CN109244199A - 一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片，属于发光二极管技术领域。衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、复合层、InGaN/GaN多量子阱层与P型GaN层时，复合层中N型低压AlN层的生长压力为100～200Torr，此时N型低压AlN层与N型GaN层连接良好，N型低压AlN层的生长质量得到保证，且未掺杂AlGaN层既含有与AlN层共用的Al原子与N原子，又含有与InGaN/GaN多量子阱层中共用的Ga原子与N原子，因此未掺杂AlGaN层与InGaN/GaN多量子阱层的晶体质量都有保证。复合层中的N型低压AlN层在保证进入InGaN/GaN多量子阱层的电子数量的同时增大电子进入InGaN/GaN多量子阱层的面积，提高发光二极管的发光效率且复合层的整体晶体质量较好，发光二极管的发光效率能够得到较大提高。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片。
背景技术
发光二极管具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。
现有的发光二极管的外延片主要包括衬底和依次层叠在衬底上的缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、InGaN/GaN多量子阱层和P型GaN层，其中N型AlGaN层可作为电子提供源，且由于N型AlGaN层有较高的势垒，因此N型AlGaN层可在提供电子的同时也起到电流扩展的作用，在保证进入InGaN/GaN多量子阱层的电子数量的同时增大电子进入InGaN/GaN多量子阱层的面积，提高发光二极管的发光效率。
但在N型AlGaN层进行生长时，一方面由于N型AlGaN层与N型GaN层之间存在一定的晶格失配，使N型AlGaN层中会存在部分缺陷，N型AlGaN层中存在的这些缺陷都会对在N型AlGaN层上生长的InGaN/GaN多量子阱层的质量造成影响，使得N型AlGaN层的增加对发光二极管的发光效率的提高有限。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片，能够进一步提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长复合层；
在所述复合层上生长InGaN/GaN多量子阱层；
在所述InGaN/GaN多量子阱层上生长P型GaN层；
其中，所述复合层包括依次生长的N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层，所述N型低压AlN层的生长压力为100～200Torr。
可选地，所述复合层的生长厚度为50～180nm。
可选地，所述N型低压AlN层的生长厚度为25～90nm。
可选地，所述未掺杂AlGaN层的生长厚度为25～90nm。
可选地，在生长所述N型低压AlN层时：
向反应腔内通入100～200sccm的气态Al。
可选地，所述N型低压AlN层中掺杂的Si浓度为1018cm-3～5×1018cm-3。
可选地，所述N型低压AlN层的生长温度与所述未掺杂AlGaN层的生长温度均为800～1100℃。
可选地，在生长所述未掺杂AlGaN层时：
向反应腔内通入100～200sccm的气态Al。
可选地，所述未掺杂AlGaN层的生长压力为300～500Torr。
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述发光二极管的外延片采用如前所述的方法制备，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、N型GaN层、复合层、InGaN/GaN多量子阱层、P型GaN层，其中，所述复合层包括依次生长的N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、复合层、InGaN/GaN多量子阱层与P型GaN层。生长复合层时包括依次生长N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层，其中N型低压AlN层在生长压力为100～200Torr的条件下生长时，N型低压AlN层中Al原子会较多地渗入N型GaN层中，Al原子与N型GaN层中的Ga原子产生相互拉应力，使得N型低压AlN层能够在N型GaN层上生长良好，N型低压AlN层的生长质量得到保证，且未掺杂AlGaN层既含有与AlN层共用的Al原子与N原子，又含有与InGaN/GaN多量子阱层中共用的Ga原子与N原子，因此未掺杂AlGaN层能够在N型低压AlN层上良好生长的同时也能够实现N型低压AlN层与InGaN/GaN多量子阱层的良好连接，N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层本身的生长质量得到保证。复合层中的N型低压AlN层在保证进入InGaN/GaN多量子阱层的电子数量的同时增大电子进入InGaN/GaN多量子阱层的面积，提高发光二极管的发光效率且复合层的整体晶体质量较好，发光二极管的发光效率能够得到较大提高。
附图说明
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。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图。如图1所示，制备方法包括：
S11：提供一衬底。
S12：在衬底上生长缓冲层。
S13：在缓冲层上生长N型GaN层。
S14：在N型GaN层上生长复合层。
其中，复合层包括依次生长的N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层，N型低压AlN层的生长压力为100～200Torr。
S15：在复合层上生长InGaN/GaN多量子阱层。
