CN116741905A - 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。其中，发光二极管外延片包括衬底，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Mg掺InN形核层、复合包覆层和AlScN填平层；所述复合包覆层包括依次层叠于所述Mg掺InN形核层上的AlInN层、AlGaN层和AlN层；所述Mg掺InN形核层包括多个分布在所述多量子阱层上的形核点，所述复合包覆层包覆所述形核点。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率和抗静电能力。
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
目前，GaN基发光二极管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。GaN基发光二极管已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用。现阶段，传统的发光二极管外延片包括：衬底、以及在衬底上依次生长的缓冲层、非掺杂GaN层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层。在传统的多量子阱和电子阻挡层间，由于晶格和能阶不匹配，会形成一个能带尖峰，影响空穴注入，也由于晶格不匹配，影响抗静电能力。电子阻挡层和P型半导体层存在晶格不匹配，造成晶格质量变差，影响抗静电能力，并且缺陷会捕获空穴，影响空穴浓度。
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、抗静电能力。
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，抗静电能力强。
为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Mg掺InN形核层、复合包覆层和AlScN填平层；所述复合包覆层包括依次层叠于所述Mg掺InN形核层上的AlInN层、AlGaN层和AlN层；
所述Mg掺InN形核层包括多个分布在所述多量子阱层上的形核点，所述复合包覆层包覆所述形核点。
作为上述技术方案的改进，所述Mg掺InN形核层的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为5×1018cm-3~5×1020cm-3；
所述形核点的高度为0.5nm~5nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlInN层的厚度为1nm~10nm，Al组分占比为0.1~0.4；
所述AlGaN层的厚度为1nm~10nm，Al组分占比为0.3~0.5；
所述AlN层的厚度为1nm~10nm。
作为上述技术方案的改进，所述AlScN填平层的厚度为5nm~50nm，Al组分占比为0.8~0.9。
作为上述技术方案的改进，所述AlInN层中Al组分占比小于所述AlGaN层中Al组分占比。
作为上述技术方案的改进，所述AlGaN层中掺杂有Mg元素，掺杂浓度为5×1019cm-3~7×1020cm-3。
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：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Mg掺InN形核层、复合包覆层和AlScN填平层；所述复合包覆层包括依次层叠于所述Mg掺InN形核层上的AlInN层、AlGaN层和AlN层；
所述Mg掺InN形核层包括多个分布在所述多量子阱层上的形核点，所述复合包覆层包覆所述形核点。
作为上述技术方案的改进，所述Mg掺InN形核层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~300torr；
所述复合包覆层的生长温度为900℃~950℃，生长压力为300torr~500torr。
作为上述技术方案的改进，所述AlScN填平层的生长温度为970℃~1000℃，生长压力为50torr~100torr。
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，电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Mg掺InN形核层、复合包覆层和AlScN填平层；复合包覆层包括依次层叠于所述Mg掺InN形核层上的AlInN层、AlGaN层和AlN层。其中，Mg掺InN形核层中Mg原子和In原子本身迁移率很高，可以形成分布较均匀的形核点，为后续复合包覆层的三维生长提供基础。此外，Mg掺InN形核层的晶格常数大，增加了与多量子阱层的晶格匹配，减少了多量子阱层的压电极化，增加多量子阱层中电子空穴波函数的重叠，并且减少传统多量子阱层和电子阻挡层间形成的能带尖峰，增加空穴的注入，从而提升发光效率、抗静电能力。其中，复合包覆层的AlInN层+AlGaN层+AlN层的结构呈现晶格常数逐渐变小的趋势，使得各层之间具有很好的晶格匹配，形成的三维复合包覆层的晶格质量好；并且这种结构的势垒高度逐渐增加，这样避免了势垒突变造成的能带尖峰，而导致的空穴被捕捉而造成消耗；此外，通过Mg掺InN形核层的引导，复合包覆层呈三维结构，其可在三个维度释放应力，对比二维平面结构，其对多量子阱层造成的压应力更小，也有利于减少压电极化，提高发光效率。其中，AlScN填平层的禁带宽度宽，本身具有更强的电子阻挡作用，提升了抗静电能力。
2、本发明的发光二极管外延片中，控制AlInN层中Al组分占比小于AlGaN层中Al组分占比。基于该控制，可使得复合包覆层中Al组分呈逐渐增加的趋势，有利于三维结构的生长，并形成复合包覆，提升发光二极管外延片的发光效率和抗静电能力。
3、本发明的发光二极管外延片中，AlGaN层采用Mg掺杂，其提供了空穴，且空穴通过复合包覆层的三维结构进入多量子阱层，表面积更大，既增加了空穴的浓度，又增加了空穴的扩展，有效提升了发光二极管外延片的发光效率和抗静电能力。
4、本发明的发光二极管外延片中，控制AlScN填平层中Al组分占比为0.8~0.9，基于该组分的AlScN填平层与P型GaN层的晶格匹配程度很高，从而避免晶格不匹配产生的非辐射复合中心消耗空穴，提升了发光二极管外延片的发光效率和抗静电能力。
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电子阻挡层的结构示意图；
