CN116130569B - 一种高效发光二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高效发光二极管及制备方法，高效发光二极管包括衬底，以及依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、复合N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；复合N型GaN层包括依次沉积在非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，超晶格层包括按预设周期依次交替沉积的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，其中，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于第二Si掺GaN层中掺Si的浓度。本发明通过在非掺杂GaN层多量子阱层之间***了一层复合N型GaN层，减少衬底与外延层之间的应力，多量子阱层界面发生线缺陷和堆垛层错，提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种高效发光二级管及制备方法。
背景技术
近年来，氮化镓（GaN）材料作为第三代直接带隙半导体材料在工业上有着广泛的应用。特别在LED照明领域，GaN基蓝光LED具有的高亮度、高能效和高寿命的特点，彰显了其具有替代现有照明设备的潜能。
本征GaN晶体的导电率比较低，目前可以通过有效的掺杂提升GaN的电导率，在电流注入时可以不断产生电子参与有源区中的辐射复合。掺杂元素一般要求与GaN原子半径接近且在生长温度下仍能保持一定稳定性。在外延生长GaN中，使用最多的n型掺杂元素为Si，掺杂源为SiH4，掺杂浓度可以通过调节SiH4的流量来实现。
然而，由于衬底材料与GaN晶体之间存在较大的晶格失配与热膨胀系数的差异，造成发光二极管外延层中存在很大的压应力，应力释放会对有源区产生线缺陷以及堆垛层错，影响器件的可靠性与发光特性。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种高效发光二级管及制备方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明第一方面提供一种高效发光二极管，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、复合N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述复合N型GaN层包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，所述超晶格层包括按预设周期依次交替沉积的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，其中，所述第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于所述第二Si掺GaN层中掺Si的浓度。
本发明的有益效果是：本发明提供一种高效发光二极管，在非掺杂GaN层与多量子阱层之间***了一层复合N型GaN层，其中，复合N型GaN层包括依次沉积在非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，超晶格层包括按预设周期依次交替沉积的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于第二Si掺GaN层中掺Si的浓度，由于复合N型GaN层的电阻率比P型GaN层的电阻率高，因此，在非掺杂GaN层上沉积浓度较高的第一Si掺GaN层，可以产生大量的电子供给多量子阱层，与多量子阱层中的空穴进行辐射复合，减少复合N型GaN层整体的电阻率，提高二极管的发光效果，进一步的，沉积SiN层可以在第一Si掺GaN层形成致密的SiN薄膜，进一步减少穿透第一Si掺GaN层的位错缺陷，减少位错缺陷延伸至多量子阱层中而影响发光效率，超晶格层可以有效的释放复合N型GaN层与多量子阱有源层之间的应力，减少多量子阱层界面的线缺陷和堆垛层错，提高晶体质量，进一步的，超晶格层中第二Si掺GaN层的掺Si的浓度小于第一Si掺GaN层的掺Si的浓度，可以为第一Si掺GaN层产生的电子提供运动通道，使得电子能有效的运动至多量子阱层，另外还可以减小第二Si掺GaN层与多量子阱层之间的界面电压，进一步提高晶体质量。
优选的，所述第一Si掺GaN层的厚度为1um-5um，所述SiN层的厚度为1nm-100nm，所述超晶格层的厚度为50nm-500nm。
优选的，所述Si掺AlN层、所述InN层和所述第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:10~10:1:50。
优选的，所述预设周期为1-20。
优选的，所述第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1018atoms/cm3-1×1020atoms/cm3，所述Si掺AlN层以及所述第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1017atoms/cm3-1×1019atoms/cm3。
本发明另一方面还提供一种制备上述的高效发光二极管的制备方法，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、复合N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合N型GaN层包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，所述超晶格层包括按预设周期依次交替沉积在所述SiN层上的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，其中，所述第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于所述第二Si掺GaN层中掺Si的浓度。
优选的，所述第一Si掺GaN层沉积生长过程中的生长气氛为N2/H2/NH3成分比例为1:1:10-1:5:10的混合气。
优选的，所述超晶格层沉积生长过程中的生长气氛为N2/ NH3成分比例为1:5-5:1的混合气。
优选的，所述第一Si掺GaN层的沉积生长温度为1000℃-1200℃，所述SiN层的沉积生长温度为900℃-1100℃，所述超晶格层的沉积生长温度为800℃-1000℃。
优选的，所述复合N型GaN层生长过程中的生长压力为50torr -300torr。
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为本发明提供的高效发光二极管结构示意图；
图2为本发明提供的高效发光二极管制备方法流程图。
主要元件符号说明：
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具体的实施例的目的，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。
