近紫外发光二极管外延片及其制备方法转让专利
申请号 : CN202010530603.8
文献号 : CN111883623B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 洪威威 , 王倩 , 董彬忠 , 胡加辉
申请人 : 华灿光电(浙江)有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种近紫外发光二极管外延片,所述近紫外发光二极管外延片包括衬底(1)及生长在所述衬底(1)上的外延层(2),所述外延层(2)包括在所述衬底(1)上依次层叠的n型层(21)、发光层(22)、电子阻挡层(23)及p型层(24),其特征在于,所述电子阻挡层(23)包括依次生长在所述发光层(22)上的AlN子层(231)、第一AlInGaN子层(232)与第二AlInGaN子层(233),所述AlN子层(231)中的Al的组分含量、所述第一AlInGaN子层(232)中的Al的组分含量、所述第二AlInGaN子层(233)中的Al的组分含量依次降低,
所述第一AlInGaN子层(232)中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层(233)中的Al的组分含量比值,与所述第二AlInGaN子层(233)中的In的组分含量与所述第一AlInGaN子层(232)中的In的组分含量比值相等,且所述第一AlInGaN子层(232)中In组分含量与所述第二AlInGaN子层(233)中In组分含量的比值为1:2,所述第一AlInGaN子层(232)与所述第二AlInGaN子层(233)中均掺有Mg元素,且第二AlInGaN子层(233)中的Mg的掺杂浓度与所述第一AlInGaN子层(232)中的Mg的掺杂浓度比值,与所述第一AlInGaN子层(232)中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层(233)中的Al的组分含量比值相等,所述第一AlInGaN子层(232)中Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层(233)中Al的组分含量的比值为2:1。
2.根据权利要求1所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,所述第一AlInGaN子层(232)中Al的组分含量为x1,所述第一AlInGaN子层(232)中In的组分含量为y1,所述第一
19 ‑3
AlInGaN子层(232)中Mg的掺杂浓度为z1,0.3
19 ‑3
10 cm 。
3.根据权利要求2所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,所述第一AlInGaN子层(232)中,x1:y1在10:1~60:1的范围内。
4.根据权利要求1~3任一项所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,所述第二AlInGaN子层(233)中Al的组分含量为x2,所述第二AlInGaN子层(233)中In的组分含量为y2,
19 ‑3
所述第二AlInGaN子层(233)中Mg的掺杂浓度为z2,0.1
20 ‑3
≤2×10 cm 。
5.根据权利要求1~3任一项所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,所述AlN子层(231)的厚度为1.5~3nm,所述第一AlInGaN子层(232)的厚度与所述第二AlInGaN子层(233)的厚度均为100~150nm。
6.根据权利要求1~3任一项所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,所述外延层(2)还包括设置在所述n型层(21)与所述发光层(22)之间的电流扩展层,所述电流扩展层包括多个交替层叠的AlGaN子层(261)与GaN子层(262)。
7.根据权利要求6所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,在沿所述外延层(2)的生长方向上,每个所述AlGaN子层(261)的厚度依次减小,每个所述AlGaN子层(261)中Al的组分含量的含量依次增加。
8.根据权利要求6所述的近紫外发光二极管外延片,其特征在于,所述电流扩展层的厚度为1~2nm。
9.一种近紫外发光二极管外延片制备方法,其特征在于,所述近紫外发光二极管外延片制备方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上生长n型层;
在所述n型层上生长发光层;
在所述发光层上生长电子阻挡层,所述电子阻挡层包括依次生长在所述发光层上的AlN子层、第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层,所述AlN子层中的Al的组分含量、所述第一AlInGaN子层中的Al的组分含量、所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,所述第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与所述第二AlInGaN子层中的In的组分含量与所述第一AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等,
所述第一AlInGaN子层与所述第二AlInGaN子层中均掺有Mg元素,且第二AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度与所述第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比值,与所述第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相等;
在所述电子阻挡层上生长p型层。
10.根据权利要求9所述的近紫外发光二极管外延片制备方法,其特征在于,所述第一AlInGaN子层的生长温度为950~1000℃,且所述第一AlInGaN子层在氮气与氨气的混合气体环境下生长,所述第二AlInGaN子层的生长温度为850~900℃,且所述第二AlInGaN子层在氮气、氨气与氢气的混合气体环境下生长。
说明书 :
近紫外发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
背景技术
发光二极管外延片通常包括衬底及衬底上生长的外延层,外延层包括依次生长在衬底上的
N型层、发光层、电子阻挡层及P型层。且电子阻挡层通常为Al的组分含量较高的AlGaN电子
阻挡层,AlGaN电子阻挡层中常掺杂有Mg元素,AlGaN电子阻挡层起到阻挡电子作用的同时
用以提供部分空穴。
低;且Al的组分含量较高的AlGaN电子阻挡层中同时也存在有较多的非辐射复合中心,使得
空穴在AlGaN电子阻挡层中发生非辐射复合,最终导致可以正常进入发光层与电子进行辐
射复合的空穴较少,近紫外发光二极管的发光效率较低。
发明内容
次层叠的n型层、发光层、电子阻挡层及p型层,
量、所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,
分含量比值相等,所述第一AlInGaN子层与所述第二AlInGaN子层中均掺有Mg元素,且第二
AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度与所述第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比值,与所述第
