CN218069879U - 一种发光二极管外延片及发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种发光二极管外延片及发光二极管，外延片包括：多量子阱层；生长于多量子阱层之上的***层，***层包括依次生长在多量子阱层上的第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为InAlGaN层，第二子层为AlN层和MgN层交替层叠组成的周期性复合结构层，第三子层为P型InGaN层和AlGaN层交替层叠组成的周期性复合层；以及外延生长于***层的第三子层之上的电子阻挡层。本实用新型通过在多量子阱层和电子阻挡层之间增加***层，有效的增加了量子阱与电子阻挡层的晶格和能阶匹配，增加了空穴的注入和扩展，同时有部分电子阻挡层的作用，增加了载流子的复合效率，提升了发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及发光二极管。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件，由于其体积小、亮度高、能耗低等特点，被广泛应用于各个领域。其中，GaN基LED是LED当中一种常见的类型，已经大量应用于固态照明领域以及显示领域，吸引着越来越多的人关注。
目前GaN材料生长面临的困难之一是空穴浓度和空穴迁移率的提升。如在多量子阱层生长结束后，直接生长电子阻挡层，由于能带的剧烈变化，导致在量子阱与电子阻挡层中间存在一个势垒尖峰，成为空穴消耗区，阻碍空穴的有效注入；并且多量子阱层和P型层，会产生比较大的晶格失配，会产生较多缺陷，不利于空穴的注入，也会影响表面平整度。这大大影响了空穴的迁移和注入效率，导致发光效率下降
实用新型内容
基于此，本实用新型的目的是提供一种发光二极管外延片及发光二极管，旨在解决背景技术当中的至少一个技术问题。
根据本实用新型实施例当中的一种发光二极管外延片，包括：
多量子阱层；
生长于所述多量子阱层之上的***层，所述***层包括依次生长在所述多量子阱层上的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为InAlGaN层，所述第二子层为AlN层和MgN层交替层叠组成的周期性复合结构层，所述第三子层为P型InGaN层和AlGaN层交替层叠组成的周期性复合层；以及
外延生长于所述***层的第三子层之上的电子阻挡层。
优选地，所述第二子层的周期性复合结构层的周期数为2-6。
优选地，所述第三子层的周期性复合结构层的周期数为2-6。
优选地，还包括衬底、以及外延生长于所述衬底之上的低温缓冲层、不掺杂的GaN层和N型GaN层，所述多量子阱层生长于所述N型GaN层之上。
优选地，还包括p型掺杂GaN层，所述p型掺杂GaN层生长于所述电子阻挡层之上。
优选地，所述低温缓冲层的厚度为10-50nm，所述不掺杂的GaN层的厚度为1-3μm。
优选地，所述多量子阱层为量子阱层和量子垒层交替层叠组成的周期性复合结构层，所述多量子阱层的周期性复合结构层的周期数为5-11。
优选地，所述量子阱层的厚度为2-4nm，所述量子垒层的厚度为5-15nm。
优选地，所述InAlGaN层的厚度为1-3nm；
所述第二子层的总厚度为20-50nm，所述AlN层的厚度为3-8nm，所述MgN层的厚度为3-8nm；
所述第三子层的总厚度为10-30nm，所述P型InGaN层的厚度为1-3nm，所述AlGaN层的厚度为1-3nm。
优选地，所述电子阻挡层为GaN和AlGaN的超晶格结构，所述电子阻挡层的厚度为30-100nm。
优选地，所述P型掺杂GaN层的厚度为50-300nm。
本实用新型实施例另一方面还提出一种发光二极管，包括外延结构及设置于所述外延结构上的电极，外延结构为上述的发光二极管外延片。
与现有技术相比：通过在多量子阱层和电子阻挡层之间增加***层，***层由三子层复合而成，第一子层为InAlGaN层，在多量子阱层生长完后，先生长InAlGaN层，主要是为了增加和量子阱层的晶格匹配，而之所以使用InAlGaN四元结构，是由于In原子较大，所以单纯的InGaN外延层晶格质量相对较差，Al元素的加入，由于AlN原子的晶格常数小于GaN的晶格常数，因此Al原子和N原子之间共价键的强度远大于Ga原子和N原子之间共价键的强度，可以有效抵抗和阻挡对GaN晶体结构的破坏作用，维持GaN晶格的完整性,会使晶格更稳定，并且Al原子的加入，会使这一层能阶升高，有利于能阶的平缓过渡；
