CN105914273B - 一种红黄光发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种红黄光发光二极管外延片及其制备方法，属于半导体技术领域。外延片包括N型衬底、N型缓冲层、N型反射层、N型限制层、电子阻挡层、多量子阱层、空穴调整层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层，电子阻挡层包括AlGaInP层和AlInP层，空穴调整层包括第一子层和至少两层第二子层，第一子层为非掺杂的AlInP层，第二子层包括P型掺杂的AlInP层和非掺杂的AlInP层，P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于P型限制层的掺杂浓度。本发明通过电子阻挡层延缓电子达到多量子阱层，空穴调整层使得空穴均匀分布在临近多量子阱层的区域，增加电子和空穴的复合几率，提高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，特别涉及一种红黄光发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
红黄光的高亮度AlGaInP系的发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有体积小、寿命长、功耗低等优点，在白色光源、全色显示、交通信号灯和城市亮化工程等领域具有广阔的应用前景。
AlGaInP LED外延片自下而上包括N型衬底、N型缓冲层、N型反射层、N型限制层、多量子阱层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
电子的体积和质量均小于空穴，因此电子的迁移率和迁移速率均优于空穴，电子和空穴的复合大部分发生在邻近P型限制层的区域，发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管外延片，所述红黄光发光二极管外延片包括N型衬底、以及依次层叠在所述N型衬底上的N型缓冲层、N型反射层、N型限制层、多量子阱层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层，所述红黄光发光二极管外延片还包括层叠在所述N型限制层和所述多量子阱层之间的电子阻挡层、以及层叠在所述多量子阱层和所述P型限制层之间的空穴调整层，所述电子阻挡层包括AlGaInP层和AlInP层，所述空穴调整层包括第一子层和至少两层第二子层，所述第一子层设置在所述多量子阱层上，所述第一子层为非掺杂的AlInP层，所述第二子层包括P型掺杂的AlInP层和非掺杂的AlInP层，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于所述P型限制层的掺杂浓度。
可选地，所述AlGaInP层的厚度为20～50nm。
可选地，所述电子阻挡层中的AlInP层的厚度为8～15nm。
可选地，所述第一子层的厚度为90～220nm。
可选地，所述第二子层的层数为2～9层。
可选地，所述P型掺杂的AlInP层的厚度与所述非掺杂的AlInP层的厚度相同。
可选地，所述P型掺杂的AlInP层的厚度为10～20nm。
可选地，所述非掺杂的AlInP层的厚度为10～20nm。
可选地，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂杂质为镁元素，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度为10-17～5*10-17cm-3。
第二方面，本发明实施例提供了一种如第一方面所述的红黄光发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
在N型衬底上形成N型缓冲层；
在所述N型缓冲层上形成N型反射层；
在所述N型反射层上形成N型限制层；
在所述N型限制层上形成电子阻挡层，所述电子阻挡层包括AlGaInP层和AlInP层；
在所述电子阻挡层上形成多量子阱层；
在所述多量子阱层上形成空穴调整层，所述空穴调整层包括第一子层和至少两层第二子层，所述第一子层形成在所述多量子阱层上，所述第一子层为非掺杂的AlInP层，所述第二子层包括P型掺杂的AlInP层和非掺杂的AlInP层，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于所述P型限制层的掺杂浓度；
在所述空穴调整层上形成P型限制层；
在所述P型限制层上形成P型电流扩展层；