图3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和图2，本发明公开了一种发光二极管外延片，其包括衬底1、依次层叠于衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7；其中，电子阻挡层6包括依次层叠于多量子阱层5上的Mg掺InN形核层61、复合包覆层62和AlScN填平层63；复合包覆层62包括依次层叠于Mg掺InN形核层61上的AlInN层621、AlGaN层622和AlN层623。基于上述结构，可减少电子阻挡层6与P型GaN层7之间的晶格失配，提升晶体质量，增加抗静电能力，减少空穴消耗，提升进入多量子阱层的空穴浓度，增加了空穴的扩展能力，提升了发光二极管的发光效率。
其中，Mg掺InN形核层61包括多个分布在多量子阱层5上的形核点，该形核点的高度为0.5nm~7nm，若高度＞7nm，则形核点有合并趋势，难以有效引导后续复合包覆层62的三维生长；若其高度＜0.5nm，对于后续复合包覆层62的引导作用也较差。示例性的，形核点的高度为0.8nm、1.4nm、2nm、2.6nm、3.4nm、4.5nm、5nm或6.8nm，但不限于此。优选的为0.5nm~5nm。
Mg掺InN形核层61中Mg的掺杂浓度为1×1018cm-3~5×1020cm-3，当其掺杂浓度过低时，难以形成形核点结构；当其掺杂浓度过高时，形核点分布均匀性差，难以有效提升发光效率和抗静电能力。示例性的，Mg掺InN形核层61中Mg的掺杂浓度为2×1018cm-3、6×1018cm-3、1×1019cm-3、5×1019cm-3、9×1019cm-3或3×1020cm-3，但不限于此。优选的为5×1018cm-3~5×1020cm-3。
其中，AlInN层621的厚度为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、6nm或8nm，但不限于此。AlInN层621中Al组分占比为0.1~0.45，示例性的为0.15、0.2、0.25、0.3或0.35，但不限于此。优选的为0.1~0.4。
其中，AlGaN层622的厚度为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、6nm或8nm，但不限于此。AlGaN层622中Al组分占比为0.3~0.6，示例性的为0.35、0.4、0.45或0.5，但不限于此。优选的为0.3~0.5。
优选的，在本发明的一个实施例之中，AlGaN层622中掺杂有Mg元素，掺杂浓度为5×1019cm-3~7×1020cm-3。基于该结构，可进一步提升发光二极管外延片的发光效率。示例性的，AlGaN层622中Mg的掺杂浓度为7×1019cm-3、9×1019cm-3、1×1020cm-3、3×1020cm-3、或6×1020cm-3，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，AlInN层621中Al组分占比小于AlGaN层中Al组分占比。基于该组分控制，可进一步提升发光二极管外延片的发光效率、抗静电能力。
其中，AlN层623的厚度为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、6nm或8nm，但不限于此。
其中，AlScN填平层63厚度为5nm~60nm，示例性的为8nm、12nm、23nm、35nm、40nm、52nm或58nm，但不限于此。优选的为5nm~50nm。
AlScN填平层63中Al组分占比为0.75~0.95，若其Al组分占比＜0.75，电子阻挡层6整体与P型GaN层7的晶格失配加剧，降低发光二极管外延片的发光效率。当其Al组分占比＞0.95时，难以有效提升抗静电能力。示例性的，AlScN填平层63中Al组分占比为0.78、0.82、0.86、0.9或0.94，但不限于此。优选的为0.8~0.9，基于该组分范围，在保持较高抗静电能力的同时还能有效提升发光效率。
其中，衬底1为蓝宝石衬底、硅衬底、Ga2O3衬底、SiC衬底或ZnO衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
其中，缓冲层2为AlN层或AlGaN层，但不限于此。优选的AlN层。缓冲层2的厚度为20nm~100nm，示例性的为35nm、40nm、50nm、60nm、70nm或80nm。
其中，非掺杂GaN层3的厚度为1μm~3μm，示例性的为1.1μm、1.4μm、1.7μm、2.2μm或2.6μm，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5×1018cm-3~5×1019cm-3，厚度为1μm~3μm，示例性的为1.5μm、1.7μm、2.3μm或2.5μm，但不限于此。
其中，多量子阱层5为周期性结构，周期数为3~15，每个周期均包括依次层叠的InGaN阱层和GaN垒层。其中，单个InGaN阱层的厚度为2nm~5nm，单个GaN垒层的厚度为6nm~15nm。
其中，P型GaN层7中的掺杂元素为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30nm~100nm，示例性的为40nm、45nm、60nm、70nm或80nm，但不限于此。
相应的，参考图3，本发明还提供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，其具体包括以下步骤：
S1：提供衬底；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD中，在1000℃~1100℃、200torr~600torr、氢气气氛下退火5min~8min，以去除衬底表面的颗粒、氧化物等杂质。
S2：在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；
具体的，步骤S2包括：
S21：在衬底上生长缓冲层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过PVD生长AlN层，作为缓冲层。在本发明的另一个实施例之中，通过MOCVD生长AlGaN层，其生长温度为500℃~700℃，生长压力100torr~300torr。
S22：在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长非掺杂GaN层，其生长温度为1050℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr。