第二子层为AlN和MgN组成的周期性复合结构层，AlN和MgN组层的超晶格层首先可以作为缺陷阻挡层，让量子阱层生长结束后造成的位错在这一层发生扭曲和湮灭；这一层超晶格层还可以形成二维电子气，增加载流子的迁移率，在靠近量子阱的区域更有利于空穴的注入,也有利于空穴的扩展；这一层能阶较高，还可以辅助电子阻挡层起到电子阻挡的作用；这一层相对温度最高，主要由于高温会提升其晶格质量，缺陷阻挡作用更强；
第三子层为P型InGaN与AlGaN层组成的周期性结构，首先P型InGaN层和AlGaN层作为何P型层的衔接层，与电子阻挡层生长材料相似，但是能阶先对较低，增加了和电子阻挡层的晶格和能阶的匹配；而且P型掺杂可以起到空穴的扩展作用，也提供了少量空穴，增加空穴的浓度和空穴扩展，In是Mg的活化剂，有利于Mg-H键的打开。且P型InGaN层晶格质量相对较差，搭配结构稳固的AlGaN的循环结构可以得到较高晶格质量的外延层；
总之，本实用新型通过在多量子阱层和电子阻挡层之间增加***层，有效的增加了量子阱与电子阻挡层的晶格和能阶匹配，增加了空穴的注入和扩展，同时有部分电子阻挡层的作用，增加了载流子的复合效率，提升了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本实用新型实施例一当中的发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本实用新型实施例一当中的***层的结构示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型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实用新型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实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型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，不是旨在于限制本实用新型。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。
实施例一
本实用新型一方面提出一种发光二极管外延片，请参阅图1，所示为本实用新型实施例一中的发光二极管外延片，包括衬底1、以及依次外延生长在衬底1之上的低温缓冲层2、不掺杂的GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、***层6、电子阻挡层7及p型掺杂GaN层8，通过在多量子阱层5和电子阻挡层7之间增设***层6来解决多量子阱与电子阻挡层之间晶格和能阶不匹配的问题，从而最终提升发光二极管的发光效率。
具体地，请参阅图2，***层6包括依次生长在多量子阱层5上的第一子层61、第二子层62和第三子层63，电子阻挡层7外延生长于***层的第三子层63之上。在本实施例当中，第一子层61为InAlGaN层，第二子层62为AlN层和MgN层交替层叠组成的周期性复合结构层，第三子层63为P型InGaN层和AlGaN层交替层叠组成的周期性复合层。本实施例当中的如上结构的***层的作用机理如下：
首先，在多量子阱层生长完后，先生长InAlGaN层，主要是为了增加和量子阱层的晶格匹配，而之所以使用InAlGaN四元结构，是由于In原子较大，所以单纯的InGaN外延层晶格质量相对较差，Al元素的加入，由于AlN原子的晶格常数小于GaN的晶格常数，因此Al原子和N原子之间共价键的强度远大于Ga原子和N原子之间共价键的强度，可以有效抵抗和阻挡对GaN晶体结构的破坏作用，维持GaN晶格的完整性,会使晶格更稳定，并且Al原子的加入，会使这一层能阶升高，有利于能阶的平缓过渡；
然后，再在InAlGaN层上交替生长AlN层和MgN层，AlN和MgN组成的超晶格层首先可以作为缺陷阻挡层，让量子阱层生长结束后造成的位错在这一层发生扭曲和湮灭；这一层超晶格层还可以形成二维电子气，增加载流子的迁移率，在靠近量子阱的区域更有利于空穴的注入,也有利于空穴的扩展；这一层能阶较高，还可以辅助电子阻挡层起到电子阻挡的作用；这一层相对温度最高，主要由于高温会提升其晶格质量，缺陷阻挡作用更强；