在所述P型电流扩展层上形成P型欧姆接触层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在N型限制层和多量子阱层之间层叠电子阻挡层，延缓电子达到多量子阱层，在多量子阱层和P型限制层之间层叠空穴调整层，使得空穴均匀分布在临近多量子阱层的区域，增加电子和空穴的复合几率，提高发光二极管的发光效率。同时，空穴调整层的掺杂浓度较低，可以有效避免掺杂杂质扩散到多量子阱层而增强非辐射复合的几率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种红黄光发光二极管外延片的结构示意图；
图2a是本发明实施例一提供的N型限制层、电子阻挡层、多量子阱层、以及P型限制层的能带示意图；
图2b是本发明实施例一提供的空穴调整层和P型限制层掺杂浓度的分布示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种红黄光发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管外延片，参见图1，该红黄光发光二极管外延片包括N型衬底1、以及依次层叠在N型衬底1上的N型缓冲层2、N型反射层3、N型限制层4、电子阻挡层5、多量子阱层6、空穴调整层7、P型限制层8、P型电流扩展层9、P型欧姆接触层10。
在本实施例中，N型衬底1为GaAs衬底；N型缓冲层2为GaAs层；N型反射层3包括交替层叠的AlAs层31和AlGaAs层32；N型限制层4为AlInP层；电子阻挡层5包括AlGaInP层51和AlInP层52；多量子阱层6包括交替层叠的量子阱层61和量子垒层62(量子阱层和量子垒层分别为Al组分不同的AlGaInP层)；空穴调整层7包括第一子层71和至少两层第二子层72，第一子层71为非掺杂的AlInP层，第二子层包括P型掺杂的AlInP层72a和非掺杂的AlInP层72b，P型掺杂的AlInP层72a的掺杂浓度小于P型限制层8的掺杂浓度；P型限制层8为AlInP层；P型电流扩展层9为GaP层；P型欧姆接触层10为GaP层。
图2a为N型限制层4、电子阻挡层5、多量子阱层6、以及P型限制层8的能带示意图。如图2a所示，N型限制层4、AlInP层52、P型限制层8采用的材料AlInP的能带高于AlGaInP层51和多量子阱层6采用的材料AlGaInP的能带，因此部分电子可以被AlInP层52阻挡在AlGaInP层51内，延缓电子到达多量子阱层6。
图2b为空穴调整层7和P型限制层8掺杂浓度的分布示意图。如图2b所示，非掺杂的AlInP层、低掺杂的AlInP层、高掺杂的AlInP层的掺杂浓度逐渐增高，P型掺杂的AlInP层72a的掺杂浓度小于P型限制层8的掺杂浓度，有利于空穴注入空穴调整层7；同时考虑到Mg的易扩散性，P型掺杂的AlInP层72a和非掺杂的AlInP层72b交替层叠，可以使空穴均匀分布在空穴调整层7内；另外临近多量子阱层6的第一层采用非掺杂的AlInP层，可以防止Mg扩散到多量子阱层6造成非辐射复合。
具体地，N型衬底1可以为2或4寸的100面偏向《111》A+5°GaAs衬底。
可选地，N型衬底1的厚度可以为340～360μm。
可选地，N型衬底1的掺杂杂质可以为硅元素，N型衬底1的掺杂浓度可以为10-18～2*10-18cm-3。
可选地，N型缓冲层2的厚度可以为150～250nm。当N型缓冲层的厚度小于150nm时，无法掩盖N型衬底1的缺陷；当N型缓冲层的厚度大于250nm时，造成浪费。
可选地，N型缓冲层2的掺杂杂质可以为硅元素，N型缓冲层2的掺杂浓度可以为10-18～2*10-18cm-3。
优选地，N型缓冲层2的掺杂浓度可以为10-18cm-3。
可选地，N型反射层3的掺杂杂质可以为硅元素，N型反射层3的掺杂浓度可以为2*10-18～8*10-18cm-3。当N型反射层3的掺杂浓度小于2*10-18cm-3时，正向电压较高；当N型反射层3的掺杂浓度大于8*10-18cm-3时，过多的杂质造成量子阱发出光子散射，影响芯片亮度。
在实际应用中，AlAs层31和AlGaAs层32注入相同量的掺杂物，掺杂浓度不同，AlAs层31的掺杂浓度低于AlGaAs层32的掺杂浓度。具体地，AlAs层31的掺杂浓度为2*10-18～4.5*10-18cm-3，AlGaAs层32的掺杂浓度为4.5*10-18～8*10-18cm-3。
可选地，AlAs层31和AlGaAs层32的层数之和可以为30～60。
可以理解地，AlAs层31和AlGaAs层32的层数之和主要影响芯片亮度。当AlAs层31和AlGaAs层32的层数达到60时，出射光的反射率基本为100％，再增加AlAs层31和AlGaAs层32的层数之和已经没有多大效果，而且还会影响芯片电压。在实际应用中，AlAs层31和AlGaAs层32的层数之和可以根据产品要求确定。
可选地，AlAs层31的厚度可以为42～55nm。
可选地，AlGaAs层32的厚度可以为40～50nm。
