CN116504900A - 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，所述衬底上依次设有形核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。本发明提供的发光二极管外延片能提升发光二极管的发光强度，降低工作电压下降以及外延片表面粗糙度。
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
现阶段，传统的发光二极管外延片包括：一种衬底、以及在所述衬底上依次生长的形核层、本征GaN层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；
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。由于Mg的活化率很低，所以导致空穴浓度不够。为了实现高空穴浓度，需要高浓度的Mg掺杂。然而Mg在GaN中的溶解度却存在着限制，高浓度的Mg掺杂会导致P型GaN晶体质量下降，使Mg的活化率降低，表面平整度也会下降，工作电压升高，并且空穴的迁移率较电子的迁移率低很多。
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，其能提升发光二极管的发光强度，降低工作电压下降以及外延片表面粗糙度。
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，所述衬底上依次设有形核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；
所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。
在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向渐变减少；
所述P型InAlGaN层的In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向渐变增加。
在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由（0.1~0.4）渐变减少至0；
所述P型InAlGaN层的In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0渐变增加至（0.05~0.1）。
在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层的厚度为5nm~50nm；
所述P型InAlGaN层的P型掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~5×1017atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述BiGaN层的Bi组分为0.05~0.1；
所述BiGaN层的厚度为5nm~10nm。
在一种实施方式中，所述P型GaN层的厚度为5nm~50nm；
所述P型GaN层的P型掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~5×1017atoms/cm3。
为解决上述问题，本发明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形核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；
所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。
在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层的生长温度为900℃~1000℃；
所述BiGaN层的生长温度为400℃~500℃；
所述P型GaN层的生长温度为900℃~1000℃。
在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层的生长压力为100torr~300torr；
所述BiGaN层的生长压力为100torr~300torr；
所述P型GaN层的生长压力为100torr~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，其在电子阻挡层上设有空穴提供层，所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。其中，BiGaN层中的Bi原子作为杂质引入，其能级靠近价带顶(VBM)，Bi原子的6p能级与III-V族化合物的价带共振而使VBM升高，导致禁带宽度Eg变窄，使得BiGaN层可以作为空穴储蓄层储存空穴。在P型GaN层之前设置BiGaN层，能够对空穴进行储存，避免载流子拥堵，从而形成源源不断的空穴供应，使得空穴能很好的扩展。而空穴储存层中的空穴，在进入电子阻挡层前，需要经过P型InAlGaN层，所述P型InAlGaN层的P型掺杂可以提供空穴，而且所述P型InAlGaN层，从电子阻挡层向欧姆接触层方向，Al组分渐变减少，In组分渐变增加，这样可以使得禁带宽度平缓过渡变大，有利于空穴能顺利通过电子阻挡层进入多量子阱层，避免电子阻挡层对空穴的阻挡。
本发明通过特定的空穴提供层的结构设计，提升了空穴的扩展，为空穴进入多量子阱提供了源源不断的动力，并且增加了空穴通过电子阻挡层进入多量子阱层的几率。因此，在本发明中，不用通过提升Mg的掺杂浓度来增加空穴浓度，本发明的Mg的掺杂浓度较传统偏低，从而避免了传统结构因提升Mg的掺杂浓度而造成的工作电压高和表面平整度差的问题。
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。
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1，所述衬底1上依次设有形核层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、空穴提供层7、欧姆接触层8；
所述空穴提供层7包括依次层叠在所述电子阻挡层6上的P型InAlGaN层71、BiGaN层72和P型GaN层73。
所述空穴提供层7的具体结构如下：
