近紫外发光二极管外延片及其制备方法

摘要

本发明公开了一种近紫外发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。所述外延片包括：衬底、在所述衬底上顺次沉积的AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层、以及P型接触层，所述多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述量子阱层与所述量子垒层交替层叠生长，所述量子垒层包括BxAl1‑xN子层，所述量子阱层包括InyGa1‑yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y

权利要求

1.一种近紫外发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括：衬底、在所述衬底上顺次沉积的AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层、以及P型接触层，所述多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述量子阱层与所述量子垒层交替层叠生长，所述量子垒层包括BxAl1-xN子层，所述量子阱层包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述量子垒层还包括第一GaN子层，同一所述量子垒层中，所述第一GaN子层比所述BxAl1-xN子层更加靠近所述低温应力释放层。

3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述量子垒层还包括第二GaN子层，同一所述量子垒层中，所述BxAl1-xN子层位于所述第一GaN子层和所述第二GaN子层之间，所述第一GaN子层比所述第二GaN子层更加靠近所述低温应力释放层。

4.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN子层中掺杂Al，所述第一GaN子层中，Al的摩尔浓度与Ga的摩尔浓度之比为1.5～4。

5.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，所述第一GaN子层和所述第二GaN子层的厚度相同，所述BxAl1-xN子层的厚度是所述第一GaN子层的厚度的1.5～2倍。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的外延片，其特征在于，所述量子阱层的厚度为1～

3nm，所述量子垒层的厚度为9～20nm。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的外延片，其特征在于，所述低温应力释放层为InGaN子层与第三GaN子层交替生长的超晶格结构。

8.一种近紫外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；

在所述衬底上顺次沉积AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层、以及P型接触层，所述多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述量子阱层与所述量子垒层交替生长，所述量子垒层包括BxAl1-xN子层，所述量子阱层包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述量子阱层的生长温度为在720～829℃，所述量子垒层的生长温度为850～959℃。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述量子阱层和所述量子垒层的生长压力为100～500Torr。

说明书

近紫外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领域，特别涉及一种近紫外发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

[0002] LED(Light Emitting Diode，发光二极管)一般包括外延片和在外延片上制备的电极。对于近紫外发光二极管外延片来讲，其通常包括：衬底、以及顺次层叠在衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型AlGaN层、MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)层、电子阻挡层、P型AlGaN层和接触层。当有电流注入LED时，N型AlGaN层等N型区的电子和P型AlGaN层等P型区的空穴进入MQW有源区并且复合，发出可见光。其中，MQW层为InGaN量子阱和AlGaN量子垒交替生长的周期性结构。

[0003] 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：虽然电子阻挡层可以阻挡大部分电子的泄露，但是由于电子的数量和移动速度较快，仍会有较多的电子从MQW层溢出到P型AlGaN层，这影响了载流子的复合发光效率。

发明内容

[0004] 本发明实施例提供了一种近紫外发光二极管外延片及其制备方法，能够更好地限制电子流入P型区，提高载流子的复合发光效率。所述技术方案如下：

[0005] 第一方面，提供了一种近紫外发光二极管外延片，所述外延片包括：衬底、在所述衬底上顺次沉积的AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层、以及P型接触层，所述多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述量子阱层与所述量子垒层交替层叠生长，所述量子垒层包括BxAl1-xN子层，所述量子阱层包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

[0006] 可选地，所述量子垒层还包括第一GaN子层，同一所述量子垒层中，所述第一GaN子层比所述BxAl1-xN子层更加靠近所述低温应力释放层。

[0007] 可选地，所述量子垒层还包括第二GaN子层，同一所述量子垒层中，所述BxAl1-xN子层位于所述第一GaN子层和所述第二GaN子层之间，所述第一GaN子层比所述第二GaN子层更加靠近所述低温应力释放层。

[0008] 可选地，所述第一GaN子层中掺杂Al，所述第一GaN子层中，Al的摩尔浓度与Ga的摩尔浓度之比为1.5～4。

[0009] 可选地，所述第一GaN子层和所述第二GaN子层的厚度相同，所述BxAl1-xN子层的厚度是所述第一GaN子层的厚度的1.5～2倍。

[0010] 可选地，所述量子阱层的厚度为1～3nm，所述量子垒层的厚度为9～20nm。

[0011] 可选地，所述低温应力释放层为InGaN子层与第三GaN子层交替生长的超晶格结构。

[0012] 第二方面，提供了一种近紫外发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

[0013] 提供衬底；

[0014] 在所述衬底上顺次沉积AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层、以及P型接触层，所述多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，所述量子阱层与所述量子垒层交替生长，所述量子垒层包括BxAl1-xN子层，所述量子阱层包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