本发明提供一种高效发光二极管及制备方法，在非掺杂GaN层与多量子阱层之间***了一层复合N型GaN层，其中，复合N型GaN层包括依次沉积在非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，超晶格层包括按预设周期依次交替沉积的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于第二Si掺GaN层中掺Si的浓度，通过复合N型GaN层减少多量子阱层界面的线缺陷和堆垛层错，减小第二Si掺GaN层与多量子阱层之间的界面电压，提高晶体质量。
具体的，参阅图1，本发明实施方式提供的高效发光二极管，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、复合N型GaN层40、多量子阱层50、电子阻挡层60和P型GaN层70；复合N型GaN层40包括依次沉积在非掺杂GaN层30上的第一Si掺GaN层41、SiN层42以及超晶格层43，超晶格层43包括按预设周期依次交替沉积在SiN层42上的Si掺AlN层431、InN层432和第二Si掺GaN层433，其中，第一Si掺GaN层41中掺Si的浓度大于第二Si掺GaN层433中掺Si的浓度。优选的，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1018atoms/cm3-1×1020atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1017atoms/cm3-1×1019atoms/cm3。
具体的，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；蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、性价比高、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性，应用比较广泛。因此，选用蓝宝石衬底，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多量子阱层，多量子阱层为发光二极管的有源层，延伸至多量子阱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蓝宝石衬底表面的缺陷，具体的，缓冲层20可以为AlN缓冲层，厚度为10nm-15nm。
非掺杂GaN层30沉积在缓冲层20上，非掺杂GaN层30厚度为1um-5um，厚度较厚的非掺杂GaN层30可以减少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（LED）的外延成本，因此，进一步的，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为2um-3um。
复合N型GaN层40在LED中的主要作用是进一步减少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多量子阱层，与多量子阱层中的空穴发生辐射复合；进一步减小晶体的缺陷可以提高晶体的质量，提供足够的电子与多量子阱层中的空穴发生复合可以有效的提高LED整体的发光效率，具体的，复合N型GaN层40包括依次沉积在非掺杂GaN层30上的第一Si掺GaN层41、SiN层42以及超晶格层43，第一Si掺GaN层的厚度为1um -5um，SiN层的厚度为1nm -100nm，超晶格层的厚度为50nm-500nm。由于复合N型GaN层40的电阻率要比P型GaN层70上的透明电极的电阻率高，是影响器件电流扩展，增加串联电阻的主要因素。因此，本发明提供的发光二极管，在非掺杂GaN层30上沉积浓度较高的第一Si掺GaN层41，既可以产生大量的电子供给多量子阱层50，与多量子阱层50中的空穴进行辐射复合，减少复合N型GaN层40整体的电阻率，提高二极管的发光效果。另外，将第一Si掺GaN层41厚度沉积至1um-5um，较高的厚度既可以增加电流扩展，降低复合N型GaN层40的串联电阻，降低发光二极管的工作电压，还可以将复合N型GaN层内部的压应力通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电流降低。
进一步的，在第一Si掺GaN层41上沉积SiN层42，可以在第一Si掺GaN层41上形成致密的SiN薄膜，阻挡穿透第一Si掺GaN层41的位错缺陷，进一步减少位错缺陷延伸至多量子阱层50，影响多量子阱层50的发光效率。另外，超晶格层43包括按预设周期依次交替沉积在所述SiN层42上的Si掺AlN层431、InN层432和第二Si掺GaN层433，优选的，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:10~10:1:50，交替沉积的周期为1-20，超晶格层43可以有效的释放复合N型GaN层40与多量子阱层50之间的失配应力，提高多量子阱层50中电子与空穴的并入效率，提高晶体质量，降低多量子阱层50的非辐射复合效率。进一步的，超晶格层中第二Si掺GaN层的掺Si的浓度小于第一Si掺GaN层的掺Si的浓度，较低的Si掺GaN层既可以为第一Si掺GaN层产生的电子提供运动通道，使得电子能有效的运动至多量子阱层，又可以减小第二Si掺GaN层与多量子阱层之间的界面电压，进一步提高晶体质量。
多量子阱层50包括交替沉积的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，沉积周期数6~12，其中，单层InGaN量子阱层的厚度为2nm~5nm，单层AlGaN量子垒层的厚度为5nm~15nm，Al组分为0.01~0.1。电子阻挡层60AlaInbGaN层，厚度为10nm~40 nm，其中，a的取值范为0.005-0.1，b的取值范为0.01-0.2；P型GaN层70厚度为10nm~50nm，可以采用Mg进行掺杂，Mg掺杂浓度1×1019atoms/cm3-1×1021atoms/cm3。
请参阅图2，为本发明实施方式中的高效发光二极管的制备方法，用于制备上述发光二极管，具体的，本发明提供的高效发光二极管制备方法包括步骤S10-S70。
步骤S10，提供一衬底；
具体的，衬底可选用蓝宝石衬底、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。蓝宝石是目前最常用的GaN基LED衬底材料，蓝宝石衬底的最大优点是技术成熟，稳定性好，生产成本低。因此，在本实施方式中，选用蓝宝石作为衬底。
步骤S20，在衬底上沉积缓冲层；
具体的，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15nm-20nm，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。
