CN117810328A - 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，涉及半导体光电器件领域。发光二极管外延片包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述复合缓冲层包括依次层叠的Y2O3层、Sc2O3层和ScN层。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，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
GaN基半导体材料的蓝绿光LED已被广泛应用如白光照明、全彩显示、交通指示灯等；GaN基LD则是目前DVD高清播放器的关键组件，并将使诸如光学计算机、激光电视显示屏等的开发成为可能；GaN基深紫外和光电探测器的性能不断提升，在不远的将来会在生化武器的探测、前期导弹预警、空气或水的净化、高质量的白光照明等领域广泛应用。
在Si衬底上生长GaN的异质外延比在6H-SiC或蓝宝石衬底上要难很多，主要由于GaN主要的晶体体结构是(2H)六方纤锌矿结构，而硅是金刚石立方结构，而且硅衬底很容易被氨气裂解出的氮原子钝化形成无定形的SiNx层，使得GaN几乎无法在硅衬底上成核。同时硅衬底可以很快与Ga原子反应形成Si-Ga合金会在外延层表面形成大的花型缺陷。
在Si衬底上生长GaN的异质外延通常采用AlN缓冲层技术。第一，AlN层与硅衬底大的晶格失配仍会产生大量的位错，同时GaN外延层还会受到大的张应力；第二，Si衬底在外延生长过程中会与活性N反应生成SiNx界面层，严重降低了GaN基LED的外延材料质量，影响发光效率。
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及其制备方法，其可提升发光二极管的发光效率。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高。
为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述复合缓冲层包括依次层叠的Y2O3层、Sc2O3层和ScN层。
作为上述技术方案的改进，所述Y2O3层的厚度＜20nm。
作为上述技术方案的改进，所述Y2O3层的厚度为1nm～10nm，所述Sc2O3层的厚度为10nm～100nm，所述ScN层的厚度为10nm～100nm。
作为上述技术方案的改进，所述复合缓冲层还包括二维GaN层，所述二维GaN层设于所述ScN层和所述本征GaN层之间，所述二维GaN层的厚度为10nm～100nm。
作为上述技术方案的改进，所述Sc2O3层的厚度＜所述ScN层的厚度＜所述二维GaN层的厚度。
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，其包括：
提供硅衬底，在所述硅衬底上依次生长复合缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述复合缓冲层包括依次层叠的Y2O3层、Sc2O3层和ScN层。
作为上述技术方案的改进，所述Y2O3层通过分子束外延生长，衬底温度为600℃～700℃，腔体压力为10-7mbar～10-5mbar；
所述Sc2O3层通过分子束外延生长，衬底温度为450℃～550℃，腔体压力为10- 7mbar～10-5mbar；
所述ScN层通过等离子体分子束外延生长，衬底温度为300℃～800℃，腔体压力为10-8mbar～10-7mbar，等离子体发生器的功率为250W～350W。
作为上述技术方案的改进，所述复合缓冲层还包括二维GaN层，所述二维GaN层设于所述ScN层和所述本征GaN层之间。
作为上述技术方案的改进，所述二维GaN层通过分子束外延生长，衬底温度为600℃～800℃，腔体压力为10-6mbar～10-4mbar。
相应的，本发明还公开了一种发光二极管，其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：
1.本发明的发光二极管外延片中，复合缓冲层包括依次层叠的Y2O3层、Sc2O3层和ScN层。首先，复合缓冲层中引入Y2O3层，其与Si衬底有较大的能带带偏，并且具有良好的热稳定性，可阻止硅衬底的“Ga回熔”现象，提高表面平整度，提高LED发光效率；其次，在Y2O3层上依次生长Sc2O3层和ScN层，Y2O3层、Sc2O3层和ScN层的晶格常数逐渐减小，可逐渐减少复合缓冲层与GaN材料的晶格失配，提高晶格质量，提高LED发光效率。
2.本发明的发光二极管外延片中，复合缓冲层还包括二维GaN层，二维GaN层设于ScN层之上，二维GaN层为本征GaN层的三维生长提供了平整的成核表面，进一步提高外延片晶体质量，提高LED发光效率。
附图说明
图1是本发明一实施例中发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明一实施例中复合缓冲层的结构示意图；
图3是本发明另一实施例中复合缓冲层的结构示意图；
图4是本发明一实施例中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，下面对本发明作进一步地详细描述。
参考图1～图2，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括硅衬底1和依次设于硅衬底1上的复合缓冲层2、本征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。
其中，复合缓冲层2包括依次层叠的Y2O3层21、Sc2O3层22和ScN层23。首先，复合缓冲层2中引入Y2O3层21，其与Si衬底有较大的能带带偏，并且具有良好的热稳定性，可阻止硅衬底1的“Ga回熔”现象，提高表面平整度，提高LED发光效率；其次，在Y2O3层21上依次生长Sc2O3层22和ScN层23，Y2O3层21、Sc2O3层22和ScN层23的晶格常数逐渐减小，可逐渐减少复合缓冲层2与GaN材料的晶格失配，提高晶格质量，提高LED发光效率。
