一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法

摘要

本发明公开了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管技术领域。所述方法包括：提供衬底；顺次在衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层；在多量子阱层上沉积电子阻挡层，电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力；在电子阻挡层上沉积P型层。本发明能够在对电子阻挡作用较强时减弱对空穴的阻挡作用，进而提高电子空穴在量子阱中的复合发光效率。

权利要求

1.一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：提供衬底；

顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层；

在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述AlN层为P型掺杂AlN层；

在所述电子阻挡层上沉积P型层，

所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：

在所述多量子阱层上沉积所述AlN层，所述AlN层的生长压力为50～100Torr；

在所述AlN层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；

在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～

600Torr。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AlN层、所述第一AlGaN层和所述第二AlGaN层的生长温度均为850～1080℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为5～10nm，所述第一AlGaN层的厚度为40～130nm，所述第二AlGaN层的厚度为5～10nm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～

0.5，所述第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬底为图形化蓝宝石衬底。

6.一种GaN基发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括：衬底、顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述AlN层为P型掺杂AlN层，所述AlN层的生长压力为50～100Torr，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。

说明书

一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

[0002] GaN(氮化镓)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特型，被广泛应用于制作蓝、绿、以及紫外发光二极管。GaN基发光二极管通常包括外延片和设于外延片上的电极。

[0003] 现有的一种GaN基发光二极管的外延片，其包括衬底、以及依次生长在衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱层(又称有源层)、EBL(Electron Blocking Layer，电子阻挡层)和P型层。当有电流通过时，N型层的电子和P型层的空穴进入多量子阱层阱区并且复合，发出可见光。其中，EBL为P型AlGaN层，其通过抑制电子溢流出多量子阱层，提高载流子的注入效率。

[0004] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

[0005] 现有的EBL其结构为bulk(整体)结构，Al组分一般是恒定掺杂。Al组分恒定时，不光对电子阻挡起作用，也对空穴的阻挡起一定作用。如何增强EBL的电子阻挡作用并减弱EBL的空穴阻挡作用成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

[0006] 本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法，能够在对电子阻挡作用较强时减弱对空穴的阻挡作用，进而提高电子空穴在量子阱中的复合发光效率。所述技术方案如下：

[0007] 一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

[0008] 提供衬底；

[0009] 顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层；

[0010] 在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力小于所述第二AlGaN层的生长压力；

[0011] 在所述电子阻挡层上沉积P型层。

[0012] 可选地，所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：

[0013] 在所述多量子阱层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；

[0014] 在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。

[0015] 可选地，所述电子阻挡层还包括AlN层，所述AlN层位于所述多量子阱层和所述第一AlGaN层之间，

[0016] 所述在所述多量子阱层上沉积电子阻挡层，包括：

[0017] 在所述多量子阱层上沉积所述AlN层，所述AlN层的生长压力为50～100Torr；

[0018] 在所述AlN层上沉积所述第一AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；

[0019] 在所述第一AlGaN层上沉积所述第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。

[0020] 可选地，所述AlN层、所述第一AlGaN层和所述第二AlGaN层的生长温度均为850～1080℃。

[0021] 可选地，所述AlN层的厚度为5～10nm，所述第一AlGaN层的厚度为40～130nm，所述第二AlGaN层的厚度为5～10nm。

[0022] 可选地，所述第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，所述第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。

[0023] 可选地，所述衬底为图形化蓝宝石衬底。

[0024] 另一方面，提供了一种GaN基发光二极管外延片，所述外延片包括：衬底、顺次在所述衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型层，所述电子阻挡层包括顺次层叠在所述多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，所述第一AlGaN层的生长压力小于所述第二AlGaN层的生长压力。

[0025] 可选地，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。

[0026] 可选地，所述电子阻挡层还包括AlN层，所述AlN层位于所述多量子阱层和所述第一AlGaN层之间，所述AlN层的生长压力为50～100Torr，所述第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr，所述第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。

