CN116387427A - 发光二极管外延片及其制备方法、led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法、LED，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、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。本发明提供的发光二极管外延片既能够降缓解Si衬底所带来的张应力，提高电流扩展能力，提高多量子阱层的晶体质量。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、LED。
背景技术
由于GaN单晶的价格限制和尺寸限制，目前GaN的生长通常采用异质外延方式。Si衬底是最普遍用于GaN生长的衬底，具有生产技术成熟、价格低、机械强度高、性价比高等优点。不过，由于Si衬底是一种绝缘体，无法制作垂直结构的器件，目前横向结构的LED是主流。由于横向结构LED芯片的P型电极和N型电极位于同一侧，且P型材料和N型材料的电导率不同，不可避免地存在电流拥堵效应，导致载流子分布不均和局部过热，降低器件效率和可靠性。
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，其既能够降低电子泄漏，又能够提高空穴的注入效率，增加了电子和空穴在有源区的复合浓度，有效提升了发光二极管的光效，同时也降低了工作电压。
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，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题，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、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。
在一种实施方式中，所述A掺杂GaN层的A掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；
所述A掺杂GaN层的厚度为100nm~150nm。
在一种实施方式中，所述Mg掺杂六方BN层的厚度为100nm~500nm；
所述Mg掺杂六方BN层的Mg掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~2×1017atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层包括交替层叠的D掺杂GaN层和InGaN层。
在一种实施方式中，所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层的周期数为6~9。
在一种实施方式中，所述D掺杂GaN层的厚度为0.5nm~5nm；
所述InGaN层的厚度为0.5nm~5nm；
所述D掺杂GaN层的D掺杂浓度为1×1017atoms/cm3~2×1018atoms/cm3。
为解决上述问题，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、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。
在一种实施方式中，所述A掺杂GaN层的生长温度为900℃~1100℃；
所述Mg掺杂六方BN层的生长温度为900℃~1100℃；
所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层的生长温度为800℃~1000℃。
在一种实施方式中，所述应力调控层的生长压力为50torr~300torr。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的发光二极管外延片，其在缓冲层和非掺杂GaN层之间***了具有特定结构的应力调控层，所述应力调控层包括A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。所述应力调控层中所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层向Mg掺杂六方BN层之间施加压应力，所述Mg掺杂六方BN层向A掺杂GaN层施加压应力，从而最后应力调控层缓解GaN外延层与衬底产生的张应力。最终既能够降低电子泄漏，又能够提高空穴的注入效率，增加了电子和空穴在有源区的复合浓度，有效提升了发光二极管的光效，同时也降低了工作电压。
附图说明
图1为本发明提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图3为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的步骤S2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，下面对本发明作进一步地详细描述。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
目前普遍使用的电子阻挡层，采用了高Al组分的AlGaN材料，利用其带隙宽、势垒高的特点，将电子限制在有源区内、阻挡电子泄露。但是这样的结构会阻碍空穴向有源区的注入，造成电子空穴复合效率降低，使对应发光二极管工作电压增大。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，如图1所示，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。
本发明提供的发光二极管外延片，其在缓冲层和非掺杂GaN层之间***了具有特定结构的应力调控层，所述应力调控层包括A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。其中，所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层向Mg掺杂六方BN层之间施加压应力，所述Mg掺杂六方BN层向A掺杂GaN层施加压应力，从而最后应力调控层缓解GaN外延层与衬底产生的张应力。
在一种实施方式中，所述A掺杂GaN层的A掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；优选地，所述A掺杂GaN层的A掺杂浓度为2×1018atoms/cm3~1×1019atoms/cm3。在一种实施方式中，所述A掺杂GaN层的厚度为100nm~150nm；所述A掺杂GaN层的示例性厚度为110nm、120nm、130nm、140nm，但不限于此。所述A掺杂GaN层引入A元素可以降低与缓冲层所带来的应变驰豫，提高外延层的晶体质量，提高发光二极管的电学性能，同时较高浓度的A元素可以抑制高D元素浓度下器件的电流崩溃现象。