需要说明的是，AlAs层31和AlGaAs层32的厚度范围是根据反射谱确定的，超过上述范围起不到反射效果。在实际应用中，具体厚度可以根据生产产品的波长确定，不同的波长需要不同的厚度。
可选地，N型限制层4的掺杂杂质可以为硅元素，N型限制层4的掺杂浓度可以为7*10-17～2*10-18cm-3。
可选地，N型限制层4的厚度可以为200～500nm。
可选地，AlGaInP层51的厚度可以为20～50nm。当AlGaInP层的厚度小于20nm时，无法有效容纳足够多电子；当AlGaInP层的厚度大于50nm时，造成复合发光的电子较少。
优选地，AlGaInP层51的厚度可以为35nm。
可选地，AlInP层52的厚度可以为8～15nm。当AlInP层的厚度小于8nm时，无法有效阻挡电子注入多量子阱层；当AlInP层的厚度大于15nm时，隧穿的电子较少，造成复合发光的电子少。
优选地，AlInP层52的厚度可以为12nm。
可选地，量子阱层61的厚度可以为3～5nm。
可选地，量子垒层62的厚度可以为5～7nm。
可选地，第一子层71的厚度可以为90～220nm。当第一子层的厚度小于90nm时，掺杂杂质可能会扩散的多量子阱，造成非辐射复合，影响空穴注入；当第一子层的厚度大于220nm时，注入多量子阱层的空穴较少。
优选地，第一子层71的厚度可以为140nm。
在实际应用中，第一子层的厚度可以根据第二子层72的层数和掺杂浓度确定。
可选地，第二子层72的层数可以为2～9层。当第二子层72的层数小于2层，无法有效调整空穴的分布；当第二子层72的层数大于9层，P型限制层注入到多量子阱层的空穴较少。
优选地，第二子层72的层数可以为5～6层。
可选地，P型掺杂的AlInP层72a的厚度与非掺杂的AlInP层72b的厚度可以相同，有利于空穴均匀分布。
可选地，P型掺杂的AlInP层72a的厚度可以为10～20nm。当P型掺杂的AlInP层的厚度小于10nm时，无法有效调整空穴的分布；当空穴调整层厚度大于20nm时，影响空穴的注入。
优选地，P型掺杂的AlInP层72a的厚度可以为14nm。
可选地，非掺杂的AlInP层72b的厚度可以为10～20nm。当非掺杂的AlInP层的厚度小于10nm时，无法有效调整空穴的分布；当非掺杂的AlInP层的厚度大于20nm时，影响空穴的注入。
优选地，非掺杂的AlInP层72b的厚度可以为14nm。
可选地，P型掺杂的AlInP层72a的掺杂杂质可以为镁元素，P型掺杂的AlInP层72a的掺杂浓度可以为10-17～5*10-17cm-3。当P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于10-17cm-3时，无法有效调整空穴的分布；当P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度大于5*10-17cm-3时，造成掺杂杂质扩散到多量子阱层而增强非辐射复合的几率。
优选地，P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度可以为3*10-17cm-3。
可选地，P型限制层8的掺杂杂质可以为镁元素，P型限制层8的掺杂浓度可以为7*10-17～10-18cm-3。
可选地，P型限制层8的厚度可以为400～600nm。
可选地，P型电流扩展层9的掺杂杂质可以为镁元素，P型电流扩展层9的掺杂浓度可以为2*10-18～8*10-18cm-3。当P型电流扩展层的掺杂浓度小于2*10-18时，影响电压；当P型电流扩展层的掺杂浓度大于8*10-18cm-3时，晶格质量差，影响发光亮度。
可选地，P型电流扩展层9的厚度可以为8～10μm。当P型电流扩展层的厚度小于8μm时，影响电流扩展；当P型电流扩展层的厚度大于10μm时，会造成外延片翘曲度增加，导致如飞片等不良后果。
可选地，P型欧姆接触层10的掺杂杂质可以为碳元素，以实现较高的掺杂浓度和适应较低的生长温度，P型欧姆接触层10的掺杂浓度可以为3*10-19～10-20cm-3。当P型欧姆接触层的掺杂浓度小于3*10-19cm-3时，欧姆接触不良导致电压偏高；当P型欧姆接触层的掺杂浓度大于10-20cm-3时，晶格质量变差。
可选地，P型欧姆接触层10的厚度可以为30～100nm。当P型欧姆接触层的厚度小于30nm时，电压难控制；当P型欧姆接触层的厚度大于100nm时，影响亮度。
本发明实施例通过在N型限制层和多量子阱层之间层叠电子阻挡层，延缓电子达到多量子阱层，在多量子阱层和P型限制层之间层叠空穴调整层，使得空穴均匀分布在临近多量子阱层的区域，增加电子和空穴的复合几率，提高发光二极管的发光效率。同时，空穴调整层的掺杂浓度较低，可以有效避免掺杂杂质扩散到多量子阱层而增强非辐射复合的几率。
实施例二
本发明实施例提供了一种红黄光发光二极管外延片的制备方法，适用于制备实施例一提供的红黄光发光二极管外延片，参见图3，该制备方法包括：