[0015] 可选地，所述量子阱层的生长温度为在720～829℃，所述量子垒层的生长温度为850～959℃。

[0016] 可选地，所述量子阱层和所述量子垒层的生长压力为100～500Torr。

[0017] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过采用BxAl1-xN量子垒层和InyGa1-yN量子阱层的多量子阱层，相比于传统多量子阱层，当0.13≤x≤0.15时，多量子阱层的价带带阶为-0.2±0.3eV，接近于0，多量子阱层的导带带阶为2.1±0.3eV，比较高，实现了价带带阶接近于0、且导带带阶比较高的能带结构；价带带阶接近于0时，空穴注入多量子阱层将不被阻挡，而导带带阶比较高时，将阻挡电子流入P型区，与电子阻挡层配合阻挡电子时，能够增强电子的阻挡作用，还能够提高空穴注入的效率，从而能更好的提升电子和空穴的空间复合几率，提高器件的内量子效率。

附图说明

[0018] 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。

[0019] 图1和图2是本发明实施例提供的一种近紫外发光二极管外延片的制备方法的流程图；

[0020] 图3是本发明实施例提供的一种近紫外发光二极管外延片的结构示意图；

[0021] 图4和图5是本发明实施例提供的多量子阱层的结构示意图。

具体实施方式

[0022] 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。

[0023] 图1示出了本发明实施例提供的一种近紫外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。

[0024] 步骤101、提供衬底。

[0025] 步骤102、在衬底上顺次沉积AlN缓冲层、非掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、低温应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层、P型掺杂AlGaN层、以及P型接触层。

[0026] 其中，多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，量子阱层与量子垒层交替生长，量子垒层包括BxAl1-xN子层，量子阱层包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

[0027] 本发明实施例通过采用BxAl1-xN量子垒层和InyGa1-yN量子阱层的多量子阱层，相比于传统多量子阱层，当0.13≤x≤0.15时，多量子阱层的价带带阶为-0.2±0.3eV，接近于0，多量子阱层的导带带阶为2.1±0.3eV，比较高，实现了价带带阶接近于0、且导带带阶比较高的能带结构；价带带阶接近于0时，空穴注入多量子阱层将不被阻挡，而导带带阶比较高时，将阻挡电子流入P型区，与电子阻挡层配合阻挡电子时，能够增强电子的阻挡作用，还能够提高空穴注入的效率，从而能更好的提升电子和空穴的空间复合几率，提高器件的内量子效率。

[0028] 图2示出了本发明实施例提供的一种近紫外发光二极管外延片的制备方法。参见图2，该方法流程包括如下步骤。

[0029] 步骤201、提供衬底。

[0030] 示例性地，衬底可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(Al2O3)。

[0031] 步骤202、将衬底放置到MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备的反应腔中的衬底托盘上，并对衬底托盘进行加热并驱动衬底托盘转动。

[0032] 示例性地，衬底托盘可以是石墨托盘。衬底托盘转动时，衬底将随衬底托盘转动。

[0033] 具体地，通过MOCVD方法生长外延材料时，可以采用高纯氮气和/或氢气作为载气，氨气作为氮源，三甲基镓或三甲基乙作为镓源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，三甲基硼作为硼源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。

[0034] 需要说明的是，下述生长过程中控制的温度和压力实际上是指MOCVD设备的反应腔内的温度和压力。

[0035] 步骤203、对衬底进行退火处理。

[0036] 当采用MOCVD方法沉积缓冲层时，退火处理方式包括：将衬底放置到MOCVD设备的反应腔内，然后在氢气气氛中退火处理10分钟，清洁衬底表面，退火温度在1000℃与1100℃之间，压力在200torr～500torr之间，然后进行氮化处理。

[0037] 步骤204、在衬底上沉积AlN缓冲层。

[0038] 采用MOCVD方法生长AlN缓冲层，包括：首先，将MOCVD设备的反应腔内温度调整至400℃～600℃，生长15至35nm厚的AlN缓冲层，生长压力区间为200Torr～600Torr。其次，缓冲层原位退火处理，温度在1000℃～1200℃，时间在5分钟至10分钟之间，压力为400Torr～
600Torr。

