一种辐射复合效率高的发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种辐射复合效率高的发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

近年来，III族氮化物半导体作为高电子迁移率晶体管(HEMT)、激光器(LDs)和LEDs等大功率器件的理想材料已吸引了科学家们的大量关注。由于具有高的发光效率和绿色环保等优点，InGaN基MQW LED正逐步取代传统照明(如：卤素灯、白炽灯和荧光灯)成为新一代照明光源，使我们进入真正的固态照明时代。

InGaN/GaN多量子阱(MQW)作为GaN基LED异质结构中的核心组成部分，它的作用是促使电子限制在更多的量子阱中，以减少电子向p-GaN的泄漏，此外还能降低量子阱有源区的载流子密度，减小载流子之间(如电子-电子，空穴-空穴)的散射，减少俄歇复合。目前沉积的有源层包括多个交替量子阱层和量子垒层，其中多层量子阱厚度一致，禁带宽度也一致。

量子阱的禁带宽度越低，其In组分越高，由于InN和GaN的晶格常数差异大，InGaN阱与GaN垒之间存在较大的晶格失配，因此较高的In组分导致生长InGaN/GaN多量子阱时就容易产生失配位错，而这些位错一般充当非辐射复合中心，降低量子阱层的发光效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种辐射复合效率高的发光二极管外延片及其制备方法。

本发明采用以下技术方案：一种辐射复合效率高的发光二极管外延片，包括：衬底，在所述衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和p型GaN层；

所述有源层包括周期性依次交替层叠的复合量子阱层和量子垒层，所述复合量子阱层为InGaN层，单个周期内的所述复合量子阱层的禁带宽度不变，不同周期内的所述复合量子阱层的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变。

本发明一实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片，通过使不同周期内的复合量子阱层的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，即复合量子阱层的In组分沿外延生长方向逐渐升高，从而降低了能够使禁带宽度变大的掺杂元素的掺杂含量，提高了能够使禁带宽度变小的掺杂元素的掺杂含量，提高了复合量子阱的晶体质量，减少InGaN失配位错，即减少了非辐射复合中心，提高了量子阱辐射复合效率；由于In原子的黏土效应，捕获电子与空穴发生复合，因靠近n型GaN层的复合量子阱层的In组分较低，可以降低电子在靠近n型GaN层的复合量子阱层捕获的概率，提高了电子与空穴在空间波函数的重叠度，提高了量子阱层的发光效率。

进一步的，所述复合量子阱层内的掺杂元素为Ga、In、Al、B、P中的至少一种。

进一步的，不同周期内的所述复合量子阱层的禁带宽度均小于所述量子垒层的禁带宽度。

进一步的，所述复合量子阱层的厚度为1nm～10nm。

进一步的，所述有源层中所述复合量子阱层和所述量子垒层的交替层叠的周期数为2～20个。

进一步的，所述量子垒层为AlGaN层，其厚度为1nm～50nm，Al组分为0.05～0.5。

一种辐射复合效率高的发光二极管外延片的制备方法，所述方法用于制备上述的辐射复合效率高的发光二极管外延片，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上沉积缓冲层；

对已沉积所述缓冲层的所述衬底进行预处理；

在所述缓冲层上沉积非掺杂GaN层；

在所述非掺杂GaN层上沉积n型GaN层；

在所述n型GaN层上沉积有源层，所述有源层包括周期性依次交替层叠的复合量子阱层和量子垒层；

在所述量子垒层上沉积电子阻挡层；

在所述电子阻挡层上沉积p型GaN层。

本发明一实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片的制备方法，通过使不同周期内的复合量子阱层的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，即复合量子阱层的In组分沿外延生长方向逐渐升高，从而降低了能够使禁带宽度变大的掺杂元素的掺杂含量，提高了能够使禁带宽度变小的掺杂元素的掺杂含量，提高了复合量子阱的晶体质量，减少InGaN失配位错，即减少了非辐射复合中心，提高了量子阱辐射复合效率；由于In原子的黏土效应，捕获电子与空穴发生复合，因靠近n型GaN层的复合量子阱层的In组分较低，可以降低电子在靠近n型GaN层的复合量子阱层捕获的概率，提高了电子与空穴在空间波函数的重叠度，提高了量子阱层的发光效率。

进一步的，在沉积所述复合量子阱层时，通过调控所述复合量子阱层的掺杂元素的组分，使单个周期内的所述复合量子阱层的禁带宽度不变，不同周期内的所述复合量子阱层的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变。

进一步的，所述复合量子阱层的生长温度为700℃～1000℃，生长气氛为成分比为10:1～1:10的N

进一步的，所述量子垒层的生长温度为800℃～1000℃，生长压力为50torr～300torr。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片的结构示意图；

图2为图1中局部A的放大示意图；

图3为本发明第二实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片制备方法的流程图。

附图标记说明：

100、衬底；200、缓冲层；300、非掺杂GaN层；400、n型GaN层；500、有源层；510、复合量子阱层；520、量子垒层；600、电子阻挡层；700、p型GaN层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

