GaN基LED外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种GaN基LED外延片及其制备方法。

背景技术

GaN基LED在效率、可靠性方面均具有较大的优势，是目前应用最为广泛的LED。目前GaN基LED的发光区多采用InGaN-GaN型量子阱结构，其对电子的束缚能力弱，部分电子会进入P型GaN层造成电子泄漏。常用结构是在多量子阱层与P型GaN层之间插入电子阻挡层(一般为AlGaN材质或InAlGaN材质)，但其一者对电子的阻挡作用偏弱，二者也会阻挡空穴进入多量子阱层，造成多量子阱层中电子、空穴浓度不匹配，发光效率下降。另外，传统的GaN材料中Mg的离化率偏低，导致P型GaN层中空穴浓度较低，而电子阻挡层的阻挡则进一步降低了多量子阱层中的空穴密度，电子空穴不匹配程度高，甚至会导致靠近N型GaN层的部分多量子阱只发极微弱的光或者不发光，发光效率大幅下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种GaN基LED外延片，其发光效率高。

为了解决上述问题，本发明公开了一种GaN基LED外延片，包括衬底和依次层叠于所述衬底上的缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Al

其中，γ≤α，γ≤ε，δ≥β，δ≥η。

作为上述技术方案的改进，所述Al

所述Mg掺Al

作为上述技术方案的改进，所述Mg掺Al

作为上述技术方案的改进，所述Al

所述第一AlN层的厚度为5nm～20nm；

所述Al

所述Mg掺Al

所述Mg掺Al

所述第二AlN层的厚度为2nm～6nm；

所述Al

作为上述技术方案的改进，γ＜x＝α＝ε＝y。

作为上述技术方案的改进，δ＞β＝η。

相应的，本发明还公开了一种GaN基LED外延片的制备方法，用于制备上述的GaN基LED外延片，其包括：

提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；

所述电子阻挡层包括依次层叠于所述多量子阱层上的Al

其中，γ≤α，γ≤ε，δ≥β，δ≥η。

作为上述技术方案的改进，所述Al

所述Mg掺Al

且所述Al

作为上述技术方案的改进，所述Al

作为上述技术方案的改进，所述Al

所述第一AlN层的生长温度为920℃～980℃，生长压力为20torr～300torr；

所述Al

所述Mg掺Al

所述Mg掺Al

所述第二AlN层的生长温度为950℃～1000℃，生长压力为20torr～300torr；

所述Al

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明的GaN基LED外延片中，以依次层叠的Al

附图说明

图1是本发明一实施例中GaN基LED外延片的结构示意图；

图2是本发明一实施例中电子阻挡层的结构示意图；

图3是本发明一实施例中GaN基LED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和图2，本发明公开了一种GaN基LED外延片，其包括衬底1和依次设于衬底1上的缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4、电子阻挡层5和P型GaN层6。其中，电子阻挡层5包括依次层叠于多量子阱层4的Al

具体的，Al

具体的，第一AlN层52的厚度为3nm～20nm；第一AlN层52势垒较高，对电子的阻挡作用明显，但过厚也会降低空穴注入效率。优选的，第一AlN层52的厚度为5nm～20nm。更优选的为5nm～15nm。

具体的，Al

具体的，Mg掺Al

具体的，Mg掺Al

具体的，第二AlN层56的厚度为1nm～8nm，优选的为2nm～6nm，更优选的3nm～5nm。

具体的，Al

优选的，在本发明的一个实施例之中，Al

优选的，在本发明的一个实施例之中，Mg掺Al

优选的，在本发明的一个实施例之中，γ≤α＝x＝ε＝y。基于各层对Al组分占比的控制，可进一步提升对电子的阻挡效率。

优选的，在本发明的一个实施例之中，δ≥β＝η，基于对各层中In组分的控制，可优化对空穴的储存功能，进一步提升发光效率。

其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底或SiC衬底，但不限于此。优选的为硅衬底。

其中，缓冲层2为AlN层或GaN层，其厚度为20nm～50nm。

其中，N型GaN层3的掺杂元素为Si，但不限于此。N型GaN层3的掺杂浓度为1×10

其中，多量子阱层4为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数3～15。单个InGaN量子阱层的厚度为3nm～5nm，单个GaN量子垒层的厚度为5nm～15nm。

