一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管与流程

本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。

背景技术：

1、三族氮化物半导体具有纤锌矿结构和直接带隙的能带结构，适合做发光二极管。氮化铝（aln）、氮化镓(gan)、氮化铟(inn)带隙能量分别为6.2ev、3.4ev、0.7ev，因此，室温下algainn带隙能量可以从6.2ev至0.7ev之间调制，取决于al、ga、in的摩尔组分。理论上可以用algainn材料制作从红色到紫外光的发光二极管甚至激光二极管。自上世纪年代以来，三族氮化物材料制作的红外至紫外光电器件已经在学术界和产业界引起了极大的兴趣，特别是高亮度的发光二极管带来了非常高的商用价值。然而相对于可见光led的广泛应用和商业化程度，gan基紫外led的商业化率还是比较低，主要是因为gan基uv led的外量子效率(eqe)还比较低。

2、量子阱内极化效应产生强内电场，引起载流子复合发光效率降低。algan为纤锌矿结构，本身存在的极化效应会形成较强的内电场。这将导致量子阱中电子和空穴波函数的空间分离，也会阻碍载流子向量子阱中注入，使辐射复合效率降低。现有led直接在n型algan层上沉积有源层，由于algan材料缺陷密度较高，导致量子阱层的晶体质量较差，非辐射复合效率增加。另外algan有非常强的极化效应，这种极化会在半导体内形成非常强的极化电场导致量子限制斯塔克效应，使得器件的辐射复合效率下降，其具体原因是极化电场使半导体的导带和价带弯曲，导致电子和空穴的波函数在空间上分离，使得发光效率降低。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。

2、第一方面，本发明采用以下技术方案：一种高光效发光二极管外延片，包括衬底及依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂algan层、n型algan层、准备层、有源层、电子阻挡层、p型algan层和p型接触层，所述准备层包括依次沉积于所述n型algan层上的第一准备子层、第二准备子层、超晶格准备子层及第三准备子层；

3、其中，所述第一准备子层为sic层，所述第二准备子层为n型aln层，所述超晶格准备子层包括周期性依次交替设置的n型alaga1-an垒层及alminnga1-m-nn阱层，所述第三准备子层为n型albga1-bn层，0＜a＜0.5，0＜m＜0.2，0＜n＜0.1，0＜b＜0.5。

4、本发明一实施例的高光效发光二极管外延片，由于衬底材料与algan的晶格失配及热失配，导致外延层存在大量的缺陷，并使得外延层中存在巨大的压应力，通过沉积为sic层的第一准备子层、为n型aln层的第二准备子层，形成致密薄膜，减少位错向外延层延伸破坏量子阱的晶体质量，提高量子阱辐射复合效率；而且由于沉积在衬底上的algan层由于厚度逐渐增加，algan层受到的张应力也逐渐增加，导致后续沉积的有源层晶体质量下降，量子阱极化增强，量子阱非辐射复合增加，发光二极管的发光效率降低，通过在沉积的第三准备子层、超晶格准备子层的超晶格结构引入in原子，同时引入张应力，并且由于超晶格结构，压应力与张应力交替变化，随着超晶格周期数的增加，可以逐渐将algan层积累的应力释放完毕；综上，本发明降低了量子阱缺陷密度和量子阱层极化电场效应，提高了电子与空穴波函数的交叠，提升了量子阱层辐射复合效率和发光二极管的光电转化效率。

5、进一步的，所述第一准备子层的厚度为1nm-20nm，所述第二准备子层的厚度为10nm-100nm，所述n型alaga1-an垒层厚度为1nm-50nm，所述alminnga1-m-nn阱层的厚度为1nm-10nm，所述第三准备子层的厚度为1nm-50nm。

6、进一步的，所述第二准备子层、所述n型alaga1-an垒层及所述第三准备子层均掺杂si；

7、所述第二准备子层的si掺杂浓度为5ⅹ1017atoms/cm3-5ⅹ1018atoms/cm3，所述n型alaga1-an垒层的si掺杂浓度为5ⅹ1017atoms/cm3-5ⅹ1018atoms/cm3，所述第三准备子层的si掺杂浓度为1ⅹ1017atoms/cm3-1ⅹ1018atoms/cm3。