一AlInGaN子层中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相等。
10 cm
10 cm
一AlInGaN子层中的Al的组分含量、所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,所
述第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与
所述第二AlInGaN子层中的In的组分含量与所述第一AlInGaN子层中的In的组分含量比值
相等,
AlInGaN子层中的Al的组分含量与所述第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相等;
且第二AlInGaN子层在氮气、氨气与氢气的混合气体环境下生长。
二AlInGaN子层,AlN子层中的Al的组分含量、第一AlInGaN子层中的Al的组分含量、第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,则较高的势垒的AlN子层会阻挡电子跃过AlN子
层迁移至第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层中,类似地,势垒较低的第一AlInGaN子层与
第二AlInGaN子层则不会过度阻挡与电子同为载流子的空穴向发光层的流入。且第一
AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与第二
AlInGaN子层中的In的组分含量与第一AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等,可以保持
第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层的势垒稳定下降。第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子
层中均掺有Mg元素,第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层中的In元素可以降低Mg的活化
能,Mg的活跃可以增加第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层中的空穴数量,提高进入发光
层的空穴的数量。而第二AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度与第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂
浓度比值,与第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比
值相等。第二AlInGaN子层可以作为主要的空穴来源,大量增加进入发光层的空穴的数量,
提高发光二极管的发光效率。
附图说明
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。
具体实施方式
括衬底1及生长在衬底1上的外延层2,外延层2包括在衬底1上依次层叠的n型层21、发光层
22、电子阻挡层23及p型层24。
含量、第二AlInGaN子层233中的Al的组分含量依次降低。
量比值相等。第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子层233中均掺有Mg元素,且第二AlInGaN
子层233中的Mg的掺杂浓度与第一AlInGaN子层232中的Mg的掺杂浓度比值,与第一AlInGaN
子层232中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层233中的Al的组分含量比值相等。
第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子层233,AlN子层231中的Al的组分含量、第一AlInGaN
子层232中的Al的组分含量、第二AlInGaN子层233中的Al的组分含量依次降低,则较高的势
垒的AlN子层231会阻挡电子跃过AlN子层231迁移至第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子
层233中,类似地,势垒较低的第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子层233也不会过度阻挡
与电子同为载流子的空穴向发光层22的流入。且第一AlInGaN子层232中的Al的组分含量与
第二AlInGaN子层233中的Al的组分含量比值,与第二AlInGaN子层233中的In的组分含量与
第一AlInGaN子层232中的In的组分含量比值相等,可以保持第一AlInGaN子层232与第二
AlInGaN子层233的势垒稳定下降。第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子层233中均掺有Mg
元素,第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子层233中的In元素可以降低Mg的活化能,Mg的
活跃可以增加第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子层233中的空穴数量,提高进入发光层
22的空穴的数量。而第二AlInGaN子层233中的Mg的掺杂浓度与第一AlInGaN子层232中的Mg
的掺杂浓度比值,与第一AlInGaN子层232中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层233中的Al
的组分含量比值相等。第二AlInGaN子层233可以作为主要的空穴来源,大量增加进入发光
层22的空穴的数量,提高发光二极管的发光效率。
233的生长质量也较好。
10 cm
与第二AlInGaN子层233中In组分含量的比值也可为1:2。近紫外发光二极管的发光效率较
高。
5×10 cm
会过度阻挡空穴的进入,便于空穴进入发光层22内进行辐射发光。第一AlInGaN子层232与
第二AlInGaN子层233整体具有较大的厚度,可以在第一AlInGaN子层232与第二AlInGaN子
层233内积累较多数量的空穴,空穴可以更平均地进入发光层22内与电子复合发光。
长在衬底1上的外延层2,外延层2还可包括在衬底1上依次层叠的缓冲层25、n型层21、电流
扩展层26、发光层22、电子阻挡层23、p型层24及p型接触层27。
终保证外延层2的整体质量。
23阻挡电子的压力,使得移动速率较慢的空穴可以更多地进入发光层22进行有效发光,进
一步避免电子溢出发光层22。
减小,可以保证足够的电子进入电流扩展层26,积累在电流扩展层26中,电子也可以逐步越
过AlGaN子层261进入发光层22,近紫外发光二极管的发光更为均匀。
级管整体的发光效率较高。
10 cm 。n型GaN层整体的质量较好。
得到的发光效果也加好。
量较好。
221中进行复合发光。
AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与第二AlInGaN子层中的In的组分含量与第一
AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等。第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层中均掺有