在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层71的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向渐变减少；所述P型InAlGaN层71的In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向渐变增加。优选地，所述P型InAlGaN层71的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由（0.1~0.4）渐变减少至0；所述P型InAlGaN层71的In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0渐变增加至（0.05~0.1）。空穴在进入电子阻挡层前，需要经过所述P型InAlGaN层71，所述P型InAlGaN层71的P型掺杂可以提供空穴，而且所述P型InAlGaN层71，从电子阻挡层向欧姆接触层方向，Al组分渐变减少，In组分渐变增加，这样可以使得禁带宽度平缓过渡变大，有利于空穴能顺利通过电子阻挡层进入多量子阱层，避免电子阻挡层对空穴的阻挡。在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层71的厚度为5nm~50nm；所述P型InAlGaN层71的示例性厚度为10nm、20nm、30nm、40nm，但不限于此；所述P型InAlGaN层71的厚度太厚容易吸光。在一种实施方式中，所述P型InAlGaN层71的P型掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~5×1017atoms/cm3。优选地，所述P型InAlGaN层71的P型掺杂浓度为5×1016atoms/cm3~1×1017atoms/cm3。所述P型InAlGaN层71的P型掺杂可以为Mg掺杂，P型掺杂可以提供空穴。在本发明中Mg的掺杂浓度较传统偏低，本发明通过特定的空穴提供层的结构设计，提升了空穴的扩展，为空穴进入多量子阱提供了源源不断的动力，并且增加了空穴通过电子阻挡层进入多量子阱层的几率。本发明无需通过提升Mg的掺杂浓度来增加空穴浓度，从而避免了传统结构因提升Mg的掺杂浓度而造成的工作电压高和表面平整度差的问题。
在一种实施方式中，所述BiGaN层72的Bi组分为0.05~0.1；所述BiGaN层72的的示例性Bi组分含量为0.06、0.07、0.08、0.09，但不限于此；Bi组分大于0.1则会由于Bi原子太大而导致晶格质量变差，Bi组分小于0.05则起到的空穴储蓄作用较弱。在一种实施方式中，所述BiGaN层72的厚度为5nm~10nm。所述BiGaN层72的示例性厚度为6nm、7nm、8nm、9nm，但不限于此；所述BiGaN层72的厚度太厚容易导致晶格质量变差。所述BiGaN层72中的Bi原子作为杂质引入，其能级靠近价带顶(VBM)，Bi原子的6p能级与III-V族化合物的价带共振而使VBM升高，导致禁带宽度Eg变窄，使得BiGaN层72可以作为空穴储蓄层储存空穴。在P型GaN层73之前设置BiGaN层72，能够对空穴进行储存，避免载流子拥堵，从而形成源源不断的空穴供应，使得空穴能很好的扩展。
在一种实施方式中，所述P型GaN层73的厚度为5nm~50nm；所述P型GaN层73的示例性厚度为10nm、20nm、30nm、40nm，但不限于此；所述P型GaN层73的P型掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~5×1017atoms/cm3。优选地，所述P型GaN层73的P型掺杂浓度为5×1016atoms/cm3~1×1017atoms/cm3。在本发明中Mg的掺杂浓度较传统偏低，本发明通过特定的空穴提供层的结构设计，提升了空穴的扩展，为空穴进入多量子阱提供了源源不断的动力，并且增加了空穴通过电子阻挡层进入多量子阱层的几率。本发明无需通过提升Mg的掺杂浓度来增加空穴浓度，从而避免了传统结构因提升Mg的掺杂浓度而造成的工作电压高和表面平整度差的问题。
综上，BiGaN层72中的Bi原子作为杂质引入，其能级靠近价带顶(VBM)，Bi原子的6p能级与III-V族化合物的价带共振而使VBM升高，导致禁带宽度Eg变窄，使得BiGaN层72可以作为空穴储蓄层储存空穴。在P型GaN层73之前设置BiGaN层72，能够对空穴进行储存，避免载流子拥堵，从而形成源源不断的空穴供应，使得空穴能很好的扩展。而空穴储存层中的空穴，在进入电子阻挡层前，需要经过P型InAlGaN层71，所述P型InAlGaN层71的P型掺杂可以提供空穴，而且所述P型InAlGaN层71，从电子阻挡层向欧姆接触层方向，Al组分渐变减少，In组分渐变增加，这样可以使得禁带宽度平缓过渡变大，有利于空穴能顺利通过电子阻挡层进入多量子阱层，避免电子阻挡层对空穴的阻挡。
本发明通过特定的空穴提供层的结构设计，提升了空穴的扩展，为空穴进入多量子阱提供了源源不断的动力，并且增加了空穴通过电子阻挡层进入多量子阱层的几率。在本发明中Mg的掺杂浓度较传统偏低，本发明无需通过提升Mg的掺杂浓度来增加空穴浓度，从而避免了传统结构因提升Mg的掺杂浓度而造成的工作电压高和表面平整度差的问题。
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，所述衬底选用蓝宝石衬底，蓝宝石是目前最常用的GaN基LED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。优选地，首先控制反应室温度为1000℃~1200℃，控制反应室压力为200torr~600torr，在H2气氛下对衬底进行5min~8min的高温退火，对衬底表面的颗粒和氧化物进行清洁。
S2、在所述衬底1上依次沉积形核层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、空穴提供层7、欧姆接触层8；
如图3所示，步骤S2包括以下步骤：
S21、在衬底1上沉积形核层2。
在一种实施方式中，所述形核层的生长气氛为N2和H2混合气体，生长温度为500℃~700℃；所述形核层的生长压力为200torr~400torr，通入NH3提供N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，生长厚度为20nm~40nm的AlGaN作为形核层。