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蓝宝石衬底转入中微A7金属有机气相沉积（Metal-organic Chemical 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。
具体的，将已沉积完缓冲层的衬底在H2气氛进行处理1min-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50torr-500torr，厚度为1um-5um；优选的，非掺杂GaN层生长温度1100℃，生长压力150torr，非掺杂GaN层生长温度较高，压力较低，制备的到GaN的晶体质量较优，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生长厚度为2um-3um，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层上沉积复合N型GaN层。
具体的，沉积完非掺杂GaN层后，在MOCVD设备中继续沉积复合N型GaN层，复合N型GaN层包括依次沉积在非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，超晶格层包括按预设周期依次交替沉积的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，其中，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于第二Si掺GaN层中掺Si的浓度。
具体的，第一Si掺GaN层的沉积厚度为1um-5um，SiN层的沉积厚度为1nm-100nm，超晶格层的沉积厚度为50nm-500nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的沉积厚度比为1:1:10~10:1:50，优选的，第一Si掺GaN层的沉积厚度为2.5um，SiN层的沉积厚度为65nm，超晶格层的沉积厚度为200nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的沉积厚度比为5:1:40。Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为1-20，优选的，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为6。第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1018atoms/cm3-1×1020atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1017atoms/cm3-1×1019atoms/cm3；优选的，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为2×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为6×1017atoms/cm3。
进一步的，第一Si掺GaN层的沉积生长温度为1000℃-1200℃，SiN层的沉积生长温度为900℃-1100℃，超晶格层的沉积生长温度为800℃-1000℃；优选的，第一Si掺GaN层的沉积生长温度为1100℃，SiN层的沉积生长温度为1000℃，超晶格层的沉积生长温度为900℃。第一Si掺GaN层沉积生长过程中的生长气氛为N2/H2/NH3成分比例为1:1:10-1:5:10的混合气；超晶格层沉积生长过程中的生长气氛为N2/ NH3成分比例为1:5-5:1的混合气；优选的，第一Si掺GaN层沉积生长过程中的生长气氛为N2/H2/NH3成分比例为1:2:6的混合气；超晶格层沉积生长过程中的生长气氛为N2/ NH3成分比例为1:3的混合气。复合N型GaN层生长过程中的生长压力为50torr-300torr；优选的，复合N型GaN层生长过程中的生长压力为150torr。
对于由蓝宝石作为衬底生长出来的LED结构来说，由于N型GaN层的电阻率要比P型GaN上的透明电极的电阻率高，因此是影响器件电流扩展，增加串联电阻的主要因素。本发明提供的发光二极管制备方法，在非掺杂GaN层上沉积浓度较高的第一Si掺GaN层，可以产生大量的电子供给多量子阱层，与多量子阱层中的空穴进行辐射复合，减少复合N型GaN层整体的电阻率，提高二极管的发光效果。另外，将第一Si掺GaN层厚度沉积至1um-5um，较高的厚度既可以增加电流扩展，降低复合N型GaN层的串联电阻，降低发光二极管的工作电压，还可以将复合N型GaN层内部的压应力通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电流降低。
进一步的，在第一Si掺GaN层上沉积SiN层，可以在第一Si掺GaN层上形成致密的SiN薄膜，阻挡穿透第一Si掺GaN层的位错缺陷，进一步减少位错缺陷延伸至多量子阱层，影响多量子阱层的发光效率。另外，超晶格层包括按预设周期依次交替沉积在所述SiN层上的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，优选的，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:10~10:1:50，交替沉积的周期为1-20，超晶格层可以有效的释放复合N型GaN层40与多量子阱层之间的失配应力，提高多量子阱层中电子与空穴的并入效率，提高晶体质量，降低多量子阱层的非辐射复合效率。进一步的，超晶格层中第二Si掺GaN层的掺Si的浓度小于第一Si掺GaN层的掺Si的浓度，可以为第一Si掺GaN层产生的电子提供运动通道，使得电子能有效的运动至多量子阱层，可以减小第二Si掺GaN层与多量子阱层之间的界面电压，进一步提高晶体质量。
步骤S60，在复合N型GaN层上沉积多量子阱层。
具体的，多量子阱层为交替沉积的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，沉积周期数6~12，优选的，沉积周期为10。InGaN量子阱层生长温度为790℃~810℃，厚度为2nm~5nm，生长压力50torr~300torr，In组分为0.15-0.3；优选的，InGaN量子阱层生长温度为795℃，厚度为3.5nm，生长压力200torr，In组分为0.22。AlGaN量子垒层生长温度为800℃~900℃，厚度为5nm~15nm，生长压力50torr ~300torr，Al组分为0.01~0.1；优选的，AlGaN量子垒层生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力200 torr，Al组分为0.05。多量子阱层为电子和空穴辐射复合的区域，合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高LED 器件发光效率。
步骤S70，在多量子阱层上沉积电子阻挡层。