其中，Y2O3层21的厚度＜25nm。Y2O3层21的厚度较薄，避免其与硅衬底1的因晶格失配而产生过多的缺陷。优选的，Y2O3层21的厚度＜20nm。进一步优选的，Y2O3层21的厚度为1nm～10nm，示例性的为2nm、4nm、6nm或8nm，但不限于此。
其中，Sc2O3层22的厚度为10nm～120nm，若厚度＜10nm，难以起到减小复合缓冲层2与GaN材料的晶格失配的作用；若厚度＞120nm，容易产生裂纹。优选的，Sc2O3层22的厚度为10nm～100nm，示例性的为20nm、40nm、60nm或80nm，但不限于此。
其中，ScN层23的厚度为10nm～120nm，若厚度＜10nm，难以起到减小复合缓冲层2与GaN材料的晶格失配的作用；若厚度＞120nm，容易产生裂纹。优选的，ScN层23的厚度为10nm～100nm，示例性的为20nm、40nm、60nm或80nm，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例中，参考图3，复合缓冲层2还包括二维GaN层24，二维GaN层24设于ScN层23和本征GaN层3之间。二维GaN层24为本征GaN层3的三维生长提供了平整的成核表面，进一步提高外延片晶体质量，提高LED发光效率。
其中，二维GaN层24的厚度为10nm～100nm。若其厚度＜10nm，难以提供平整的表面；若其厚度＞100nm，容易产生裂纹。示例性的，二维GaN层24的厚度为20nm、40nm、60nm或80nm，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例中，Sc2O3层22的厚度＜ScN层23的厚度＜二维GaN层24的厚度。基于这种设置，可提高复合缓冲层2与本征GaN层3之间的晶格匹配。
其中，本征GaN层3的厚度为1μm～5μm，示例性的为1.5μm、3μm、4μm、或4.5μm，但不限于此。
其中，N型GaN层4的掺杂元素为Si，但不限于此。N型GaN层4的掺杂浓度为1×1019cm-3～5×1019cm-3。N型GaN层4的厚度为2μm～3μm，示例性的为2.2μm、2.4μm、2.6μm或2.8μm，但不限于此。
其中，多量子阱层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，周期数为6～12。InGaN量子阱层中In组分的占比为0.2～0.3，单个InGaN量子阱层的厚度为2nm～5nm，AlGaN量子垒层中Al组分的占比为0.01～0.1，单个AlGaN量子垒层的厚度为5nm～15nm。
其中，电子阻挡层6为AlInGaN层，但不限于此。电子阻挡层6的厚度为10nm～40nm，Al组分的占比为0.005～0.1，In组分的占比为0.01～0.2。
其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3。P型GaN层7的厚度为10nm～50nm。
相应的，参考图4，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，其包括以下步骤：
S101：提供硅衬底；
S102：在硅衬底上生长复合缓冲层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，S102包括：
(I)在硅衬底上生长Y2O3层；
具体的，可采用磁控溅射(PVD)、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法生长Y2O3层。优选的，通过分子束外延生长，衬底温度为600℃～700℃，腔体压力为10-7mbar～10-5mbar。
(Ⅱ)在Y2O3层上生长Sc2O3层；
具体的，可采用磁控溅射(PVD)、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法生长Sc2O3层。优选的，通过分子束外延生长，衬底温度为450℃～550℃，腔体压力为10-7mbar～10-5mbar。
(Ⅲ)在Sc2O3层上生长ScN层；
具体的，可采用磁控溅射(PVD)、等离子体分子束外延(PA-MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法生长ScN层。优选的，通过等离子体分子束外延生长，衬底温度为300℃～800℃，腔体压力为10-8mbar～10-7mbar，等离子体发生器的功率为250W～350W。
(Ⅳ)在ScN层上生长二维GaN层；
具体的，可采用磁控溅射(PVD)、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法生长二维GaN层。优选的，通过分子束外延生长，衬底温度为600℃～800℃，腔体压力为10-6mbar～10-4mbar。
S103：在复合缓冲层上生长本征GaN层；
具体地，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S104：在本征GaN层上生长N型GaN层；
具体的，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入SiH4作为N型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S105：在N型GaN层上生长多量子阱层；