最后，再在AlN和MgN组成的超晶格层上交替生长P型InGaN层与AlGaN层，首先P型InGaN层和AlGaN层作为P型层的衔接层，与电子阻挡层生长材料相似，但是能阶先对较低，增加了和电子阻挡层的晶格和能阶的匹配；而且P型掺杂可以起到空穴的扩展作用，也提供了少量空穴，增加空穴的浓度和空穴扩展，In是Mg的活化剂，有利于Mg-H键的打开。且P型InGaN层晶格质量相对较差，搭配结构稳固的AlGaN的循环结构可以得到较高晶格质量的外延层。
在本实施例一些较佳实施情况当中，第一子层61的生长压力为200-300Torr，第二子层62的生长压力为300-600Torr，第三子层63的生长压力为50-150Torr，第一子层61的生长温度为850～900℃，第二子层62的生长温度为950-1000℃，第三子层63的生长温度为900-950℃，也即第二子层62优选为高温高压生长，高压有利于Al和Mg元素的并入，高温会提升其晶格质量，缺陷阻挡作用更强。第三子层63优选为低压生长，低压生长P型InGaN层能够使其生长晶格质量更好。
另外，在较佳实施例当中，第二子层62的周期性复合结构层的周期数优选为2-6，即AlN层和MgN层交替层叠重复2-6次，同时第三子层63的周期性复合结构层的周期数为2-6，即P型InGaN层和AlGaN层交替层叠重复2-6次。多量子阱层5为量子阱层和量子垒层交替层叠组成的周期性复合结构层，多量子阱层5的周期性复合结构层的周期数为5-11，即量子阱层和量子垒层交替层叠重复5-11次，电子阻挡层7为GaN和AlGaN的超晶格结构，也即电子阻挡层也为GaN层和AlGaN层交替层叠组成的周期性复合结构层，低温缓冲层2的厚度为10-50nm，不掺杂的GaN层3的厚度为1-3μm。量子阱层的厚度为2-4nm，量子垒层的厚度为5-15nm。电子阻挡层的厚度为30-100nm。P型掺杂GaN层的厚度为50-300nm。InAlGaN层的厚度优选为1-3nm，若厚度太厚，则可能导致晶格质量变差，若厚度太薄，则起不到增加与多量子阱层晶格匹配的目的。第二子层的总厚度优选为20-50nm，其中单个AlN层的厚度优选为3-8nm，单个MgN层的厚度优选为3-8nm，在此厚范围内，可以得到很好的晶格质量，并增加空穴扩展能力。第三子层的总厚度优选为10-30nm，其中单个P型InGaN层的厚度优选为1-3nm，单个AlGaN层的厚度优选为1-3nm，此层的厚度较薄，主要是厚度太厚不利于出光，影响发光效率。
实施例二
本实用新型另一方面提出一种发光二极管外延片的制作方法，可用于制备上述实施例一中的发光二极管外延片，本方法采用高纯H2或高纯N2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，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，制作方法具体包括：
步骤201：提供一种衬底，可以为蓝宝石衬底或者Si衬底。将衬底放入反应腔，在温度为约1100℃，压力约300Torr在H2气氛中对衬底表面进行热处理，处理时间约为5-8min，主要用于释放衬底内应力。
步骤202：在热处理过的衬底上生长低温缓冲层。
在本实施例中，低温缓冲层为AlGaN材料，示例性地，低温缓冲层的反应室温度约为550℃，反应室压力为200～400Torr。
步骤203：在低温缓冲层上生长不掺杂的GaN层。
示例性地，不掺杂的GaN层的控制反应室温度为1000～1150℃，反应室压力为200～400Torr。
步骤204：在不掺杂的GaN层生长上生长N型GaN层。
示例性地，N型GaN层的控制反应室温度为1000～1150℃，压力为200～400Torr；N型GaN层为掺杂Si的GaN层，Si的掺杂浓度约为1×1018～1×1019cm-3，此条件下N型GaN层整体的质量较好。
步骤205：在N型GaN层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层为InGaN量子阱层和GaN量子垒层组成的周期性复合结构；示例性地：多量子阱层的反应室生长压力为100～500Torr；量子阱层生长温度为700-800℃，量子垒层生长生长温度为850～950℃；多量子阱层的周期数为n，5≤n≤11。若n大于11，会造成发光效率变低和材料的浪费。若n小于5，会使得载流子的利用率低，导致发光二极管的发光效率变低。
步骤206：在多量子阱层上生长***层，具体生长过程如下：
首先，在量子阱层生长结束后，控制反应室压力为200-300Torr，生长温度为850～900℃，通入生长InALGaN所需要的Mo源，生长第一子层；