[0027] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

[0028] 通过在多量子阱层上沉积电子阻挡层，并在电子阻挡层上沉积P型层；电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，并且，第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力；由于生长压力越大，Al组分并入GaN层中越难，因此，第一AlGaN层中的Al组分含量高于第二AlGaN层中的Al组分含量；第一AlGaN层中的Al组分含量较高时，第一AlGaN层的带宽较大，对量子阱中的电子有较强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱；第二AlGaN层中的Al组分含量较低时，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0030] 图1是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法的流程图；

[0031] 图2是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法的流程图；

[0032] 图3是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图；

[0033] 图4是本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的结构示意图。

具体实施方式

[0034] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

[0035] 图1示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法。参见图1，该方法流程包括如下步骤。

[0036] 步骤101、提供衬底。

[0037] 步骤102、顺次在衬底上沉积GaN缓冲层、未掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、N型AlGaN层和多量子阱层。

[0038] 步骤103、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

[0039] 其中，电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层。第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力。

[0040] 示例性地，第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr。

[0041] 示例性地，第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5。第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。

[0042] 示例性地，第一AlGaN层和第二AlGaN层的生长温度均为850～1080℃。

[0043] 示例性地，第一AlGaN层的厚度为40～130nm，第二AlGaN层的厚度为5～10nm。

[0044] 步骤104、在电子阻挡层上沉积P型层。

[0045] 本发明实施例通过在多量子阱层上沉积电子阻挡层，并在电子阻挡层上沉积P型层；电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层和第二AlGaN层，并且，第一AlGaN层的生长压力小于第二AlGaN层的生长压力；由于生长压力越大，Al组分并入GaN层中越难，因此，第一AlGaN层中的Al组分含量高于第二AlGaN层中的Al组分含量；第一AlGaN层中的Al组分含量较高时，第一AlGaN层的带宽较大，对量子阱中的电子有较强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱；第二AlGaN层中的Al组分含量较低时，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。

[0046] 图2示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片的制备方法。该制备方法可以采用MOCVD(Metal～organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现。在该制备方法中，以高纯H2(氢气)、以及N2(氮气)作为载气，以TMGa(三甲基稼)或者TEGa(三乙基稼)作为Ga源，以TMAl(三甲基铝)作为Al源，以TMIn(三甲基铟)作为In源，以NH3(氨气)作为N源，用SiH4(硅烷)作为N型掺杂剂，用CP2Mg(二茂镁)作为P型掺杂剂。参见图2，该方法流程包括如下步骤。

[0047] 步骤201、提供衬底。

[0048] 示例性地，衬底可以为图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，简称PSS)。采用PSS生长GaN基发光二极管外延片，可以增强发光二极管的出射光亮度，同时反向漏电流减小，发光二极管的寿命也得到了延长。

[0049] 步骤202、对衬底进行退火处理。

[0050] 示例性地，可以在氢气气氛中对衬底进行退火处理，退火时间可以为8分钟，退火温度在1000℃与1200℃之间。通过退火处理可以清洁衬底表面。在退火完成后，还可以对衬底进行氮化处理。

[0051] 步骤203、在衬底上沉积GaN缓冲层。

[0052] 示例性地，GaN缓冲层(又称成核层)的生长温度可以是400℃～600℃，生长压力区间为400Torr～600Torr。GaN缓冲层的厚度可以是15至35nm。

[0053] 示例性地，步骤203还可以包括：对GaN缓冲层进行退火处理。退火温度可以在1000℃～1200℃，退火时间可以在5分钟至10分钟之间，退火时压力可以是400Torr～600Torr。

[0054] 步骤204、在GaN缓冲层上沉积未掺杂GaN层。

[0055] 在完成GaN缓冲层的退火处理后，在GaN缓冲层上沉积未掺杂GaN层。示例性地，未掺杂GaN层的生长温度可以是1000℃～1100℃，生长压力可以是100Torr至500Torr之间。未掺杂GaN层的生长厚度可以是1.0至5.0微米。

[0056] 步骤205、在未掺杂GaN层上沉积N型掺杂GaN层。

[0057] 示例性地，N型掺杂GaN层的厚度在1～5微米之间，N型掺杂GaN层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力在100Torr至500Torr之间。N型掺杂GaN层为Si掺杂，Si掺杂浓度在1018cm-3～1019cm-3之间。