在一种实施方式中，所述Mg掺杂六方BN层的厚度为100nm~500nm；所述Mg掺杂六方BN层的示例性厚度为150nm、200nm、300nm、400nm，但不限于此。在一种实施方式中，所述Mg掺杂六方BN层的Mg掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~2×1017atoms/cm3；优选地，所述Mg掺杂六方BN层的Mg掺杂浓度为2×1016atoms/cm3~1×1017atoms/cm3。所述Mg掺杂六方BN层能够限制由于衬底所带来的电子，降低静电击穿的风险，同时Mg掺杂可以减少电子的移动速度。
在一种实施方式中，所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层包括交替层叠的D掺杂GaN层和InGaN层，交替层叠的周期数为6~9；所述D掺杂GaN层的厚度为0.5nm~5nm；所述D掺杂GaN层的示例性厚度为1nm、2nm、3nm、4nm，但不限于此；所述InGaN层的厚度为0.5nm~5nm；所述InGaN层的示例性厚度为1nm、2nm、3nm、4nm，但不限于此；所述D掺杂GaN层的D掺杂浓度为1×1017atoms/cm3~2×1018atoms/cm3；优选地，所述D掺杂GaN层的D掺杂浓度为2×1017atoms/cm3~1×1018atoms/cm3。
所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层，D掺杂GaN层以D杂质作为受主降低D掺杂GaN层的载流子浓度，从而降低D掺杂GaN层的电导率，这样***一层导电性差的D掺杂GaN层可以增加电流的横向扩展，能有效地缓解横向结构LED中的电流拥堵效应，提高器件效率和可靠性，同时有效缓解因有源区中InGaN量子阱中的In含量较高InGaN阱与N型GaN之间存在较大的失配应力，以较薄的厚度能够不断扭曲界面里的应力，提高晶体质量，相对阻止一部分由底层带来的线位错的延伸，从而解决导致InGaN阱中的In组分并入难问题，提高电子空穴波函数的空间重叠度，提高发光二极管发光效率。
综上，本发明提出的发光二极管外延片，其在缓冲层和非掺杂GaN层之间***了具有特定结构的应力调控层，所述应力调控层包括A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。其既能够降低电子泄漏，又能够提高空穴的注入效率，增加了电子和空穴在有源区的复合浓度，有效提升了发光二极管的光效，同时也降低了工作电压。
相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底1；
在一种实施方式中，所述衬底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；优选地，选用蓝宝石衬底。蓝宝石是目前最常用的衬底材料，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。
S2、在所述衬底1上依次沉积缓冲层2、应力调控层3、非掺杂GaN层4、N型GaN层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、P型GaN层8。
如图3所示，步骤S2包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积缓冲层2。
在一种实施方式中，将所述衬底在MOCVD***中，通入NH3作为N源，TMAl作为Al源，TMGa作为Ga源，在衬底上依次生长AlN缓冲层、GaN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，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。
S22、在缓冲层2上沉积应力调控层3。
在一种实施方式中，所述A掺杂GaN层的生长温度为900℃~1100℃；所述Mg掺杂六方BN层的生长温度为900℃~1100℃；所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层的生长温度为800℃~1000℃。
在一种实施方式中，所述应力调控层的生长压力为50torr~300torr。
S23、在应力调控层3上沉积非掺杂GaN层4。
在一种实施方式中，非掺杂GaN层的生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~600 torr，厚度为1μm~5.5μm。优选地，非掺杂GaN层的生长温度为1100℃，生长压力为150 torr，生长厚度为2μm~3μm。
S24、在非掺杂GaN层4上沉积N型GaN层5。
在一种实施方式中，N型GaN层的生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~600torr，厚度为2μm~3μm，Si掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~4.5×1019atoms/cm3。优选地，N型GaN层的生长温度为1120℃，生长压力为100 torr，生长厚度为2.5μm，Si掺杂浓度为2.5×1019atoms/cm3。
S25、在N型GaN层5上沉积多量子阱层6。
在一种实施方式中，所述多量子阱层包括多个交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。首先，生长InGaN量子阱层，控制反应室温度为790℃~810℃，生长压力为50 torr~300torr，通N源、In源、Ga源，生长获得InGaN层；随后关闭In源，通入Al源，控制温度升至800℃~900℃，生长压力为50 torr~300torr，继续生长获得AlGaN量子垒层。InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层交替生长获得多量子阱层。
S26、在多量子阱层6上沉积电子阻挡层7。
在一种实施方式中，电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为10nm~40 nm，生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~300 torr，其中，Al组分含量为0.005~0.1，In组分含量为0.01~0.2。
S27、在电子阻挡层7上沉积P型GaN层8。
在一种实施方式中，控制反应腔温度在900℃~1050℃，压力为100torr~600torr，通入N源、Ga源和Mg源，生长P型GaN层；P型GaN层的厚度为10nm~50nm，Mg的掺杂浓度为1×1019atoms/cm3~1×1021atoms/cm3。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升，且其他项电学性能良好。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