S23：在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长N型GaN层，其生长温度为1100℃~1150℃，生长压力为100torr~500torr。
S24：在N型GaN层上生长多量子阱层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，直至得到多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为750℃~800℃，生长压力为100torr~500torr。GaN垒层的生长温度为850℃~900℃，生长压力为100torr~500torr。
S25：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，步骤S25包括：
S251：在多量子阱层上生长Mg掺InN形核层；
其中，可通过MOCVD或MBE生长Mg掺InN形核层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Mg掺InN形核层，其生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~300torr。
S252：在Mg掺InN形核层上生长AlInN层；
其中，可通过PVD、MOCVD或MBE生长AlInN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlInN层，其生长温度为900℃~950℃，生长压力为300torr~500torr。
S253：在AlInN层上生长AlGaN层；
其中，可通过PVD、MOCVD或MBE生长AlGaN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlGaN层，其生长温度为900℃~950℃，生长压力为300torr~500torr。
S254：在AlGaN层上生长AlN层，得到复合包裹层；
其中，可通过PVD、MOCVD或MBE生长AlN层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlN层，其生长温度为900℃~950℃，生长压力为300torr~500torr。
S255：在复合包裹层上生长AlScN填平层，得到电子阻挡层；
其中，可通过PVD、MOCVD或MBE生长AlScN填平层，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlScN填平层，其生长温度为970℃~1000℃，生长压力为50torr~100torr。
S26：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长P型GaN层，其生长温度为900℃~1000℃，生长压力为100torr~300torr。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
参考图1和图2，本实施例提供一种发光二极管外延片，其包括衬底1，依次层叠于衬底1上的缓冲层2、非掺杂型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，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2为AlN层，其厚度为30nm。非掺杂GaN层3的厚度为1.8μm。N型GaN层4的掺杂元素为Si，掺杂浓度为2×1019cm-3，其厚度为2.5μm。
其中，多量子阱层5为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的InGaN阱层和GaN垒层。InGaN阱层的厚度为3nm。GaN垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6包括依次层叠于多量子阱层5上的Mg掺InN形核层61、复合包覆层62和AlScN填平层63；复合包覆层62包括依次层叠于Mg掺InN形核层61上的AlInN层621、AlGaN层622和AlN层623。Mg掺InN形核层61包括多个分布在多量子阱层5上的形核点，该形核点的高度为6nm，其Mg的掺杂浓度为4×1018cm-3。AlInN层621的厚度为4nm，其Al组分占比为0.44。AlGaN层622的厚度为4nm，其Al组分占比为0.44。AlN层623的厚度为4nm。AlScN填平层63的厚度为30nm，其Al组分占比为0.76。
其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，其掺杂浓度3×1019cm-3，厚度为50nm。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：
（1）提供衬底，将衬底加载至MOCVD反应室中，在1050℃、300torr、氢气气氛下退火7min。
（2）在衬底上生长缓冲层；
其中，通过PVD生长AlN层，作为缓冲层。
（3）在缓冲层上生长非掺杂GaN层；
其中，通过MOCVD生长非掺杂GaN层，其生长温度为1070℃，生长压力为200torr。
（4）在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
其中，通过MOCVD生长N型GaN层，其生长温度为1120℃，生长压力为200torr。
（5）在N型GaN层上生长多量子阱层；
其中，通过MOCVD生长周期性生长InGaN阱层和GaN垒层，直至得到多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为770℃，生长压力为300torr。GaN垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr。
（6）在多量子阱层上生长Mg掺InN形核层；
其中，通过MOCVD生长Mg掺InN形核层，其生长温度为820℃，生长压力为200torr。
（7）在Mg掺InN形核层上生长AlInN层；
其中，通过MOCVD生长AlInN层，其生长温度为930℃，生长压力为450torr。
（8）在AlInN层上生长AlGaN层；
其中，通过MOCVD生长AlGaN层，其生长温度为930℃，生长压力为450torr。
（9）在AlGaN层上生长AlN层，得到复合包裹层；
其中，通过MOCVD生长AlN层，其生长温度为930℃，生长压力为450torr。