S16：在InGaN/GaN多量子阱层上生长P型GaN层。
在衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、复合层、InGaN/GaN多量子阱层与P型GaN层。生长复合层时包括依次生长N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层，其中N型低压AlN层在生长压力为100～200Torr的条件下生长时，N型低压AlN层中Al原子会较多地渗入N型GaN层中，Al原子与N型GaN层中的Ga原子产生相互拉应力，使得N型低压AlN层能够在N型GaN层上生长良好，N型低压AlN层的生长质量得到保证，且未掺杂AlGaN层既含有与AlN层共用的Al原子与N原子，又含有与InGaN/GaN多量子阱层中共用的Ga原子与N原子，因此未掺杂AlGaN层能够在N型低压AlN层上良好生长的同时也能够实现N型低压AlN层与InGaN/GaN多量子阱层的良好连接，N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层本身的生长质量得到保证。复合层中的N型低压AlN层在保证进入InGaN/GaN多量子阱层的电子数量的同时增大电子进入InGaN/GaN多量子阱层的面积，提高发光二极管的发光效率且复合层的整体晶体质量较好，发光二极管的发光效率能够得到较大提高。
执行完步骤S16之后的外延片的结构示意图可见图2，图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图2所示，外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、N型GaN层3、复合层4、InGaN/GaN多量子阱层5、P型GaN层6，其中，复合层包括依次生长的N型低压AlN层41与未掺杂AlGaN层42，InGaN/GaN多量子阱层5包括交替层叠的InGaN阱层51与GaN磊层52。
采用图1中所述方法得到的该外延片中，N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层的晶体质量较好，能够减少发光二极管的外延片中的缺陷，提高发光二极管的发光效率，并且由于N型低压AlN层的势垒较高且N型低压AlN层本身可提供一定数量的电子，复合层在扩展电流的同时可保证进入InGaN/GaN多量子阱层中的电子数量，总体可进一步提高发光二极管的发光效率。
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图。如图3所示，制备方法包括：
S21：提供一衬底。
在衬底上生长缓冲层之前，可在氢气气氛中对衬底进行退火处理。以对衬底的表面进行清洁处理，保证在衬底上生长的外延层的质量。
退火温度可为1000～1200℃，退火时间可为8分钟。
进一步地，在对衬底进行退火处理之后还可对衬底进行氮化处理，即在衬底的表面生长AlN层，减小衬底与外延层之间的晶格失配。
可选地，步骤S21中的衬底可为蓝宝石衬底、硅衬底或者碳化硅衬底，本发明对此不做限制。
S22：在衬底上生长缓冲层。
可选地，缓冲层可包括依次生长的低温GaN成核层与未掺杂GaN层。
其中，低温GaN成核层的生长温度可为400～600℃，低温GaN成核层的生长压力可为400～600Torr。
低温GaN成核层的生长厚度可为15～35nm。这种条件下得到的低温GaN成核层的质量较好，能够保证在其上生长得到的外延层的晶体质量。
进一步地，在低温GaN成核层上生长未掺杂GaN层之前，可对低温GaN成核层进行原位退火处理，原味退火温度在1000～1200℃，原味退火时间在5～10min之间。原味退火处理可减小低温GaN成核层中的晶体缺陷，保证低温GaN成核层的晶体质量，进而保证发光二极管的发光效率。
示例性地，未掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，未掺杂GaN层的生长厚度可为1～5μm，未掺杂GaN层的生长压力可为100～500Torr。这种条件下得到的未掺杂GaN层的质量较好，能够保证在未掺杂GaN层上生长得到的外延层的晶体质量。
S23：在缓冲层上生长N型GaN层。
步骤S23中，N型GaN层中的掺杂元素可为Si，N型GaN层中Si元素的掺杂浓度可为1018～1019cm-3。
进一步地，N型GaN层的生长厚度可为1～5μm，N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，N型GaN层的生长压力可为100～00Torr。这种生长条件下得到的N型GaN层的质量较好，能够保证其提供足够的电子数量。
S24：在N型GaN层上生长复合层。
其中，复合层包括依次生长的N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层，N型低压AlN层的生长压力为100～200Torr。
可选地，复合层的生长厚度可为50～180nm。复合层的生长厚度在以上范围时，可使得复合层整体的晶体质量较好，且复合层的晶体表面的平整性较好，保证发光二极管中整体外延层的生长质量。
其中，N型低压AlN层的生长厚度可为25～90nm。N型低压AlN层的生长厚度在此范围时，N型低压AlN层的晶体质量较好。
进一步地，未掺杂AlGaN层的生长厚度可为25～90nm。未掺杂AlGaN层的生长厚度在此范围时，未掺杂AlGaN层的晶体质量较好。
可选地，N型低压AlN层的生长厚度与未掺杂AlGaN层的生长厚度的比值范围可为1:2～1:1，此时复合层整体对外延片整体的晶体质量的提升较大，发光二极管的发光效率得到的提升较大。
步骤S24中，在生长N型低压AlN层时，可向反应腔内通入100～200sccm的气态Al。在此条件下得到的N型低压AlN层的质量较好，且可以有效起到扩展电流的作用。
示例性地，N型低压AlN层中掺杂的Si浓度可为1018～5×1018cm-3。此时N型低压AlN层的质量能够得到保证且可提供充足的电子数量。