实施例一

参照图1至图2，本发明的第一实施例，一种辐射复合效率高的发光二极管外延片，包括：衬底100，在衬底100上依次沉积的缓冲层200、非掺杂GaN层300、n型GaN层400、有源层500、电子阻挡层600和p型GaN层700；有源层500包括周期性依次交替层叠的复合量子阱层510和量子垒层520，复合量子阱层510为InGaN层，单个周期内的复合量子阱层510的禁带宽度不变，不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变。

复合量子阱层510内的掺杂元素为Ga、In、Al、B、P中的至少一种，通过掺杂不同元素可以使得采用本发明的发光二极管外延片制备的LED芯片发出不同颜色的光，而且通过调整掺杂元素的掺杂含量可以配合调控复合量子阱层510的禁带宽度。

本实施例中，衬底100选用蓝宝石衬底，蓝宝石是目前最常用的GaN基LED衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性；缓冲层200为AlN层，厚度为15nm；非掺杂GaN层300厚度为3um；n型GaN层400厚度为2.5um，Si掺杂浓度为2.5E19atoms/cm

不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度均小于量子垒层的禁带宽度；复合量子阱层510的厚度为1nm～10nm；有源层500中复合量子阱层510和量子垒层520的交替层叠的周期数为2～20个；量子垒层520为AlGaN层，其厚度为1nm～50nm，Al组分为0.05～0.5；本实施例中，复合量子阱层510内的掺杂元素为Ga、In两种，其禁带宽度沿外延生长方向由3eV逐渐降低至2.7eV，厚度为3.5nm；有源层500的复合量子阱层510和量子垒层520交替层叠周期数为10个；量子垒层520厚度为10nm，Al组分为0.1。

本发明一实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片，通过使不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，即复合量子阱层510的In组分沿外延生长方向逐渐升高，从而降低了能够使禁带宽度变大的掺杂元素的掺杂含量，提高了能够使禁带宽度变小的掺杂元素的掺杂含量，提高了复合量子阱的晶体质量，减少InGaN失配位错，即减少了非辐射复合中心，提高了量子阱辐射复合效率；由于In原子的黏土效应，捕获电子与空穴发生复合，因靠近n型GaN层的复合量子阱层510的In组分较低，可以降低电子在靠近n型GaN层400的复合量子阱层510捕获的概率，提高了电子与空穴在空间波函数的重叠度，提高了量子阱层的发光效率。

实施例二

参照图3，本发明还提出一种辐射复合效率高的发光二极管外延片的制备方法，方法用于制备上述的辐射复合效率高的发光二极管外延片，制备方法包括：

S1：提供一衬底100；衬底100可选用蓝宝石衬底、SiO

S2：在衬底100上沉积缓冲层200；选用在应用材料PVD中沉积材料为AlN的缓冲层200，其厚度为15nm，采用AlN材料的缓冲层200提供了与衬底100取向相同的成核中心，释放了GaN和衬底100之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长。

在本实施例中，采用中微A7 MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机气相沉积，简称MOCVD)设备，高纯H

S3：对已沉积缓冲层200的衬底100进行预处理；将已镀完缓冲层200的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H

S4：在缓冲层200上沉积非掺杂GaN层300；非掺杂GaN层300的生长温度为1050℃～1200℃，压力为100torr～600torr，厚度为1um～5um；本实施例中，非掺杂GaN层300生长温度为1100℃，生长压力为150torr，生长厚度为3um，非掺杂GaN层300生长温度较高，压力较低，制备的到GaN的晶体质量较优，同时厚度随着GaN厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低，但提高GaN层厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了LED的外延成本，因此LED外延片的非掺杂GaN生长3um，不仅节约生产成本，而且GaN材料又具有较高的晶体质量。

S5：在非掺杂GaN层300上沉积n型GaN层400；n型GaN层400生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr，厚度为2um～3um，Si掺杂浓度为1E19atoms/cm

S6：在n型GaN层400上沉积有源层500，有源层500包括周期性依次交替层叠的复合量子阱层510和量子垒层520；复合量子阱层510为InGaN层，在沉积复合量子阱层510时，通过调控复合量子阱层510的掺杂元素的组分，使单个周期内的复合量子阱层510的禁带宽度不变，不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，复合量子阱层510内的掺杂元素至少为Ga、In、Al、B、P中的一种，复合量子阱层510的禁带宽度小于量子垒层520的禁带宽度，复合量子阱层510的厚度为1nm～10nm，复合量子阱层510的生长温度为700℃～1000℃，生长气氛为成分比为10:1～1:10的N

本实施例中，调试复合InGaN量子阱层禁带宽度的掺杂元素为Ga、In两种元素组成，通过调控Ga、In元素的组分来调控禁带宽度，其In组分逐渐升高，复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由3eV逐渐降低至2.7eV，复合量子阱层510厚度为3.5nm，生长温度795℃，生长气氛为成分比为1:3的N