（10）在复合包裹层上生长AlScN填平层，得到电子阻挡层；
其中，通过MOCVD生长AlScN填平层，其生长温度为990℃，生长压力为80torr。
（11）在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，通过MOCVD生长P型GaN层。其生长温度为930℃，生长压力为200torr。
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：
Mg掺InN形核层61中形核点的高度为2nm，其Mg的掺杂浓度为5×1019cm-3。AlInN层621中Al组分占比为0.36。AlGaN层622中Al组分占比为0.36。
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：
AlInN层621中Al组分占比为0.25。AlGaN层622中Al组分占比为0.4。
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：
AlScN填平层63中Al组分占比为0.82。
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：
AlGaN层622中掺杂有Mg元素，掺杂浓度为1×1020cm-3。
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：
电子阻挡层为AlGaN层，其厚度为48nm，Al组分占比为0.5。电子阻挡层通过MOCVD生长，其生长温度为960℃，生长压力为300torr。
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：
电子阻挡层中不包括Mg掺InN形核层，相应的，制备方法中也不包括制备该层的步骤。
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：
电子阻挡层中不包括复合包覆层，相应的，制备方法中也不包括制备该层的步骤。
其余均与实施例1相同。
对比例4
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：
电子阻挡层中不包括AlScN填平层，相应的，制备方法中也不包括制备该层的步骤。
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4所得的发光二极管外延片加工制作成10×24mil具有垂直结构的LED芯片，测试其发光亮度与抗静电能力；具体的测试方法为：
（1）亮度：在通入电流120mA时，测试所得LED芯片的亮度，每个实施例、对比例各测试10个，取平均值。并以对比例1为基准，计算亮度提升率；
（2）抗静电能力：在HBM（人体放电模型）模型下运用静电仪对LED芯片的抗静电性能进行测试，测试LED芯片能承受反向8000V静电的通过比例。
具体测试结果如下表所示：
由表中可以看出，当将传统的电子阻挡层（对比例1）替换为本发明的电子阻挡层（实施例1）后，提升了发光效率和抗静电能力。
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，包括衬底，依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；其特征在于，所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Mg掺InN形核层、复合包覆层和AlScN填平层；所述复合包覆层包括依次层叠于所述Mg掺InN形核层上的AlInN层、AlGaN层和AlN层；
所述Mg掺InN形核层包括多个分布在所述多量子阱层上的形核点，所述复合包覆层包覆所述形核点。
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Mg掺InN形核层的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为5×1018cm-3~5×1020cm-3；
所述形核点的高度为0.5nm~5nm。
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AlInN层的厚度为1nm~10nm，Al组分占比为0.1~0.4；
所述AlGaN层的厚度为1nm~10nm，Al组分占比为0.3~0.5；
所述AlN层的厚度为1nm~10nm。
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AlScN填平层的厚度为5nm~50nm，Al组分占比为0.8~0.9。
5.如权利要求1~4任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlInN层中Al组分占比小于所述AlGaN层中Al组分占比。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlGaN层中掺杂有Mg元素，掺杂浓度为5×1019cm-3~7×1020cm-3。
7.一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：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Mg掺InN形核层、复合包覆层和AlScN填平层；所述复合包覆层包括依次层叠于所述Mg掺InN形核层上的AlInN层、AlGaN层和AlN层；
所述Mg掺InN形核层包括多个分布在所述多量子阱层上的形核点，所述复合包覆层包覆所述形核点。
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Mg掺InN形核层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100torr~300torr；
所述复合包覆层的生长温度为900℃~950℃，生长压力为300torr~500torr。
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AlScN填平层的生长温度为970℃~1000℃，生长压力为50torr~100torr。
10.一种发光二极管，其特征在于，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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