步骤201：在N型衬底上形成N型缓冲层。
在本实施例中，N型衬底为GaAs衬底；N型缓冲层为GaAs层。
具体地，N型衬底可以为2或4寸的100面偏向《111》A+5°GaAs衬底。
可选地，N型衬底的厚度可以为340～360μm。
可选地，N型衬底的掺杂杂质可以为硅元素，N型衬底1的掺杂浓度可以为10-18～2*10-18cm-3。
具体地，N型缓冲层的生长条件可以为：生长温度为640～660℃，TMGa(三甲基镓)流量为80～100sccm，AsH3(砷化氢)流量为400～450sccm，掺杂杂质为硅元素，掺杂浓度为10-18～2*10-18cm-3，厚度为150～250nm。
步骤202：在N型缓冲层上形成N型反射层。
在本实施例中，N型反射层包括交替层叠的AlAs层和AlGaAs层。
具体地，N型反射层的生长条件可以为：生长温度为640～660℃，TMGa流量为80～120sccm，TMAl(三甲基铝)流量为180～320sccm，AsH3流量为400～500sccm，AlAs层的厚度为42～55nm，AlGaAs层的厚度为40～50nm，AlAs层和AlGaAs层的层数之和为30～60，掺杂杂质为硅元素，掺杂浓度为2*10-18～8*10-18cm-3。
步骤203：在N型反射层上形成N型限制层。
在本实施例中，N型限制层为AlInP层。
具体地，N型限制层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMAl流量为100～120sccm，TMIn(三甲基铟)流量为800～850sccm，PH3流量为900～1100sccm，掺杂杂质为硅元素，掺杂浓度为7*10-17～2*10-18cm-3，厚度为200～500nm。
步骤204：在N型限制层上形成电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层包括AlGaInP层和AlInP层。
具体地，电子阻挡层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMIn流量为800～850sccm，PH3流量为900～1100sccm；AlGaInP层的TMAl流量为6～35sccm，TMGa流量为26～40sccm；AlInP层的TMAl流量为100～120sccm；AlGaInP层的厚度为20～50nm，AlInP层的厚度为8～15nm。
步骤205：在电子阻挡层上形成多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括交替层叠的量子阱层和量子垒层(量子阱层和量子垒层分别为Al组分不同的AlGaInP层)。
具体地，量子阱层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMGa流量为26～40sccm，TMAl流量为6～35sccm，TMIn流量为800～850sccm，PH3流量为900～1100sccm，厚度为3～5nm。
量子垒层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMGa流量为5～18sccm，TMAl流量为70～100sccm，TMIn流量为800～850sccm，PH3流量为900～1100sccm，厚度为5～7nm。
步骤206：在多量子阱层上形成空穴调整层。
在本实施例中，空穴调整层包括第一子层和至少两层第二子层，第一子层为非掺杂的AlInP层，第二子层包括P型掺杂的AlInP层和非掺杂的AlInP层，P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于P型限制层的掺杂浓度。
具体地，空穴调整层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMAl流量为100～120sccm，TMIn流量为800～850sccm，PH3流量为900～1100sccm，第一子层的厚度为90～220nm，第二子层的层数为2～9层，P型掺杂的AlInP层的厚度为10～20nm，非掺杂的AlInP层的厚度为10～20nm，P型掺杂的AlInP层的掺杂杂质为镁元素，P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度为10-17～5*10-17cm-3。
步骤207：在空穴调整层上形成P型限制层。
在本实施例中，P型限制层为AlInP层。
具体地，P型限制层的生长条件可以为：生长温度为660～680℃，TMAl流量为100～120sccm，TMIn流量为800～850sccm，PH3流量为900～1100sccm，掺杂杂质为镁元素，掺杂浓度为7*10-17～10-18cm-3，厚度为400～600nm。