S7：在量子垒层520上沉积电子阻挡层600；电子阻挡层600为AlInGaN层，厚度为10nm～40nm，生长温度为900℃～1000℃,压力为100torr～300torr，其中Al组分为0.005～0.1,In组分为0.01～0.2；本实施例中，电子阻挡层600厚度为15nm，其中Al组分浓度延外延层生长方向由0.01渐变至0.05，In组分浓度为0.01，生长温度965℃，生长压力200torr，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。

S8：在电子阻挡层600上沉积p型GaN层700；P型GaN层700生长温度900℃～1050℃，厚度为10nm～50nm，生长压力为100torr～600torr,Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm

本发明一实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片的制备方法，通过使不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，即复合量子阱层510的In组分沿外延生长方向逐渐升高，从而降低了能够使禁带宽度变大的掺杂元素的掺杂含量，提高了能够使禁带宽度变小的掺杂元素的掺杂含量，提高了复合量子阱的晶体质量，减少InGaN失配位错，即减少了非辐射复合中心，提高了量子阱辐射复合效率；由于In原子的黏土效应，捕获电子与空穴发生复合，因靠近n型GaN层400的复合量子阱层510的In组分较低，可以降低电子在靠近n型GaN层400的复合量子阱层捕获的概率，提高了电子与空穴在空间波函数的重叠度，提高了量子阱层的发光效率。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了3％，具体结果如表1所示。

实施例三

本实施例与实施例二的不同之处在于：本实施例中，复合量子阱层510厚度为5nm，复合量子阱层510与量子垒层520交替层叠的周期数为2，量子垒层520的厚度为1nm，量子垒层520中Al组分为0.05。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了2.5％，具体结果如表1所示。

实施例四

本实施例与实施例二的不同之处在于：本实施例中，复合量子阱层510厚度为3nm，复合量子阱层510与量子垒层520交替层叠的周期数为5，量子垒层520的厚度为8nm，量子垒层520中Al组分为0.07。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了2.8％，具体结果如表1所示。

实施例五

本实施例与实施例二的不同之处在于：本实施例中，复合量子阱层510厚度为5nm，复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由3.2eV逐渐降低至2.7eV，复合量子阱层510与量子垒层520交替层叠的周期数为12，量子垒层520的厚度为15nm，量子垒层520中Al组分为0.15。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了2.4％，具体结果如表1所示。

实施例六

本实施例与实施例二的不同之处在于：本实施例中，复合量子阱层510厚度为7nm，复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由3eV逐渐降低至2.5eV，复合量子阱层510与量子垒层520交替层叠的周期数为8，量子垒层520的厚度为20nm，量子垒层520中Al组分为0.2。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了2.20％，具体结果如表1所示。

实施例七

本实施例与实施例二的不同之处在于：本实施例中，复合量子阱层510厚度为8nm，有源层500的复合量子阱层510和量子垒层520交替层叠周期数为15个，量子垒层520的厚度为35nm，量子垒层520中Al组分为0.35。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了2.0％，具体结果如表1所示。

实施例八

本实施例与实施例二的不同之处在于：本实施例中，复合量子阱层510厚度为10nm，有源层500的复合量子阱层510和量子垒层520交替层叠周期数为20个，量子垒层520的厚度为50nm，量子垒层520中Al组分为0.5。

本实施例制备方法制备的辐射复合效率高的发光二极管外延片与对照例制备的发光二极管外延片规格相同，经测试仪器测试光效较对照例提升了1.8％，具体结果如表1所示。

对照例

本对照例采用现有制备技术制备的发光二极管外延片，其有源层为厚度3.2nm的InGaN量子阱层与厚度为9.5nm的AlGaN量子垒层交替层叠10个周期而成，InGaN量子阱层的禁带宽度不变，通过测试仪器测试应用该外延片的发光二极管的光效为223lm/W。

表1：各实施例及对照例的部分参数比对以及对应光效提升的对比表

从表1可知，本发明通过调整复合量子阱层510内In组分含量及掺杂元素的掺杂含量，使不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，通过调整复合量子阱层510的厚度、复合量子阱层510和量子垒层520交替层叠的周期数、量子垒层520的厚度及其Al组分，使得采用本发明制备方法得到的辐射复合效率高的发光二极管外延片相对于对照例制备的发光二极管外延片本发明的光效得到有效提升。

综上，本发明一实施例的辐射复合效率高的发光二极管外延片，通过使不同周期内的复合量子阱层510的禁带宽度沿外延生长方向由宽变窄线性渐变，即复合量子阱层510的In组分沿外延生长方向逐渐升高，从而降低了能够使禁带宽度变大的掺杂元素的掺杂含量，提高了能够使禁带宽度变小的掺杂元素的掺杂含量，提高了复合量子阱的晶体质量，减少InGaN失配位错，即减少了非辐射复合中心，提高了量子阱辐射复合效率；由于In原子的黏土效应，捕获电子与空穴发生复合，因靠近n型GaN层400的复合量子阱层510的In组分较低，可以降低电子在靠近n型GaN层400的复合量子阱层510捕获的概率，提高了电子与空穴在空间波函数的重叠度，提高了量子阱层的发光效率。

在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。