发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

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基发光二极管是目前应用最广泛的发光二极管，其有源区一般为InGaN势阱层和GaN势垒层周期性层叠组成的复合结构。传统的有源区存在以下问题：(1)有源区由于高In组分，In原子很大，并且有源区生长温度低，导致有源区晶格质量很差，形成漏电通道，影响抗静电能力，并且缺陷会作为非辐射复合中心，影响发光效率。(2)由于势阱层InGaN材料和势垒层GaN材料异质结间存在严重的晶格失配，导致势阱层受到压电极化产生能带倾斜，从而导致电子和空穴在空间上分离而影响发光效率，并且引起了在注入不同大小电流下，发光波长差异大的问题。

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，其可有效提升发光二极管的发光效率、抗静电能力和波长均匀性。

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，波长均匀性高。

为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，其包括衬底和依次生长于所述衬底上的形核层、本征GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的势阱层、过渡层和势垒层；所述过渡层包括WS

作为上述技术方案的改进，所述WS

作为上述技术方案的改进，所述过渡层包括依次层叠的In

所述势阱层为In

作为上述技术方案的改进，x为0.01-0.3，y为0.1～0.5；

所述In

作为上述技术方案的改进，所述势阱层的厚度为2-5nm，所述势垒层的厚度为6-12nm。

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，依次在所述衬底上生长形核层、本征GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；所述有源层为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的势阱层、过渡层和势垒层；所述过渡层包括WS

作为上述技术方案的改进，所述第一WS

作为上述技术方案的改进，所述过渡层还包括In

所述In

作为上述技术方案的改进，所述In

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、本发明的有源层的势阱层、势垒层之间设置有过渡层，过渡层包括WS

2、本发明的有源层的势阱层、势垒层之间设置有过渡层，过渡层包括依次层叠的In

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有源层的结构示意图；

图3是本发明另一实施例中有源层的结构示意图；

图4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，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底1和依次生长于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。其中，有源层5为周期性结构，其周期数≥2，优选的，周期数为3-15。每个周期均包括依次层叠的势阱层51、过渡层52和势垒层53。具体的，在本发明的一个实施例之中，过渡层52为WS

具体的，过渡层52(WS

具体的，势阱层51可为AlGaN层或InGaN层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，势阱层51为In

具体的，势垒层52可为GaN层或AlGaN层，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，势垒层52为GaN层。势垒层52的厚度为3-20nm，示例性的为4nm、6nm、8nm、10nm、12nm、14nm、16nm或18nm，但不限于此。优选的，势垒层52的厚度为6-12nm。

优选的，参考图3，在本发明的另一个实施例之中，过渡层52包括依次层叠的In

具体的，在该实施例中，x为0.01-0.3，示例性的为0.05、0.07、0.1、0.14、0.22或0.28，但不限于此。y为0.1-0.5，示例性的为0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4或0.45，但不限于此。

具体的，在该实施例中，In

具体的，在该实施例中，WS

其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、GaN衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。

其中，形核层2可为AlN层、AlGaN层，但不限于此。形核层2的厚度为20-100nm，示例性的为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm或80nm，但不限于此。

其中，本征GaN层3的厚度为300-800nm，示例性的为350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或750nm，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5×10

其中，电子阻挡层6为Al

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5×10

相应的，参考图4，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；其具体包括：

S1：提供衬底；

优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底在1000-1200℃，200-600torr，H

S2：在衬底上依次生长形核层、本征GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；

具体地，S2包括：

S21：在衬底上生长形核层；

其中，可通过PVD生长AlN层，作为形核层；或可通过MOCVD生长AlGaN层或AlN层，作为形核层，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AlGaN层，作为形核层，其生长温度为500-700℃，生长压力为200-400torr。在生长过程中，以N

S22：在形核层上生长本征GaN层；

具体的，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长本征GaN层，其生长温度为1100-1150℃，生长压力为100-500torr。在生长过程中，以N

S23：在本征GaN层上生长N型GaN层；

具体的，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长N型GaN层，其中，生长温度为1100℃-1150℃，生长压力为100-500torr。在生长过程中，以N

S24：在N型GaN层上生长有源层；

具体的，S24包括：

S241：生长势阱层；

具体的，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长InGaN层，作为势阱层。其中，生长温度为700-800℃，生长压力为100-500torr。在生长过程中，以N

S242：在势阱层上生长过渡层；

具体的，在本发明的一个实施例之中，其中，可通过CVD、PVT生长WS

在本发明的另一个实施例之中，在势阱层上依次生长In

S243：在过渡层上生长势垒层；

具体的，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长GaN层，作为势阱层。其中，生长温度为800-900℃，生长压力为100-500torr。在生长过程中，以N

S244：周期性重复步骤S241～S243，直至得到有源层。

S25：在有源层上生长电子阻挡层；

其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中生长电子阻挡层。具体的，在有源层上交替生长Al

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中，在MOCVD中生长P型GaN层，其生长温度为800-1000℃，生长压力为100-300torr。生长过程中，以N