其中，P型GaN层6的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层6中Mg的掺杂浓度为5×10

优选的，在本发明的一个实施例之中，GaN基LED外延片还包括本征GaN层7，其设于缓冲层2与N型GaN层3之间。具体的，本征GaN层7的厚度为1μm～4μm。

相应的，参考图3，本发明还公开了一种GaN基LED外延片的制备方法，用于制备上述的GaN基LED外延片，其包括以下步骤：

S1：提供衬底；

S2：在衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；

优选的，在本发明的一个实施例之中，步骤S2包括以下步骤：

S21：在衬底上生长缓冲层：

其中，在本发明的一个实施例之中，采用MOCVD生长AlN层，其生长温度为700℃～800℃，生长压力为100torr～300torr。

S22：在缓冲层上生长本征GaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长本征GaN层，其生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100torr～500torr。

S23：在本征GaN层上生长N型GaN层；

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长N型GaN层，其生长温度为1100℃～1150℃，生长压力为100torr～500torr。

S24：在N型GaN层上生长多量子阱层；

其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层，直至得到多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为750℃～800℃，生长压力为100torr～300torr。GaN量子垒层的生长温度为800℃～900℃，生长压力为100torr～300torr。

S25：在多量子阱层上生长电子阻挡层；

具体的，步骤S25包括以下步骤：

S251：在多量子阱层上生长Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Al

S252：在Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长第一AlN层，其生长温度为生长温度为920℃～980℃，生长压力为20torr～300torr。

S253：在第一AlN层上生长Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Al

S254：在Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Mg掺Al

S255：在Mg掺Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Mg掺Al

S256：在Mg掺Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长第二AlN层，其生长温度为950℃～1000℃，生长压力为20torr～300torr。

S257：在第二AlN层上生长Al

其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长Al

优选的，在本发明的一个实施例中，Al

优选的，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之中，通过MOCVD生长P型GaN层，其生长温度为950℃～1100℃，生长压力为100torr～300torr。

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GaN基LED外延片，其包括衬底1和依次层叠与衬底1上的缓冲层2、本征GaN层7、N型GaN层3、多量子阱层4、电子阻挡层5和P型GaN层6。其通过MOCVD制成。

其中，缓冲层2为AlN层，其厚度为35nm，其生长温度为750℃，生长压力为200torr。本征GaN层7的厚度为2.5μm，其生长温度为1120℃，生长压力为300torr。N型GaN层3的厚度为2.5μm，Si掺杂浓度为4×10

其中，多量子阱层4为周期性结构，其周期数为10，每个周期的多量子阱层4均包括依次层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，其生长温度为780℃，生长压力为250torr；GaN量子垒层的厚度为12nm，其生长温度为870℃，生长压力为250torr。

其中，电子阻挡层5包括依次层叠于多量子阱层4的Al

其中，P型GaN层的厚度为120nm，Mg掺杂浓度为8×10

实施例2

本实施例提供一种GaN基LED外延片，其与实施例1的区别在于：

Al

其余均与实施例1相同。

实施例3

本实施例提供一种GaN基LED外延片，其与实施例2的区别在于：

Mg掺Al

其余均与实施例2相同。

实施例4

本实施例提供一种GaN基LED外延片，其与实施例3的区别在于：

x＝y＝α＝ε＝0.52，γ＝0.36；

β＝η＝0.05，δ＝0.12。

其余均与实施例3相同。

实施例5

本实施例提供一种GaN基LED外延片，其与实施例4的区别在于：

Al

其余均与实施例4相同。

对比例1

本对比例提供一种GaN基LED外延片，其与实施例1的区别在于：

电子阻挡层为AlGaN层，其Al组分占比为0.5，厚度为40nm。其生长温度为1050℃，生长压力为300torr。

将实施例1～实施例5，对比例1所得的GaN基LED外延片制成10mil×24mil的芯片，在60mA电流下测试光输出效率。结果如下表所示：

由表中可以看出，当将传统的GaN基LED外延片(对比例1)中的电子阻挡层替换为本发明的电子阻挡层时，光效提升。

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。