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所述衬底上的缓冲层、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的钪掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、碳掺杂GaN/InGaN超晶格层。
实施例2
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所述衬底上的缓冲层、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的钨掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、氧掺杂GaN/InGaN超晶格层。
实施例3
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所述衬底上的缓冲层、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的钼掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、氧和碳掺杂GaN/InGaN超晶格层。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于：不设有应力调控层。其余皆与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1不同之处在于：所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的Mg掺杂六方BN层和碳掺杂GaN/InGaN超晶格层，不设有钪掺杂GaN层。其余皆与实施例1相同。
对比例3
本对比例与实施例1不同之处在于：所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的钪掺杂GaN层和碳掺杂GaN/InGaN超晶格层，不设有Mg掺杂六方BN层。其余皆与实施例1相同。
对比例4
本对比例与实施例1不同之处在于：所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的钪掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层，不设有碳掺杂GaN/InGaN超晶格层。其余皆与实施例1相同。
以实施例1~实施例3和对比例1~对比例4制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成10×24mil的芯片，分别抽取300颗LED芯片，在120mA/60mA电流下测试芯片的光电性能，以对比例1为基础，计算各实施例和对比例的工作电压降低值和光效提升率，具体测试结果如表1所示。
表1实施例1~实施例3和对比例1~对比例4制得LED的性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的发光二极管外延片，其在缓冲层和非掺杂GaN层之间***了具有特定结构的应力调控层，所述应力调控层包括A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。所述应力调控层中所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层向Mg掺杂六方BN层之间施加压应力，所述Mg掺杂六方BN层向A掺杂GaN层施加压应力，从而最后应力调控层缓解GaN外延层与衬底产生的张应力。最终既能够降低电子泄漏，又能够提高空穴的注入效率，增加了电子和空穴在有源区的复合浓度，有效提升了发光二极管的光效，同时也降低了工作电压。
以上所述是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、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。
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A掺杂GaN层的A掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；
所述A掺杂GaN层的厚度为100nm~150nm。
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Mg掺杂六方BN层的厚度为100nm~500nm；
所述Mg掺杂六方BN层的Mg掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~2×1017atoms/cm3。
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D掺杂GaN/InGaN超晶格层包括交替层叠的D掺杂GaN层和InGaN层。
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D掺杂GaN/InGaN超晶格层的周期数为6~9。
6.如权利要求4或5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述D掺杂GaN层的厚度为0.5nm~5nm；
所述InGaN层的厚度为0.5nm~5nm；
所述D掺杂GaN层的D掺杂浓度为1×1017atoms/cm3~2×1018atoms/cm3。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、应力调控层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
所述应力调控层包括依次层叠在所述缓冲层上的A掺杂GaN层、Mg掺杂六方BN层、D掺杂GaN/InGaN超晶格层，其中A包括铬、钼、钨和钪中的一种或多种组合，D包括碳和/或氧。
8.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述A掺杂GaN层的生长温度为900℃~1100℃；
所述Mg掺杂六方BN层的生长温度为900℃~1100℃；
所述D掺杂GaN/InGaN超晶格层的生长温度为800℃~1000℃。
9.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述应力调控层的生长压力为50torr~300torr。
10.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1~6任一项所述的发光二极管外延片。
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