[0058] 步骤206、在N型掺杂GaN层上沉积N型AlGaN层。

[0059] 示例性地，N型AlGaN层的厚度在50～180nm，N型AlGaN层的生长温度为800℃～1100℃，生长压力在300Torr至500Torr之间。N型AlGaN层中Al的摩尔掺入量为0～0.3。

[0060] 步骤207、在N型AlGaN层上沉积多量子阱层。

[0061] 示例性地，多量子阱层可以由3到15个周期的量子阱垒层构成。量子阱垒层包括InxGa1-xN(0

[0062] 步骤208、在多量子阱层上沉积AlN层。

[0063] 示例性地，AlN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为50～100Torr；AlN层的厚度为5～10nm。AlN层为P型掺杂AlN层，P型掺杂剂为CP2Mg，P型掺杂AlN层中Mg的掺杂浓度为2×1017cm-3～2×1018cm-3。

[0064] 步骤209、在AlN层上沉积第一AlGaN层。

[0065] 示例性地，第一AlGaN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为200～300Torr；第一AlGaN层的厚度为40～130nm。第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5。第一AlGaN层为P型掺杂第一AlGaN层，P型掺杂剂为CP2Mg，P型掺杂第一AlGaN层中Mg的掺杂浓度为2×1017cm-3～2×1018cm-3。

[0066] 步骤210、在第一AlGaN层上沉积第二AlGaN层。

[0067] 示例性地，第二AlGaN层的生长温度为850～1080℃，生长压力为400～600Torr。第二AlGaN层的厚度为5～10nm。第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。第二AlGaN层为P型掺杂第二AlGaN层，P型掺杂剂为CP2Mg，P型掺杂第二AlGaN层中Mg的掺杂浓度为2×1017cm-3～2×1018cm-3。

[0068] 通过步骤208～步骤210实现了，在多量子阱层上沉积电子阻挡层，电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层。

[0069] AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层中，AlN层的生长压力最低，Al组分含量最高，由于AlN层靠近量子阱，AlN层的带宽较大，相比于第一AlGaN层，对量子阱中的电子有更强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱。第二AlGaN层的生长压力最低，第二AlGaN层中的Al组分含量最低，由于第二AlGaN层靠近P型层，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至电子阻挡层中。由于电子阻挡层对空穴的阻挡作用在电子阻挡层与P型层的接触面最强，当空穴通过电子阻挡层与P型层的接触面跃迁至电子阻挡层后，电子阻挡层内部的阻挡作用小于电子阻挡层与P型层的接触面的阻挡作用，空穴能够克服电子阻挡层内部的阻挡作用跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。

[0070] 步骤211、在第二AlGaN层上沉积P型掺杂GaN层。

[0071] P型掺杂GaN层的生长温度在850℃～1080℃之间，生长压力区间为200Torr～300Torr。P型掺杂GaN层的厚度在100nm至800nm之间。

[0072] 步骤212、在P型掺杂GaN层上沉积P型复合接触层。

[0073] P型复合接触层的生长温度区间为850℃～1050℃，生长压力区间为100Torr～300Torr。P型复合接触层的厚度为5nm至300nm之间。

[0074] 沉积P型复合接触层之后，可以将MOCVD的反应腔内温度降低，在氮气气氛中对外延片进行退火处理，退火温度可以为650℃～850℃，退火时间可以为5到15分钟，而后降至室温，结束外延片的生长。

[0075] 图3示出了本发明实施例提供的一种GaN基发光二极管外延片，参见图3，该外延片包括：衬底31、顺次在衬底31上沉积GaN缓冲层32、未掺杂GaN层33、N型掺杂GaN层34、N型AlGaN层35、多量子阱层36、电子阻挡层37和P型层38。电子阻挡层37包括顺次层叠在多量子阱层36上的第一AlGaN层372和第二AlGaN层373。第一AlGaN层372的生长压力小于第二AlGaN层373的生长压力。

