专利名称：一种发光二极管外延片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术：
发光二极管芯片是一种可以直接把电转化为光的固态半导体器件，是发光二极管的核心组件。发光二极管芯片包括GaN基的外延片、以及在外延片上制作的电极。现有的外延片通常包括衬底层、以及依次覆盖在衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、多量子阱层和P型层。其中，衬底层为蓝宝石衬底。多量子阱层是若干量子阱层和若干量子垒层交替形成的。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题由于电子质量小，易迁移，在电场的驱动下可能速度过快而越过多量子阱层，迁移到P型层，导致发光二极管漏电，降低了发光二极管的发光效率。另外，GaN和蓝宝石衬底之间的晶格常数较大，热膨胀系数失配，界面处会产生较强的应力作用和大量的位错和缺陷，这些位错和缺陷将延伸至外延片表面，影响了发光二极管的内量子效率。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下—方面，提供了一种 发光二极管外延片，所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；所述N型扩展层是由若干第一子层和若干第二子层交替形成的超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料，0<χ<1 ;所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。可选地，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一侧，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。可选地，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。具体地，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。其中，所述第一子层中Al的浓度为1% 30%。其中，所述第一子层和所述第二子层的厚度均为I 10nm。另一方面，提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括依次在衬底层上生长缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；生长所述N型扩展层为在所述N型接触层上交替生长若干第一子层和若干第二子层，形成超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料，0〈χ〈1 ;所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。可选地，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一层，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。可选地，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。具体地，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过在N型接触层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0〈χ〈1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。
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是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；图2是本发明实施例一提供的扩展层中Al的浓度层间均匀减小的分布图；图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片制备方法的流程图；图4是本发明实施例三提供的扩展层中Al的浓度层内均匀增大的分布图；图5是本发明实施例三提供的扩展层中Al的浓度层内均匀减小的分布图；附图中各部分标号如下I衬底层，2缓冲层，3非掺杂的GaN层，4N型接触层，5N型扩展层，6多量子阱层，7P型层，a第一子层，b第二子层。
具体实施例方式
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。实施例一参见图1，本发明实施例一提供了一种发光二极管外延片，该外延片包括衬底层1、以及依次覆盖在衬底层I上的缓冲层2、非掺杂的GaN层3、N型接触层4、N型扩展层5、多量子阱层6和P型层7。其中，结合图2，N型扩展层5是由若干第一子层a和若干第二子层b交替形成的超晶格结构。第一子层a采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料，0〈χ〈1。第二子层b采用N型掺杂的GaN作为生长材料。具体地，每层第一子层a中Al的浓度为定值且各层第一子层a中Al的浓度不同，从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。更具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。如N型扩展层4是由十层第一子层a和十层第二子层b交替形成，每层第一子层a中Al的浓度为定值且各层第一子层a中Al的浓度不同，从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度均匀减小，依次为15%、13. 5%、12%、10. 5%,…，1. 5% (见图 2)。 具体地，第一子层a中Al的浓度为1% 30%。具体地，第一子层a和第二子层b的厚度均为I 10nm。本发明实施例一提供的技术方案带来的有益效果是通过在N接触型层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0〈χ〈1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。实施例二参见图3，本发明实施例二提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于实施例一提供的一种发光二极管外延片，该方法包括201 :在衬底层I上生长缓冲层2。具体地，在625°C温度下，在衬底层I上生长一层厚度为30nm的GaN。容易知道，在该步骤之前，该方法还包括清洁衬底层I表面。具体地，将衬底层I在1300°C的H2气氛下进行热处理10分钟，清洁表面。202 :生长非掺杂的GaN层3。具体地，将温度升至1230°C，在缓冲层2上生长一层厚度为2 μ m的非掺杂的GaN。203 生长N型接触层4。具体地，在非掺杂的GaN层3上生长一层厚度为2 μ m的Si掺杂的GaN。容易知道，N型接触层4也可以采用其它掺杂，并不限于Si掺杂。204 生长N型扩展层5。具体地，在N型接触层4上交替生长十层第一子层a和十层第二子层b，形成超晶格结构，生长温度为1220°C。第一子层a的厚度为2. 5nm，采用N型掺杂的AlxGapxN作为生长材料，0〈χ〈1。第二子层b的厚度为2nm，采用N型掺杂的GaN作为生长材料。其中，第一子层a和第二子层b的厚度为I IOnm, 2. 5nm和2nm在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。其中，每层第一子层a中Al的浓度都为1% 30%之间的定值且各层第一子层a中Al的浓度不同，从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。