S22、在形核层2上沉积非掺杂GaN层3。
在一种实施方式中，采用金属有机物气相沉积法沉积非掺杂GaN层，生长温度为1100℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr，N2和H2混合气体作为载气，通入NH3提供N源，通入TMGa作为Ga源，生长厚度为300nm~500nm的非掺杂GaN层。
S23、在非掺杂GaN层3上沉积N型GaN层4。
在一种实施方式中，生长温度为1100℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr，N2和H2混合气体作为载气，通入NH3提供N源，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂，生长厚度为1μm~3μm的N型GaN层。
S24、在N型GaN层4上沉积多量子阱层5。
在一种实施方式中，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数3~15个。其中，InGaN量子阱层生长温度为700℃~800℃，厚度为2nm~5nm，生长压力为100torr~500torr；GaN量子垒层的生长温度为800℃~900℃，厚度为5nm~15nm，生长压力为100torr~500torr。
S25、在多量子阱层5上沉积电子阻挡层6。
在一种实施方式中，电子阻挡层为所述电子阻挡层为AlaGa1-aN和InbGa1-bN交替生长的周期性结构；其中a的取值范围为0.05~0.2，b的取值范围为0.1~0.5，电子阻挡层的厚度为20nm~100nm。
S26、在电子阻挡层6上沉积空穴提供层7。
所述空穴提供层分为三个子层，在一种实施方式中，其生长过程如下：
首先，生长P型InAlGaN层，控制生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~300torr，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，使用TEGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，通入TMIn作为In源，通入CP2Mg作为P型掺杂，生长得到P型InAlGaN层。优选地，控制TMIn和TMAl渐变掺杂，最终得到的P型InAlGaN层，从电子阻挡层向欧姆接触层方向，Al组分渐变减少，In组分渐变增加。
然后，生长BiGaN层，控制生长温度为400℃~500℃，生长压力为100torr~300torr，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，使用TEGa作为Ga源，通入TMBi作为Bi源，生长得到BiGaN层。
最后，生长P型GaN层，控制生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~300torr，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，使用TEGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂，生长得到P型GaN层。
S27、在空穴提供层7上沉积欧姆接触层8。
在一种实施方式中，欧姆接触层为P型InGaN层，控制长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~500torr，通入NH3作为N源，N2和H2做载气，使用TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，通入CP2Mg作为P型掺杂，生长得到P型InGaN层。
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，所述衬底上依次设有形核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；
所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。
所述P型InAlGaN层的的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0.3渐变减少至0；In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0渐变增加至0.08。厚度为10nm，P型掺杂浓度为5×1016atoms/cm3。
所述BiGaN层的Bi组分为0.08，厚度为5nm。
所述P型GaN层的厚度为10nm，P型掺杂浓度为1×1017atoms/cm3。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述P型InAlGaN层的的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0.4渐变减少至0；In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0渐变增加至0.1。其余皆与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述P型InAlGaN层的的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0.1渐变减少至0；In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0渐变增加至0.05。其余皆与实施例1相同。
对比例1