具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，以形成多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为790℃～810℃，生长压力为50torr～300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。其中，AlGaN量子垒层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为50torr～300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以H2和N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
S106：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，在MOCVD中生长AlInGaN层，作为电子阻挡层。其中，生长温度为900℃～1000℃，生长压力为100torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。
S107：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为900℃～1050℃，生长压力为100torr～600torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为P型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1～图2、图4，其包括硅衬底1和依次设于硅衬底1上的复合缓冲层2、本征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。
其中，复合缓冲层2包括依次层叠的Y2O3层21、Sc2O3层22和ScN层23。其中，Y2O3层21的厚度为23nm，Sc2O3层22的厚度为120nm，ScN层23的厚度为120nm。
其中，本征GaN层3的厚度为2.5μm。N型GaN层4的厚度为2.5μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
其中，多量子阱层5为周期性结构，周期数为10，每个周期为依次层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，InGaN量子阱层中In组分的占比为0.22，单个InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，AlGaN量子垒层中Al组分的占比为0.05，单个AlGaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6为AlInGaN层，电子阻挡层6的厚度为15nm，Al组分的占比为0.05，In组分的占比为0.01。P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为2×1020cm-3，P型GaN层7的厚度为15nm。
本实施例中用于发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供硅衬底；
(2)在硅衬底上生长复合缓冲层；
其中，复合缓冲层的生长包括以下步骤：
(I)在硅衬底上生长Y2O3层；
具体的，通过分子束外延生长Y2O3层，衬底温度为650℃，腔体压力为10-6mbar。
(Ⅱ)在Y2O3层上生长Sc2O3层；
具体的，通过分子束外延生长Sc2O3层，衬底温度为500℃，腔体压力为10-6mbar。
(Ⅲ)在Sc2O3层上生长ScN层；
具体的，通过等离子体分子束外延生长ScN层，衬底温度为700℃，腔体压力为10- 8mbar，等离子体发生器的功率为300W。
(3)在复合缓冲层上生长本征GaN层；
其中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1000℃，生长压力为150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1120℃，生长压力为100torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN层上生长多量子阱层；
其中，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，以形成多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为795℃，生长压力为1200torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。其中，AlGaN量子垒层的生长温度为855℃，生长压力为200torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以H2和N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，在MOCVD中生长AlInGaN层，作为电子阻挡层，生长温度为965℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。
(7)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为985℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为P型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga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，Y2O3层21的厚度为15nm，Sc2O3层22的厚度为30nm，ScN层23的厚度为30nm，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2的区别在于，Y2O3层21的厚度为5nm。其余均与实施例2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3的区别在于，参考图3，复合缓冲层2还包括二维GaN层24，厚度为30nm。相应的，在制备方法中，通过分子束外延生长二维GaN层24，衬底温度为700℃，腔体压力为10-5mbar。