如从N型扩展层5的靠近N型接触层4的一侧到N型扩展层5的靠近多量子阱层6的一侧，若干第一子层a中Al的浓度均匀减小，依次为15%、13. 5%、12%、10. 5%,…，1. 5%。需要说明的是，第一子层a和第二子层b的层数、以及生长温度在此仅为举例，并不作为对本发明的限制，其可以根据实际需要设置。205 :生长多量子讲层6。具体地，在N型扩展层5上交替生长八层量子阱层和八层量子垒层。量子阱层的厚度为3nm，采用InGaN作为生长材料，生长温度为850°C。量子垒层的厚度为12nm，采用GaN作为生长材料，生长温度为950°C。206:生长 P 型层 7。具体 地，在多量子阱层6上生长一层厚度为300nm的P型掺杂的GaN。在具体实现中，本发明实施例二可以采用高纯H2或者N2作为载气，采用TMGa、TMA1, TMIn和NH3分别作为Ga源、Al源、In源和N源，采用分别SiH4和Cp2Mg作为N型和P型掺杂剂，采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片生长。本发明实施例二提供的技术方案带来的有益效果是通过在N型接触层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0〈χ〈1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。实施例三本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，该外延片的结构与实施例一中的外延片的结构基本相同，不同之处在于，结合图4和图5，若干第一子层a中Al的浓度是相同的，每层第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大(见图4)、均匀减小(见图5)、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。本发明实施例三提供的技术方案带来的有益效果是通过在N接触型层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0〈χ〈1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。实施例四本发明实施例四提供了一种发光二极管外延片的制备方法，适用于实施例三提供的一种发光二极管外延片，该方法包括401 :在衬底层I上生长缓冲层2。402 :生长非掺杂的GaN层3。
·
403 生长N型接触层4。404 生长N型扩展层5。405 :生长多量子讲层6。406:生长 P 型层 7。其中，步骤404为在N型接触层4上交替生长十层第一子层a和十层第二子层b，形成超晶格结构，生长温度为1220°C。第一子层a的厚度为2. 5nm，采用N型掺杂的AlxGapxN作为生长材料，0〈χ〈1。第二子层b的厚度为2nm，采用N型掺杂的GaN作为生长材料。若干第一子层a中Al的浓度是相同的，每层第一子层a中Al的浓度有规律地均匀变化。具体地，Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。如每层第一子层a中Al的浓度从1%均匀增大到15%或者从15%均匀减小到1%。其中，第一子层a和第二子层b的厚度为I IOnm,第一子层a中Al的浓度为1% 30%，2. 5nm、2nm、1%、以及15%在此仅为举例，并不作为对本发明的限制。需要说明的是，第一子层a和第二子层b的层数、以及生长温度在此仅为举例，并不作为对本发明的限制，其可以根据实际需要设置。其中，步骤401 403、步骤405 406分别与步骤201 203、步骤205 206相同，在此不再详述。本发明实施例四提供的技术方案带来的有益效果是通过在N型接触层和多量子阱层之间增加了一层由若干采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料的第一子层和若干采用N型掺杂的GaN作为生长材料的第二子层交替形成的N型扩展层，0〈χ〈1，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以有效降低外延片中的应力和缺陷，提升发光二极管的内量子效率。上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。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。
权利要求
1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在所述衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；所述N型扩展层是由若干第一子层和若干第二子层交替形成的超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料，0〈χ〈1 ;所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一侧，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。
4.根据权利要求2或3所述的外延片，其特征在于，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。
5.根据权利要求1 3所述的外延片，其特征在于，所述第一子层中Al的浓度为1% 30%。
6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层和所述第二子层的厚度均为I IOnm0
7.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括依次在衬底层上生长缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；生长所述N型扩展层为在所述N型接触层上交替生长若干第一子层和若干第二子层，形成超晶格结构；所述第一子层采用N型掺杂的AlxGahN作为生长材料，0<χ<1 ;所述第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每层所述第一子层中Al的浓度为定值且各层所述第一子层中Al的浓度不同，从所述N型扩展层的靠近所述N型接触层的一侧到所述N型扩展层的靠近所述多量子阱层的一侧，所述若干第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述若干第一子层中Al的浓度是相同的，每层所述第一子层中Al的浓度有规律地均匀变化。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述Al的浓度有规律地均匀变化为以下变化方式中的一种均匀增大、均匀减小、均匀增大再均匀减小、均匀减小再均匀增大、均匀增大再均匀减小最后均匀增大、均匀减小再均匀增大最后均匀减小、以先均匀增大再均匀减小为一个变化周期进行均匀变化、以及以先均匀减小再均匀增大为一个变化周期进行均匀变化。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于二极管技术领域。所述外延片包括衬底层、以及依次覆盖在衬底层上的缓冲层、非掺杂的GaN层、N型接触层、N型扩展层、多量子阱层和P型层；N型扩展层是由若干第一子层和若干第二子层交替形成的超晶格结构；第一子层采用N型掺杂的AlxGa1-xN作为生长材料，0<x<1；第二子层采用N型掺杂的GaN作为生长材料。本发明通过增加一层N型扩展层，使电子在进入多量子阱层之前速度降低，同时防止了部分空穴直接跃迁进入N型层，从而使电子和空穴在多量子阱层充分复合发光，提高了发光二极管的发光效率。另外，N型扩展层的超晶格结构可以提升发光二极管的内量子效率。
文档编号H01L33/32GK103035805SQ201210540920
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者万林, 魏世祯 申请人:华灿光电股份有限公司