[0039] 步骤205、在缓冲层上沉积非掺杂AlGaN层。

[0040] 示例性地，非掺杂AlGaN层的生长温度为1000℃～1150℃，生长厚度在1至3微米之间，生长压力在100Torr至200Torr之间。

[0041] 步骤206、在非掺杂AlGaN层上沉积N型掺杂AlGaN层。

[0042] 示例性地，N型掺杂AlGaN层的厚度在1～2微米之间，生长温度在1100℃～1150℃，生长压力在200Torr左右，Si掺杂浓度在1×1018cm-3～5×1019cm-3之间。

[0043] 步骤207、在N型掺杂AlGaN层上沉积低温应力释放层。

[0044] 示例性地，低温应力释放层为InGaN子层与第三GaN子层交替生长的超晶格结构。生长温度为800～900℃，生长压力为100～500Torr。InGaN子层的厚度为10～20nm，第三GaN子层的厚度为30～70nm。低温应力释放层的厚度可以是100～300nm。

[0045] 步骤208、在低温应力释放层上沉积多量子阱层。

[0046] 其中，多量子阱层包括多个量子阱层和多个量子垒层，量子阱层与量子垒层交替层叠生长，量子垒层包括BxAl1-xN子层，量子阱层包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

[0047] 示例性地，量子阱层的厚度为1～3nm，量子垒层的厚度为9～20nm，量子阱层和量子垒层的数量均为5～15。量子阱层和量子垒层的数量可以相同，也可以不同，并且，最先生长的可以是量子阱层，也可以是量子垒层。量子阱层的生长温度为在720～829℃，量子垒层的生长温度为850～959℃。量子阱层和量子垒层的生长压力为100～500Torr。

[0048] 表1示出了采用BxAl1-xN量子垒层的多量子阱层与采用Al1-aGaaN量子垒层的传统多量子阱层的能带参数比照。参见表1，相比于传统多量子阱层中量子垒层的0.5±0.3eV的价带带阶、以及1.4±0.3eV的导带带阶，当0.13≤x≤0.15时，多量子阱层中量子垒层的价带带阶为-0.2±0.3eV，接近于0，多量子阱层中量子垒层的导带带阶为2.1±0.3eV，比较高，实现了价带带阶接近于0、且导带带阶比较高的能带结构。价带带阶接近于0时，空穴注入多量子阱层将不被阻挡，而导带带阶比较高时，将阻挡电子流入P型区，与电子阻挡层配合阻挡电子时，能够增强电子的阻挡作用，还能够提高空穴注入的效率，从而能更好的提升电子和空穴的空间复合几率，提高器件的内量子效率。

[0049] 表1

[0050]

[0051] 示例性地，x＝0.13、0.14或者0.15。

[0052] 在可选的一种实施方式中，除了BxAl1-xN子层之外，量子垒层还包括第一GaN子层。其中，同一量子垒层中，第一GaN子层比BxAl1-xN子层更加靠近低温应力释放层。

[0053] 通过第一GaN子层的引入，量子垒层在晶格上与InGaN量子阱层的晶格更加相配，提高晶体质量。

[0054] 基于可选的一种实施方式，在可选的另一种实施方式中，除了BxAl1-xN子层和第一GaN子层之外，量子垒层还包括第二GaN子层。其中，同一量子垒层中，BxAl1-xN子层位于第一GaN子层和第二GaN子层之间，第一GaN子层比第二GaN子层更加靠近低温应力释放层。

[0055] 通过第二GaN子层的引入，夹设于两个量子垒层之间的InGaN量子阱层具体是夹设在第一GaN子层和第二GaN子层之间的，GaN在晶格上与InGaN量子阱层的晶格更加相配，进一步提高晶体质量。

[0056] 基于可选的另一种实施方式，在可选的又一种实施方式中，第一GaN子层中掺杂Al。其中，第一GaN子层中，Al的摩尔浓度与Ga的摩尔浓度之比为1.5～4。

[0057] 通过在第一GaN子层中掺杂Al，第一GaN子层的势垒高度高于纯GaN的势垒高度，且低于BAlN的势垒高度，并且，第一GaN子层更加靠近低温应力释放层，那么，N型区的电子先通过势垒高度较高的第一GaN子层，其迁移速率将变慢，接着通过势垒高度较高的BAlN子层，将更不容易通过BAlN子层，最终将限制在量子垒层邻近的量子阱中，增强了电子阻挡作用。