可选地，在生长未掺杂AlGaN层时，可向反应腔内通入100～200sccm的气态Al。在此条件下得到的未掺杂AlGaN层的质量较好，可保证最终得到的发光二极管的晶体质量。
进一步地，未掺杂AlGaN层的生长压力可为300～500Torr。在此条件下得到的未掺杂AlGaN层的质量较好，可保证最终得到的发光二极管的晶体质量。
示例性地，N型低压AlN层的生长温度与未掺杂AlGaN层的生长温度均可为800～1100℃。此温度条件下可保证复合层整体的生长质量。
S25：在复合层上生长InGaN/GaN多量子阱层。
其中，InGaN/GaN多量子阱层包括交替生长的InxGa1-xN阱层与GaN磊层，其中0<x<1。
可选地，步骤S25中，InxGa1-xN阱层的生长层数与GaN磊层的生长层数均可为5～15。
示例性地，InxGa1-xN阱层的生长温度可为720～829℃，InxGa1-xN阱层的生长厚度可为3～8nm；GaN磊层的生长生长温度可为850～959℃，GaN磊层的生长厚度可为9～20nm。InxGa1-xN阱层的生长压力与GaN磊层的生长压力均可为100～500Torr。在此条件下能够得到生长质量良好的InGaN/GaN多量子阱层，保证在InGaN/GaN多量子阱层中电子与空穴的复合效率，保证发光二极管的发光效率。
S26：在InGaN/GaN多量子阱层上生长电子阻挡层。
电子阻挡层可为P型AlyGa1-yN，其中0.1<y<0.5。
电子阻挡层的生长温度可为850～1080℃，电子阻挡层生长压力可为200～500Torr，电子阻挡层的生长厚度可为50～150nm。
S27：在电子阻挡层上生长P型GaN层。
P型GaN层的生长厚度可为100～800nm，P型GaN层的生长温度可为850～1080℃，P型GaN层的生长压力可为100～300Torr。
可选地，P型GaN层中的掺杂元素可为Mg。
S28：在P型GaN层上生长P型接触层。
P型接触层的生长厚度可为5～300nm，P型接触层的生长温度可为850～1050℃，P型接触层的生长压力可为100～300Torr。
可选地，在生长完P型接触层之后，可将反应腔的温度设置为650～850℃，在氮气气氛中对外延片进行退火处理，退火时间为5～15min，并将反应腔内的温度降低到室温。这一过程可活跃P型GaN层中的Mg原子活化，以提高P型GaN层中的空穴浓度，有利于提高发光二极管的发光效率。
图4时本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图，执行完步骤S28之后的外延片的结构可见图4，外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的AlN层7、缓冲层2、N型GaN层3、复合层4、InGaN/GaN多量子阱层5、电子阻挡层8、P型GaN层6及P型接触层9，其中，复合层包括N型低压AlN层41与未掺杂AlGaN层42，InGaN/GaN多量子阱层5包括交替层叠的InGaN阱层51与GaN磊层52，缓冲层2包括低温GaN成核层21及未掺杂GaN层22。
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。
Claims (10)
1.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长复合层；
在所述复合层上生长InGaN/GaN多量子阱层；
在所述InGaN/GaN多量子阱层上生长P型GaN层；
其中，所述复合层包括依次生长的N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层，所述N型低压AlN层的生长压力为100～200Torr。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合层的生长厚度为50～180nm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述N型低压AlN层的生长厚度为25～90nm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述未掺杂AlGaN层的生长厚度为25～90nm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，在生长所述N型低压AlN层时：
向反应腔内通入100～200sccm的气态Al。
6.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述N型低压AlN层中掺杂的Si浓度为1018cm-3～5×1018cm-3。
7.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述N型低压AlN层的生长温度与所述未掺杂AlGaN层的生长温度均为800～1100℃。
8.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，在生长所述未掺杂AlGaN层时：
向反应腔内通入100～200sccm的气态Al。
9.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述未掺杂AlGaN层的生长压力为300～500Torr。
10.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述发光二极管的外延片采用如权1所述的方法制备，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、N型GaN层、复合层、InGaN/GaN多量子阱层、P型GaN层，其中，所述复合层包括依次生长的N型低压AlN层与未掺杂AlGaN层。
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