其余均与实施例3相同。
实施例5
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例4的区别在于，Sc2O3层22的厚度为20nm，二维GaN层24的厚度为40nm，即Sc2O3层22的厚度＜ScN层23的厚度＜二维GaN层24的厚度。
其余均与实施例4相同。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于，复合缓冲层2为AlN层，其厚度为250nm。相应的，在制备方法中，采用磁控溅射法(PVD)生长AlN层，生长温度为550℃，功率为4000W，生长时，以Ar为溅射气体，以N2为前驱体，以Al为溅射靶材，通少量O2调节晶体质量。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，其与实施例1的区别在于，复合缓冲层2中不包括Sc2O3层22和ScN层23。相应的，在制备方法中，不包含制备上述两层的步骤。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，其与实施例1的区别在于，复合缓冲层2中不包括Sc2O3层22。相应的，在制备方法中，不包含制备该层的步骤。其余均与实施例1相同。
将实施例1～实施例5，对比例1～对比例3所得的发光二极管外延片使用相同的工艺条件制备成10mil*24mil芯片，每个实施例、对比例各制备300颗芯片，在120mA电流下测试，并以对比例1为基准，计算各实施例中光效的提升率，具体的计算结果如下表：
| 发光亮度提升(％) | |
| 实施例1 | 1.77％±0.05％ |
| 实施例2 | 2.35％±0.04％ |
| 实施例3 | 3.14％±0.02％ |
| 实施例4 | 3.87％±0.05％ |
| 实施例5 | 4.55％±0.03％ |
| 对比例1 | - |
| 对比例2 | 0.51％±0.03％ |
| 对比例3 | 0.75％±0.02％ |
由表中可以看出，当在传统的发光二极管结构(对比例1)中变更为本发明的复合缓冲层结构时，有效提升了光效。此外，通过实施例1与对比例2～对比例3的对比可以看出，当变更本发明中的复合缓冲层结构时，难以有效提升亮度。
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，包括硅衬底和依次设于所述硅衬底上的复合缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述复合缓冲层包括依次层叠的Y2O3层、Sc2O3层和ScN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Y2O3层的厚度＜20nm。
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Y2O3层的厚度为1nm～10nm，所述Sc2O3层的厚度为10nm～100nm，所述ScN层的厚度为10nm～100nm。
4.如权利要求1～3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述复合缓冲层还包括二维GaN层，所述二维GaN层设于所述ScN层和所述本征GaN层之间，所述二维GaN层的厚度为10nm～100nm。
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Sc2O3层的厚度＜所述ScN层的厚度＜所述二维GaN层的厚度。
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1～6任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，包括：
提供硅衬底，在所述硅衬底上依次生长复合缓冲层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述复合缓冲层包括依次层叠的Y2O3层、Sc2O3层和ScN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Y2O3层通过分子束外延生长，衬底温度为600℃～700℃，腔体压力为10-7mbar～10-5mbar；
所述Sc2O3层通过分子束外延生长，衬底温度为450℃～550℃，腔体压力为10-7mbar～10-5mbar；
所述ScN层通过等离子体分子束外延生长，衬底温度为300℃～800℃，腔体压力为10- 8mbar～10-7mbar，等离子体发生器的功率为250W～350W。
8.如权利要求6或7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述复合缓冲层还包括二维GaN层，所述二维GaN层设于所述ScN层和所述本征GaN层之间。
9.如权利要求8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述二维GaN层通过分子束外延生长，衬底温度为600℃～800℃，腔体压力为10-6mbar～10-4mbar。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1～5任一项所述的发光二极管外延片。
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