一种发光二极管外延片及制备方法与流程

本发明涉及光电，具体涉及一种发光二极管外延片及制备方法。

背景技术：

1、led是冷光源，光效高，工作电压低，耗电量小，体积小，可平面封装；光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。因此，led具有节能、环保、寿命长等特点。

2、量子阱层作为led等发光器件的核心结构，具有较宽的光谱范围和较高的发光效率，led多采用在n型gan上生长多个个周期的ingan/algan有源层，以此提高量子局域效应，提高电子和空穴波函数交叠程度，从而提高 led 器件发光效率。

3、然而，由于ingan层与algan存在较大的晶格失配产生极化效应，极化效应会在量子阱层中产生电场，电场使得电子和空穴空间分离，减少了电子波函数与空穴波函数的重叠，降低辐射复合效率。另外，电子有效质量小于空穴，电子在半导体中的移动速度远高于空穴，因此电子与空穴在量子阱发生复合通常在后面几个量子阱，前几个量子阱不参与发光，造成电子泄露，与p层的空穴发生非辐射复合，导致发光二极管发光效率下降。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种发光二极管外延片及制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、本发明第一方面提供一种发光二极管外延片，包括衬底，以及依次沉积在所述衬底上的缓冲层、非掺杂gan层、n型gan层、有源层、电子阻挡层和p型gan层；

3、其中，所述有源层包括m个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型gan层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层bmga1-mn层、第二子层bxinyga1-x-yn层、第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层、第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层，m个所述周期结构中第二子层bxinyga1-x-yn层中in组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。

4、本发明的有益效果是：本发明提供一种发光二极管外延片，有源层包括m个周期结构，生长多周期结构的有源层，可以有效的提高量子限制效应，电子和空穴被局域在多量子阱中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率；进一步的，周期结构包括交替沉积在n型gan层上的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次沉积的第一子层bmga1-mn层、第二子层bxinyga1-x-yn层、第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层、第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层，m个周期结构中第二子层bxinyga1-x-yn层中in组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大；第一子层bmga1-mn层作为沉积第二子层bxinyga1-x-yn层的准备层，提高了第二子层bxinyga1-x-yn层的沉积质量，减少缺陷的非辐射复合。不同周期结构量子阱层中的第二子层bxinyga1-x-yn层的in组分梯度变化，最终使得不同周期结构中量子阱层的禁带宽度梯度变化，减少量子阱层的极化效应；第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层中的in组分逐渐降低，可以减少第二子层bxinyga1-x-yn层与第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层的晶格失配，降低量子阱层的极化效应，而掺杂的mg则可以改善载流子在量子阱中发生辐射复合空穴不足的问题。第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层既可以减少量子阱层中的in扩散至量子垒层造成发光效率下降，又可以实现晶格匹配并消除量子阱层中的压电极化效应。本发明提供的发光二极管外延片，降低了量子阱层的极化效应，提高了量子阱层的晶体质量和载流子在量子阱辐射复合效率，进而提高发光效率，适合大范围推广。

5、优选地，所述有源层中m的取值范围为2-20。

6、优选地，所述第一子层bmga1-mn层的厚度为0.5 nm ~5 nm，m的取值为0.05~0.1，沿外延层的生长方向m的取值逐渐减小。

7、优选地，所述第二子层bxinyga1-x-yn层的厚度为1 nm ~10 nm，y的取值0.01~0.5，x的取值为0.01~0.05。

8、优选地，所述第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层的厚度为0.5 nm~5 nm，z的取值为0.01~0.5，沿外延层的生长方向z的取值逐渐减小。

9、优选地，所述第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层的厚度为0.5 nm ~5 nm，k的取值为0.01~0.1，j的取值为0.01~0.2。

10、本发明另一方面还提供一种制备上述发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：

11、提供一衬底；

12、在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂gan层、n型gan层、有源层、电子阻挡层和p型gan层；

13、其中，所述有源层包括m个周期结构，所述周期结构包括交替沉积在所述n型gan层上的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一子层bmga1-mn层、第二子层bxinyga1-x-yn层、第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层、第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层，m个所述周期结构中第二子层bxinyga1-x-yn层中in组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。

14、优选地，沿所述外延层的生长方向，生长后一个所述周期结构与生长前一个所述周期结构的tmin流量之比为1.01-1.1。

15、优选地，所述有源层的沉积步骤包括：

16、在所述n型gan层上沉积所述第一子层bmga1-mn层，沉积温度由t1逐渐下降至t2；

17、在所述第一子层bmga1-mn层上沉积所述第二子层bxinyga1-x-yn层，沉积温度为t2；

18、在所述第二子层bxinyga1-x-yn层上沉积所述第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层，沉积温度为t2逐渐上升至t3；

19、在所述第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层上沉积所述第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层，沉积温度为t3；

20、在所述第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层沉积量子垒层，得到第一周期结构；

21、在所述第一周期结构上重复执行若干次所述沉积操作，以的所述n型gan层上沉积m个周期结构，得到所述有源层。

22、优选地，所述量子阱层的生长气氛为n2/nh3的混合气，压力为50 torr ~300 torr。

23、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底，以及依次沉积在所述衬底上的缓冲层、非掺杂gan层、n型gan层、有源层、电子阻挡层和p型gan层；

2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述有源层中m的取值范围为2-20。

3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一子层bmga1-mn层的厚度为0.5 nm ~5 nm，m的取值为0.05~0.1，沿外延层的生长方向m的取值逐渐减小。

4. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第二子层bxinyga1-x-yn层的厚度为1 nm ~10 nm，y的取值0.01~0.5，x的取值为0.01~0.05。

5. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第三子层mg掺in渐变inzga1-zn层的厚度为0.5 nm~5 nm，z的取值为0.01~0.5，沿外延层的生长方向z的取值逐渐减小。

6. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第四子层aljinkga1-j-kn盖帽层的厚度为0.5 nm ~5 nm，k的取值为0.01~0.1，j的取值为0.01~0.2。

7.一种如权利要求1~6任意一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，沿所述外延层的生长方向，生长后一个所述周期结构与生长前一个所述周期结构的tmin流量之比为1.01-1.1。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述有源层的沉积步骤包括：

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱层的生长气氛为n2/nh3的混合气，压力为50 torr ~300 torr。

技术总结
本发明提供了一种发光二极管外延片及制备方法，发光二极管外延片包括衬底，以及依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；其中，有源层包括M个周期结构，周期结构包括交替沉积在n型GaN层上的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次沉积的第一子层B<subgt;m</subgt;Ga<subgt;1‑m</subgt;N层、第二子层B<subgt;x</subgt;In<subgt;y</subgt;Ga<subgt;1‑x‑y</subgt;N层、第三子层Mg掺In渐变In<subgt;z</subgt;Ga<subgt;1‑z</subgt;N层、第四子层Al<subgt;j</subgt;In<subgt;k</subgt;Ga<subgt;1‑j‑k</subgt;N盖帽层，M个周期结构中第二子层B<subgt;x</subgt;In<subgt;y</subgt;Ga<subgt;1‑x‑y</subgt;N层中In组分的含量沿外延层的生长方向逐渐增大。本发明提供的发光二极管外延片，降低了量子阱层的极化效应，提高了量子阱层的晶体质量和载流子在量子阱辐射复合效率，进而提高发光效率。

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：2024/3/21