具体的，电子阻挡层为AlaInbGaN层，电子阻挡层的厚度为10nm~40nm，生长沉积温度为900℃-1000℃，压力为100torr~300torr， Al组分0.005<a<0.1，In组分浓度为0.01<b<0.2。优选的，电子阻挡层的厚度为15 nm，生长沉积温度为965℃，压力为200torr， Al组分浓度延外延层生长方向由0.01渐变至0.05，In组分浓度为0.01。电子阻挡层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。
步骤S80，在电子阻挡层上沉积P型GaN层。
具体的，P型GaN层的主要作用为多量子阱层提供空穴，以使得在多量子阱层中电子与空穴进行辐射复合进行发光。P型GaN层生长温度900℃-1050℃，厚度10nm~50nm，生长压力100torr~600torr，采用Mg进行掺杂，掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~1×1021atoms/cm3，Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度过低则会影响空穴浓度。优选的，P型GaN层生长温度985℃，厚度15nm，生长压力200torr，Mg掺杂浓度为2×1020atoms/cm3。同时，对于含V形坑的LED结构来说，P型GaN层较高的生长温度也有利于合并V形坑，得到表面光滑的LED外延片。
实施例1
一种高效发光二级管，在本实施例中，选用蓝宝石衬底。第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为2.5um/1nm/200nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:4，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为6，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:1:10，超晶格层生长N2/ NH3成分比为1:5。
实施例2
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为5um/80nm/50nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为5:1:40，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为1，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为5×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为6×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:3:10，超晶格层生长N2/NH3成分比为1:2。
实施例3
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为2um/50nm/200nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:10，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为6，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为2×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为3×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:1:8，超晶格层生长N2/ NH3成分比为1:5。
实施例4
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为3um/65nm/300nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为10:1:30，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为8，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为2×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为6×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:2:10，超晶格层生长N2/NH3成分比为1:1。
实施例5
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为2.5um/45nm/200nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:40，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为6，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为2×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1018atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:3:8，超晶格层生长N2/NH3成分比为1:4。
实施例6
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为3um/100nm/80nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:6，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为3，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1020atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1019atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:2:6，超晶格层生长N2/ NH3成分比为4:1。
实施例7
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为3.5um/85nm/500nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为10:1:50，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为10，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为2×1019atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为8×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:5:10，超晶格层生长N2/ NH3成分比为3:1。