[0058] 示例性地，基于量子垒层的厚度为9～20nm，第一GaN子层和第二GaN子层的厚度相同，BxAl1-xN子层的厚度是第一GaN子层的厚度的1.5～2倍。

[0059] 步骤209、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

[0060] 其中，电子阻挡层可以是AlGaN电子阻挡层。示例性地，在生长电子阻挡层时，衬底托盘的转速为800～1000转/分钟，反应腔的温度为900～1000℃，反应腔的压力为20～200torr。电子阻挡层的厚度在20nm至100nm之间。

[0061] 步骤210、在电子阻挡层上沉积P型掺杂AlGaN层。

[0062] 示例性地，P型掺杂AlGaN层的生长温度为950℃～1000℃，生长压力为200torr，P型掺杂AlGaN层的厚度可以为100nm～300nm。

[0063] 步骤211、在P型掺杂AlGaN层上沉积P型接触层。

[0064] 示例性地，P型接触层为GaN或者InGaN层，其厚度为50nm至100nm之间，生长温度区间为850℃～950℃，生长压力区间为200Torr～500Torr。

[0065] 示例性地，P型接触层生长结束后，将MOCVD设备的反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃～850℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

[0066] 图3示出了本发明实施例提供的一种近紫外发光二极管外延片。参见图3，该近紫外发光二极管外延片包括：衬底1、以及在衬底1上顺次沉积的AlN缓冲层2、非掺杂AlGaN层3、N型掺杂AlGaN层4、低温应力释放层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、P型掺杂AlGaN层8、以及P型接触层9。多量子阱层6包括多个量子阱层61和多个量子垒层62。量子阱层61与量子垒层62交替层叠生长。量子垒层62包括BxAl1-xN子层62a。量子阱层61包括InyGa1-yN子层，0.13≤x≤0.15，0≤y<0.1。

[0067] 通过采用BxAl1-xN量子垒层和InyGa1-yN量子阱层的多量子阱层，相比于传统多量子阱层，当0.13≤x≤0.15时，多量子阱层的价带带阶为-0.2±0.3eV，接近于0，多量子阱层的导带带阶为2.1±0.3eV，比较高，实现了价带带阶接近于0、且导带带阶比较高的能带结构；价带带阶接近于0时，空穴注入多量子阱层将不被阻挡，而导带带阶比较高时，将阻挡电子流入P型区，与电子阻挡层配合阻挡电子时，能够增强电子的阻挡作用，还能够提高空穴注入的效率，从而能更好的提升电子和空穴的空间复合几率，提高器件的内量子效率。

[0068] 示例性地，可以采用图1或图2示出的方法制备图3示出的近紫外发光二极管外延片。

[0069] 示例性地，x＝0.13、0.14或者0.15。

[0070] 示例性地，参见图4，量子垒层62还包括第一GaN子层62b。同一量子垒层62中，第一GaN子层62b比BxAl1-xN子层62a更加靠近低温应力释放层5。

[0071] 示例性地，参见图5，量子垒层62还包括第二GaN子层62c。同一量子垒层62中，BxAl1-xN子层62a位于第一GaN子层62b和第二GaN子层62c之间，第一GaN子层62b比第二GaN子层62c更加靠近低温应力释放层5。

[0072] 示例性地，第一GaN子层62b中掺杂Al；第一GaN子层62b中，Al的摩尔浓度与Ga的摩尔浓度之比为1.5～4。

[0073] 示例性地，第一GaN子层62b和第二GaN子层62c的厚度相同，BxAl1-xN子层62a的厚度是第一GaN子层62b的厚度的1.5～2倍。

[0074] 示例性地，量子阱层61的厚度为1～3nm，量子垒层62的厚度为9～20nm。

[0075] 示例性地，低温应力释放层5为InGaN子层与第三GaN子层交替生长的超晶格结构。

[0076] 示例性地，衬底1为蓝宝石衬底；AlN缓冲层2的厚度可以是15至35nm；非掺杂AlGaN层3的厚度可以是1～3μm；N型掺杂AlGaN层4的厚度可以是1～2μm；低温应力释放层5的厚度可以是100～300nm；电子阻挡层7的厚度可以是20～100nm；高温P型AlGaN层8的厚度可以为100nm～300nm；P型接触层9可以是GaN或者InGaN层，其厚度可以是50～100nm。

[0077] 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。