8、进一步的，所述超晶格准备子层为超晶格结构，周期数为1-50。

9、进一步的，所述缓冲层为aln层，其厚度为20nm-200nm。

10、第二方面，本发明还提供一种高光效发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：

11、提供一衬底；

12、在所述衬底上沉积材料为aln层的缓冲层；

13、在所述缓冲层上沉积非掺杂algan层；

14、在所述非掺杂algan层上沉积n型algan层；

15、在所述n型algan层上沉积准备层，所述准备层包括第一准备子层、第二准备子层、超晶格准备子层、第三准备子层；

16、在所述准备层上沉积有源层；

17、在所述有源层上沉积电子阻挡层；

18、在所述电子阻挡层上沉积p型algan层；

19、在所述p型algan层上沉积p型接触层；

20、其中，所述第一准备子层为sic层，所述第二准备子层为n型aln层，所述超晶格准备子层包括周期性依次交替设置的n型alaga1-an垒层及alminnga1-m-nn阱层，所述第三准备子层为n型albga1-bn层，其中，0＜a＜0.5，0＜m＜0.2，0＜n＜0.1，0＜b＜0.5。

21、进一步的，所述第一准备子层及所述第二准备子层的生长温度均为900℃-1100℃，所述超晶格准备子层及所述第三准备子层的生长温度均为850℃-1050℃。

22、进一步的，所述第二准备子层、所述超晶格准备子层、所述第三准备子层的生长气氛n2/nh3比例均为1:10-5:1。

23、进一步的，所述准备层的生长压力为100torr-300torr。

24、第三方面，本发明还提供一种发光二极管，包括上述的高光效发光二极管外延片。

技术特征：

1.一种高光效发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底及依次沉积于所述衬底上的缓冲层、非掺杂algan层、n型algan层、准备层、有源层、电子阻挡层、p型algan层和p型接触层，所述准备层包括依次沉积于所述n型algan层上的第一准备子层、第二准备子层、超晶格准备子层及第三准备子层；

2.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述第一准备子层的厚度为1nm-20nm，所述第二准备子层的厚度为10nm-100nm，所述n型alaga1-an垒层厚度为1nm-50nm，所述alminnga1-m-nn阱层的厚度为1nm-10nm，所述第三准备子层的厚度为1nm-50nm。

3.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述第二准备子层、所述n型alaga1-an垒层及所述第三准备子层均掺杂si；

4.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格准备子层为超晶格结构，周期数为1-50。

5.根据权利要求1～4任一项所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述缓冲层为aln层，其厚度为20nm-200nm。

6.一种高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

7.根据权利要求6所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第一准备子层及所述第二准备子层的生长温度均为900℃-1100℃，所述超晶格准备子层及所述第三准备子层的生长温度均为850℃-1050℃。

8.根据权利要求6所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第二准备子层、所述超晶格准备子层、所述第三准备子层的生长气氛n2/nh3比例均为1:10-5:1。

9.根据权利要求6所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述准备层的生长压力为100torr -300torr。

10.一种发光二极管，其特征在于，包括由权利要求1～5任一项所述的高光效发光二极管外延片。

技术总结
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种高光效发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管，包括衬底及依次沉积于衬底上的缓冲层、非掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、准备层、有源层、电子阻挡层、p型AlGaN层和p型接触层，准备层包括依次沉积于n型AlGaN层上的第一准备子层、第二准备子层、超晶格准备子层及第三准备子层；第一准备子层为SiC层，第二准备子层为n型AlN层，超晶格准备子层包括周期性依次交替设置的n型Al<subgt;a</subgt;Ga<subgt;1‑a</subgt;N垒层及Al<subgt;m</subgt;In<subgt;n</subgt;Ga<subgt;1‑m‑n</subgt;N阱层，第三准备子层为n型Al<subgt;b</subgt;Ga<subgt;1‑b</subgt;N层，0＜a＜0.5，0＜m＜0.2，0＜n＜0.1，0＜b＜0.5。

技术研发人员：程龙,郑文杰,高虹,刘春杨,胡加辉,金从龙
受保护的技术使用者：江西兆驰半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12