其次，控制反应室的压力到300-600Torr，生长温度为950-1000℃，交替通入AlN和MgN层所需要的MO源，生长周期数为2-6，生长第二子层；
最后，控制反应室压力到50-150Torr，生长温度为900-950℃，交替通入P型InGaN与AlGaN所需要的MO源，生长周期为2-6，生长第三子层，P型掺杂为Mg。
步骤207：在***层上生长电子阻挡层，生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300Torr。
在本实施例中，电子阻挡层为GaN和AlGAN组成的周期性复合结构，Al组分约为0.2-0.3。
步骤208：在电子阻挡层上生长P型掺杂GaN层。其生长温度约为800～1000℃，生长压力为100～300torr，P型掺杂为Mg。
实施例三
本实用新型另一方面提出一种发光二极管，包括外延结构及设置于外延结构上的电极，所述外延结构为上述实施例一当中的发光二极管外延片，所述发光二极管外延片可通过上述实施例二当中的制作方法制成而成。
综上，本实用新型实施例当中的发光二极管外延片及发光二极管，通过在多量子阱层和电子阻挡层之间增加***层，有效的增加了量子阱与电子阻挡层的晶格和能阶匹配，增加了空穴的注入和扩展，同时有部分电子阻挡层的作用，增加了载流子的复合效率，提升了发光二极管的发光效率。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括：
多量子阱层；
生长于所述多量子阱层之上的***层，所述***层包括依次生长在所述多量子阱层上的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为InAlGaN层，所述第二子层为AlN层和MgN层交替层叠组成的周期性复合结构层，所述第三子层为P型InGaN层和AlGaN层交替层叠组成的周期性复合层；以及
外延生长于所述***层的第三子层之上的电子阻挡层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层的周期性复合结构层的周期数为2-6，所述第三子层的周期性复合结构层的周期数为2-6。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，还包括衬底、以及外延生长于所述衬底之上的低温缓冲层、不掺杂的GaN层和N型GaN层，所述多量子阱层生长于所述N型GaN层之上。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，还包括p型掺杂GaN层，所述p型掺杂GaN层生长于所述电子阻挡层之上。
5.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述低温缓冲层的厚度为10-50nm，所述不掺杂的GaN层的厚度为1-3μm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多量子阱层为量子阱层和量子垒层交替层叠组成的周期性复合结构层，所述多量子阱层的周期性复合结构层的周期数为5-11，所述量子阱层的厚度为2-4nm，所述量子垒层的厚度为5-15nm。
7.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InAlGaN层的厚度为1-3nm；
所述第二子层的总厚度为20-50nm，所述AlN层的厚度为3-8nm，所述MgN层的厚度为3-8nm；
所述第三子层的总厚度为10-30nm，所述P型InGaN层的厚度为1-3nm，所述AlGaN层的厚度为1-3nm。
8.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层为GaN和AlGaN的超晶格结构，所述电子阻挡层的厚度为30-100nm。
9.根据权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述P型掺杂GaN层的厚度为50-300nm。
10.一种发光二极管，包括外延结构及设置于所述外延结构上的电极，其特征在于，所述外延结构为权利要求1-9任一项所述的发光二极管外延片。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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