在制备方法中，有源层的制备步骤具体如下：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TEGa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℃，保持压力不变，通入NH3作为N源，通入TEGa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。其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于，有源层不包括第一子层。相应的，在制备方法中，不包括第一子层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于，有源层不包括第三子层。相应的，在制备方法中，不包括第三子层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
对比例4
本对比例提供一种LED外延片，其与实施例1的区别在于，有源层中的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层均为N极性。其余均与实施例1相同。
性能测试：
将实施例1~实施例5和对比例1~对比例4制得的LED外延片制成10mil×24mil的LED芯片，在120mA/60mA电流下测试发光效率和6kV下抗静电通过率，并计算实施例1~实施例5、对比例2~对比例4相较于对比例1的光效提升，结果如表1所示。
表1 LED的光电性能测试结果
由表中可以看出，采用本发明的LED外延片的结构能够有效提升LED的发光效率和抗静电能力。
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 (9)
1.一种LED外延片，其特征在于，包括衬底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，所述有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为N极性AlInN层，第二子层为N极性AlGaN量子垒层，第三子层为N极性AlInGaN层，第四子层为Ga极性InGaN量子阱层；
所述第一子层的生长温度为750℃~860℃，生长压力为100Torr~300Torr；
所述第二子层的生长温度为850℃~950℃，生长压力为100Torr~300Torr；
所述第三子层的生长温度为750℃~860℃，生长压力为100Torr~300Torr；
所述第四子层的生长温度为700℃~820℃，生长压力为100Torr~300Torr。
2.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一子层、第二子层、第三子层和第四子层交替层叠的周期数为7~11。
3.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一子层的In组分占比为0.01~0.05，厚度为4nm~6nm；
所述第二子层的Al组分占比为0.01~0.8，厚度为8nm~10nm；
所述第三子层的In组分占比为0.01~0.05，Al组分占比为0.01~0.8，厚度为4nm~6nm；
所述第四子层的In组分占比为0.1~0.6，厚度为3nm~3.5nm。
4.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第三子层的In组分占比大于所述第一子层的In组分占比。
5.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述有源层中最后两个周期的第一子层、第二子层和第三子层均进行Mg掺杂，Mg掺杂浓度为1×1015cm-3~1×1016cm-3。
6.如权利要求5所述的LED外延片，其特征在于，同一周期中的所述第一子层、第二子层和第三子层的Mg掺杂浓度相同，最后一个周期的Mg掺杂浓度大于倒数第二个周期的Mg掺杂浓度。
7.一种LED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LED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、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括周期性交替层叠的第一子层、第二子层、第三子层和第四子层，所述第一子层为N极性AlInN层，第二子层为N极性AlGaN量子垒层，第三子层为N极性AlInGaN层，第四子层为Ga极性InGaN量子阱层。
8.如权利要求7所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，还包括在生长有源层的第一个周期的第一子层前对生长表面进行氮化处理。
9.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1~6中任一项所述的LED外延片。
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