下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1和图2，其包括衬底1和依次生长于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。

其中，衬底1为蓝宝石衬底。形核层2为AlGaN层，其厚度为30nm。本征GaN层3的厚度为400nm。N型GaN层4中Si的掺杂浓度为9×10

其中，有源层5为势阱层51(In

其中，电子阻挡层6为Al

其中，P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×10

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，将衬底加载到MOCVD反应室中，在1150℃，400torr，H

(2)在衬底上生长形核层；

具体地，在MOCVD生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为650℃，生长压力为250torr。在生长过程中，以N

(3)在形核层上生长本征GaN层；

具体的，在MOCVD中生长本征GaN层。生长温度为1140℃，生长压力为300torr。生长过程中，以N

(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1140℃，生长压力为300torr，以N

(5)生长势阱层；

具体地，通过MOCVD生长In

(6)在势阱层上生长过渡层；

具体的，通过CVD生长WS

(7)在过渡层上生长势垒层；

具体的，在MOCVD中生长GaN层，作为势垒层。其生长温度为850℃，生长压力为300torr，以N

(8)周期性重复步骤(5)～(7)，直至得到有源层；

(9)在有源层上生长电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性生长Al

(10)在电子阻挡层上生长P型GaN层；

具体的，生长温度为950℃，生长压力为220torr，以N

实施例2

本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1和图2，其包括衬底1和依次生长于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。

其中，衬底1为蓝宝石衬底。形核层2为AlGaN层，其厚度为30nm。本征GaN层3的厚度为400nm。N型GaN层4中Si的掺杂浓度为9×10

其中，有源层5为势阱层51(In

其中，电子阻挡层6为Al

其中，P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×10

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，将衬底加载到MOCVD反应室中，在1150℃，400torr，H

(2)在衬底上生长形核层；

具体地，在MOCVD生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为650℃，生长压力为250torr。在生长过程中，以N

(3)在形核层上生长本征GaN层；

具体的，在MOCVD中生长本征GaN层。生长温度为1140℃，生长压力为300torr。生长过程中，以N

(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1140℃，生长压力为300torr，以N

(5)生长势阱层；

具体地，通过MOCVD生长In

(6)在势阱层上生长In

具体的，通过MOCVD生长MOCVD生长In

(7)在In

具体的，通过CVD生长WS

(8)在WS

具体的，在MOCVD中生长GaN层，作为势垒层。其生长温度为850℃，生长压力为300torr，以N

(9)周期性重复步骤(5)～(8)，直至得到有源层；

(10)在有源层上生长电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性生长Al

(11)在电子阻挡层上生长P型GaN层；

具体的，生长温度为950℃，生长压力为220torr，以N

实施例3

本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1和图2，其包括衬底1和依次生长于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。

其中，衬底1为蓝宝石衬底。形核层2为AlGaN层，其厚度为30nm。本征GaN层3的厚度为400nm。N型GaN层4中Si的掺杂浓度为9×10

其中，有源层5为势阱层51(In

其中，电子阻挡层6为Al

其中，P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×10

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，将衬底加载到MOCVD反应室中，在1150℃，400torr，H

(2)在衬底上生长形核层；

具体地，在MOCVD生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为650℃，生长压力为250torr。在生长过程中，以N

(3)在形核层上生长本征GaN层；

具体的，在MOCVD中生长本征GaN层。生长温度为1140℃，生长压力为300torr。生长过程中，以N

(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1140℃，生长压力为300torr，以N

(5)生长势阱层；

具体地，通过MOCVD生长In

(6)在势阱层上生长In

具体的，通过MOCVD生长MOCVD生长In

(7)在In

具体的，通过CVD生长WS

(8)在WS

具体的，在MOCVD中生长GaN层，作为势垒层。其生长温度为850℃，生长压力为300torr，以N

(9)周期性重复步骤(5)～(8)，直至得到有源层；

(10)在有源层上生长电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性生长Al

(11)在电子阻挡层上生长P型GaN层；

具体的，生长温度为950℃，生长压力为220torr，以N

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，有源层不包括过渡层；相应的，制备方法中也不包括制备该层的步骤(即步骤(6))，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，过渡层为In

将实施例1-3、对比例1-2得到的外延片测试发光均匀性，然后将外延片加工制作成10×24mil具有垂直结构的LED芯片，测试其抗静电能力和亮度；

具体的测试方法为：

(1)制备得到的外延片采用IM-1130型PL光谱仪测定其在1mA和5mA的发光波长，然后计算发光波长差，作为发光均匀性。

(2)抗静电性能测试：在HBM(人体放电模型)模型下运用静电仪对芯片的抗静电性能进行测试，测试芯片能承受反向6000V静电的通过比例；

(3)亮度：在通入电流120mA时，测试所得芯片的亮度；

具体测试结果如下表所示：

由表中可以看出，当采用本发明的有源层后，外延片的波长均匀性、亮度、抗静电性能均有明显提升。

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。