步骤208：在P型限制层上形成P型电流扩展层。
在本实施例中，P型电流扩展层为GaP层。
具体地，P型电流扩展层的生长条件可以为：生长温度为690～710℃，TMGa流量为400～600sccm，PH3流量为200～500sccm，掺杂杂质为镁元素，掺杂浓度为2*10-18～8*10- 18cm-3，厚度为8～10μm。
步骤209：在P型电流扩展层上形成P型欧姆接触层。
在本实施例中，P型欧姆接触层为GaP层。
具体地，P型欧姆接触层的生长条件可以为：生长温度为630～650℃，TMGa流量为400～600sccm，PH3流量为200～500sccm，掺杂杂质为碳元素，掺杂浓度为3*10-19～10-20cm-3，厚度为30～100nm。
本发明实施例通过在N型限制层和多量子阱层之间层叠电子阻挡层，延缓电子达到多量子阱层，在多量子阱层和P型限制层之间层叠空穴调整层，使得空穴均匀分布在临近多量子阱层的区域，增加电子和空穴的复合几率，提高发光二极管的发光效率。同时，空穴调整层的掺杂浓度较低，可以有效避免掺杂杂质扩散到多量子阱层而增强非辐射复合的几率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种红黄光发光二极管外延片，所述红黄光发光二极管外延片包括N型衬底、以及依次层叠在所述N型衬底上的N型缓冲层、N型反射层、N型限制层、多量子阱层、P型限制层、P型电流扩展层、P型欧姆接触层，其特征在于，所述红黄光发光二极管外延片还包括层叠在所述N型限制层和所述多量子阱层之间的电子阻挡层、以及层叠在所述多量子阱层和所述P型限制层之间的空穴调整层，所述电子阻挡层包括AlGaInP层和AlInP层，所述空穴调整层包括第一子层和至少两层第二子层，所述第一子层设置在所述多量子阱层上，所述第一子层为非掺杂的AlInP层，所述第二子层包括P型掺杂的AlInP层和非掺杂的AlInP层，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于所述P型限制层的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述AlGaInP层的厚度为20～50nm。
3.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层中的AlInP层的厚度为8～15nm。
4.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度为90～220nm。
5.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层的层数为2～9层。
6.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述P型掺杂的AlInP层的厚度与所述非掺杂的AlInP层的厚度相同。
7.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述P型掺杂的AlInP层的厚度为10～20nm。
8.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述非掺杂的AlInP层的厚度为10～20nm。
9.根据权利要求1所述的红黄光发光二极管外延片，其特征在于，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂杂质为镁元素，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度为10-17～5*10-17cm-3。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的红黄光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：
在N型衬底上形成N型缓冲层；
在所述N型缓冲层上形成N型反射层；
在所述N型反射层上形成N型限制层；
在所述N型限制层上形成电子阻挡层，所述电子阻挡层包括AlGaInP层和AlInP层；
在所述电子阻挡层上形成多量子阱层；
在所述多量子阱层上形成空穴调整层，所述空穴调整层包括第一子层和至少两层第二子层，所述第一子层形成在所述多量子阱层上，所述第一子层为非掺杂的AlInP层，所述第二子层包括P型掺杂的AlInP层和非掺杂的AlInP层，所述P型掺杂的AlInP层的掺杂浓度小于所述P型限制层的掺杂浓度；
在所述空穴调整层上形成P型限制层；
在所述P型限制层上形成P型电流扩展层；
在所述P型电流扩展层上形成P型欧姆接触层。
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