本对比例与实施例1不同之处在于，其空穴提供层不设有P型InAlGaN层和BiGaN层，仅设有P型GaN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，空穴提供层内不设有P型InAlGaN层，仅设有BiGaN层和P型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，空穴提供层内不设有BiGaN层，仅设有P型InAlGaN层和P型GaN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3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120 mA电流下测试所得芯片的发光强度和工作电压；并且对外延片表面粗糙度进行测试。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3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，其在电子阻挡层上设有空穴提供层，所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。其中，BiGaN层中的Bi原子作为杂质引入，其能级靠近价带顶(VBM)，Bi原子的6p能级与III-V族化合物的价带共振而使VBM升高，导致禁带宽度Eg变窄，使得BiGaN层可以作为空穴储蓄层储存空穴。在P型GaN层之前设置BiGaN层，能够对空穴进行储存，避免载流子拥堵，从而形成源源不断的空穴供应，使得空穴能很好的扩展。而空穴储存层中的空穴，在进入电子阻挡层前，需要经过P型InAlGaN层，所述P型InAlGaN层的P型掺杂可以提供空穴，而且所述P型InAlGaN层，从电子阻挡层向欧姆接触层方向，Al组分渐变减少，In组分渐变增加，这样可以使得禁带宽度平缓过渡变大，有利于空穴能顺利通过电子阻挡层进入多量子阱层，避免电子阻挡层对空穴的阻挡。
本发明通过特定的空穴提供层的结构设计，提升了空穴的扩展，为空穴进入多量子阱提供了源源不断的动力，并且增加了空穴通过电子阻挡层进入多量子阱层的几率。因此，在本发明中，不用通过提升Mg的掺杂浓度来增加空穴浓度，本发明的Mg的掺杂浓度较传统偏低，从而避免了传统结构因提升Mg的掺杂浓度而造成的工作电压高和表面平整度差的问题。
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，所述衬底上依次设有形核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；
所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN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P型InAlGaN层的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向渐变减少；
所述P型InAlGaN层的In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向渐变增加。
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P型InAlGaN层的Al组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由（0.1~0.4）渐变减少至0；
所述P型InAlGaN层的In组分沿所述电子阻挡层向所述欧姆接触层方向，由0渐变增加至（0.05~0.1）。
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P型InAlGaN层的厚度为5nm~50nm；
所述P型InAlGaN层的P型掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~5×1017atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述BiGaN层的Bi组分为0.05~0.1；
所述BiGaN层的厚度为5nm~10nm。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述P型GaN层的厚度为5nm~50nm；
所述P型GaN层的P型掺杂浓度为1×1016atoms/cm3~5×1017atoms/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形核层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、空穴提供层、欧姆接触层；
所述空穴提供层包括依次层叠在所述电子阻挡层上的P型InAlGaN层、BiGaN层和P型GaN层。
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P型InAlGaN层的生长温度为900℃~1000℃；
所述BiGaN层的生长温度为400℃~500℃；
所述P型GaN层的生长温度为900℃~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P型InAlGaN层的生长压力为100torr~300torr；
所述BiGaN层的生长压力为100torr~300torr；
所述P型GaN层的生长压力为100torr~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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| Publication Number | Publication Date |
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Citations (4)
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| US3414441A (en) * | 1966-04-26 | 1968-12-03 | Bell Telephone Labor Inc | Electroluminescent junction device including a bismuth doped group iii(a)-v(a) composition |
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2023
- 2023-06-26 CN CN202310754306.5A patent/CN116504900A/zh active Pending
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