Mg元素,且第二AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度与第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比
值,与第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相
等。
二AlInGaN子层,AlN子层中的Al的组分含量、第一AlInGaN子层中的Al的组分含量、第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,则AlN子层、第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子
层的势垒依次降低,AlN子层能够较好地阻挡电子的同时,第一AlInGaN子层与第二AlInGaN
子层也不会过度阻挡空穴向发光层的流入。且第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与第二AlInGaN子层中的In的组分含量与第一
AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等,可以保持第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层
的势垒稳定下降。第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层中均掺有Mg元素,第一AlInGaN子层
与第二AlInGaN子层中的In元素可以降低Mg的活化能,Mg的活跃可以增加第一AlInGaN子层
与第二AlInGaN子层中的空穴数量,提高进入发光层的空穴的数量。而第二AlInGaN子层中
的Mg的掺杂浓度与第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比值,与第一AlInGaN子层中的Al的
组分含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相等。第二AlInGaN子层可以作为主要
的空穴来源,大量增加进入发光层的空穴的数量,提高发光二极管的发光效率。
光层整体的生长压力可为100~300Torr。得到的发光层的质量较好。
AlInGaN子层中的Al的组分含量依次降低,第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与第二AlInGaN子层中的In的组分含量与第一
AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等。第一AlInGaN子层与第二AlInGaN子层中均掺有
Mg元素,且第二AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度与第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比
值,与第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相
等。
AlInGaN子层在氮气、氨气与氢气的混合气体环境下生长。
层相对第二AlInGaN子层能够获得更高Al组分的第一AlInGaN子层,具有更好的阻挡电子的
效果,而第二AlInGaN子层在较低温度下,且第二AlInGaN子层中在掺入了氢气的环境下生
长,可以便于第二AlInGaN子层中Mg元素的掺杂渗入,氢气也可以提高第二AlInGaN子层的
表面平整度,可以获得表面质量很高的电子阻挡层。
述外延片中各层的生长厚度。
用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气,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。
5~15分钟,将至室温,结束外延生长。退火可进一步去除外延片中的缺陷,有利于提高发光
二极管的发光效率。
施例中得到的外延片制备得到的发光二极管芯片的发光效果进行了对比,对比结果如下表
1:
度;序号2对应的发光二极管芯片是本公开中所提供的外延片所制备得到的,表1的第二栏
为序号2对应的发光二极管芯片的外延片的生长参数及发光二极管芯片的生长参数及发光
强度。参考表1可知,在相同的生长压力与生长时间、相近的生长温度的条件下,本公开中所
得到的外延片制备的发光二极管芯片相对背景技术中的外延片所制备得到的发光二极管
芯片的峰值波长的上限与下限均有显著提高,外延片的发光强度对应也有显著提高,本公
开中所提供的外延片制备得到的发光二极管芯片的发光效果更好。
层、发光层及p型层的结构,且相关技术中的外延片和本公开实施例中得到的外延片中的衬
底、缓冲层、n型层、发光层及p型层均在相同的条件下得到。对应表格1中的外延片,缓冲层
可包括依次层叠的溅射得到的AlN缓冲层与沉积得到的非掺杂GaN层,且AlN缓冲层的溅射
温度为400~700℃,溅射功率为3kw~5kw,溅射压力为1~10mTorr,厚度为15~35nm;缓冲
层可为溅射得到的AlN缓冲层,且AlN缓冲层的溅射温度为400~700℃溅射功率为3kw~
5kw,溅射压力为1~10mTorr,厚度为15~35nm;非掺杂GaN层的生长温度为1000~1200℃,
生长压力为100~500Torr,厚度为1~3微米;n型层为n型GaN层,n型GaN层的生长温度为
1000~1200℃,生长压力为100~300Torr,厚度为1~5微米;发光层包括交替生长的AlGaN
垒层与InGaN阱层,AlGaN垒层与InGaN阱层的生长温度分别为850~960℃与720~830℃,生
长压力为100~300Torr;p型层为p型GaN层,p型GaN层的生长温度为900~980℃,生长压力
为300~600Torr,厚度为10~30nm。
二极管芯片的发光参数,具体可参考如下表2:
片的生长条件与表1中序号2的外延片的生长条件均相同。
层中的Al的组分含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与第二AlInGaN子层中的
In的组分含量与第一AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等;或第二AlInGaN子层中的Mg
的掺杂浓度与第一AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比值,与第一AlInGaN子层中的Al的组分
含量与第二AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相等;均可提高外延片制备得到的发光二
极管的最大发光功率。且参考表1与表2可知,第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量比值,与第二AlInGaN子层中的In的组分含量与第一
AlInGaN子层中的In的组分含量比值相等;且第二AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度与第一
AlInGaN子层中的Mg的掺杂浓度比值,与第一AlInGaN子层中的Al的组分含量与第二
AlInGaN子层中的Al的组分含量比值相等时,发光二极管的发光功率可以进一步得到提高。
可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离
本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同
变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。