[0076] 通过电子阻挡层包括顺次层叠在多量子阱层上的第一AlGaN层372和第二AlGaN层373，并且，第一AlGaN层372的生长压力小于第二AlGaN层373的生长压力；由于生长压力越大，Al组分并入GaN层中越难，因此，第一AlGaN372层中的Al组分含量高于第二AlGaN层373中的Al组分含量；第一AlGaN层372中的Al组分含量较高时，第一AlGaN层372的带宽较大，对量子阱中的电子有较强的阻挡作用，抑制电子溢流出量子阱；第二AlGaN层372中的Al组分含量较低时，对P型层中的空穴的阻挡作用减弱，有利于空穴跃迁至量子阱中，从而增加了电子空穴在发光量子阱中复合发光效率，提升器件发光效率。

[0077] 示例性地，第一AlGaN层372的生长压力为200～300Torr；第二AlGaN层373的生长压力为400～600Torr。

[0078] 下表1示出了第一AlGaN层和第二AlGaN层的生长压力变化对发光二极管的亮度的影响。

[0079] 表1

[0080]

[0081] 参见表1，当第一AlGaN层的生长压力为200～300Torr；第二AlGaN层的生长压力为400～600Torr时，发光二极管的亮度达到最大值196.8mw，远超发光二极管的平均亮度，极大地提高了发光二极管的亮度。

[0082] 示例性地，参见图4，电子阻挡层还包括AlN层371，AlN层371位于多量子阱层和第一AlGaN层372之间。AlN层371、第一AlGaN层372和第二AlGaN层373的生长压力逐层增大。

[0083] 示例性地，AlN层371的生长压力为50～100Torr，第一AlGaN层372的生长压力为200～300Torr，第二AlGaN层373的生长压力为400～600Torr。

[0084] 示例性地，第一AlGaN层372中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，第二AlGaN层373中Al摩尔掺入量为0.05～0.1。

[0085] 下表2示出了第一AlGaN层和第二AlGaN层的摩尔掺入量变化对发光二极管的亮度的影响。

[0086] 表2

[0087]

[0088] 参见表2，当第一AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.2～0.5，第二AlGaN层中Al摩尔掺入量为0.05～0.1时，发光二极管的亮度达到最大值195.7mw，远超发光二极管的平均亮度，极大地提高了发光二极管的亮度。

[0089] 示例性地，AlN层371、第一AlGaN层372和第二AlGaN层373的生长温度均为850～1080℃。

[0090] 示例性地，AlN层371的厚度为5～10nm，第一AlGaN层372的厚度为40～130nm，第二AlGaN层373的厚度为5～10nm。

[0091] 表3示出了AlN层、第一AlGaN层和第二AlGaN层的厚度变化对发光二极管的亮度的影响。参见表3，当AlN层的厚度为5～10nm，第一AlGaN层的厚度为40～130nm，第二AlGaN层的厚度为5～10nm时，即电子阻挡层为薄-厚-薄的复合层，发光二极管的亮度达到最大值196.6mw，远超平均亮度水平。

[0092] 表3

[0093] AlN层厚度(nm) 第一AlGaN层厚度(nm) 第二AlGaN层厚度(nm) 亮度(mw)0～5 10～40 0～5 194.6
0～5 10～40 5～10 195.8
0～5 10～40 10～15 195.1
0～5 40～130 0～5 193.2
0～5 40～130 5～10 194.5
0～5 40～130 10～15 193.7
0～5 130～200 0～5 192.4
0～5 130～200 5～10 193.2
0～5 130～200 10～15 192.4
5～10 10～40 0～5 194.1
5～10 10～40 5～10 193.8
5～10 10～40 10～15 194.2
5～10 40～130 0～5 195.3
5～10 40～130 5～10 196.6
5～10 40～130 10～15 194.9
5～10 130～200 0～5 194.1
5～10 130～200 5～10 194.8
5～10 130～200 10～15 193.9
10～15 10～40 0～5 193.2
10～15 10～40 5～10 194.1
10～15 10～40 10～15 194.2
10～15 40～130 0～5 193.5
10～15 40～130 5～10 194.7
10～15 40～130 10～15 192.9
10～15 130～200 0～5 194.5
10～15 130～200 5～10 193.9
10～15 130～200 10～15 194

[0094] 示例性地，衬底31为PSS。

[0095] 示例性地，P型层38包括顺次层叠在电子阻挡层37上的P型掺杂GaN层381和P型复合接触层382。

[0096] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。