实施例8
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为2um/65nm/200nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为10:1:30，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为20，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为8×1018atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为3×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:4:10，超晶格层生长N2/NH3成分比为5:1。
实施例9
本实施例当中的高效发光二级管与实施例1中的发光二级管的不同之处在于，第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层的厚度分别为1um/65nm/300nm，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:5，Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层交替沉积的周期为9，第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1018atoms/cm3，Si掺AlN层以及第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为2×1017atoms/cm3，第一Si掺GaN层生长N2/H2/NH3成分比为1:1:6，超晶格层生长N2/ NH3成分比为2:1。
对照例
本实施例当中的发光二级管与实施例1中的高效发光二级管的不同之处在于，在非掺杂GaN层与多量子阱层之间***了一层N型GaN层，N型GaN层厚度为3um，采用Si进行掺杂，掺杂浓度为2×1019atoms/cm3。
请参阅表1，所示为上述各个实施例及对照例的部分参数对比及对应透光率的对比结果。
表1
从表1可知，本发明提供的高效发光二极管外延片，与目前量产的制备的发光二极管外延片相比，光电效率提升1.5%-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高效发光二极管只有上述几种实施流程，相反的，只要能够将本申请的高效发光二极管实施起来，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高效发光二极管的结构部分与本发明制备高效发光二极管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，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、复合N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合N型GaN层包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，所述超晶格层包括按预设周期依次交替沉积的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，其中，所述第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于所述第二Si掺GaN层中掺Si的浓度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一Si掺GaN层的厚度为1um-5um，所述SiN层的厚度为1nm-100nm，所述超晶格层的厚度为50nm-500nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Si掺AlN层、所述InN层和所述第二Si掺GaN层的厚度比为1:1:10~10:1:50。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述预设周期为1-20。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1018 atoms/cm3-1×1020atoms/cm3，所述Si掺AlN层以及所述第二Si掺GaN层中掺Si的浓度为1×1017 atoms/cm3-1×1019atoms/cm3。
6.一种制备权利要求1-5任意一项所述的发光二极管的制备方法，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、复合N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
所述复合N型GaN层包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一Si掺GaN层、SiN层以及超晶格层，所述超晶格层包括按预设周期依次交替沉积在所述SiN层上的Si掺AlN层、InN层和第二Si掺GaN层，其中，所述第一Si掺GaN层中掺Si的浓度大于所述第二Si掺GaN层中掺Si的浓度。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述第一Si掺GaN层沉积生长过程中的生长气氛为N2/H2/NH3成分比例为1:1:10-1:5:10的混合气。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述超晶格层沉积生长过程中的生长气氛为N2/ NH3成分比例为1:5-5:1的混合气。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述第一Si掺GaN层的沉积生长温度为1000℃-1200℃，所述SiN层的沉积生长温度为900℃-1100℃，所述超晶格层的沉积生长温度为800℃-1000℃。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述复合N型GaN层生长过程中的生长压力为50torr -300torr。
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| CN114639760A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-06-17 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种发光二极管外延片及其制备方法 |
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| CN116130569A (zh) | 2023-05-16 |
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