一種氮化鎵基發光二極體的外延片及其製作方法與流程
2023-05-26 17:54:22
本發明涉及半導體技術領域，特別涉及一種氮化鎵基發光二極體的外延片及其製作方法。
背景技術：
發光二極體(英文：Light Emitting Diode，簡稱：LED)是一種能夠將電能有效轉化為光能的半導體器件，目前氮化鎵基LED受到越來越多的關注和研究。
GaN基LED的外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在藍寶石襯底上的GaN緩衝層、未摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱層(英文：Multiple Quantum Well，簡稱：MQW)、P型AlGaN層、P型GaN層。當有電流通過時，N型GaN層的電子和P型GaN層的空穴進入多量子阱層複合發光。
在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：
空穴的質量比電子大，遷移率和遷移速率都比電子低，而且P型GaN層中摻雜的Mg只有很少一部分可以活化，因此注入多量子阱層的空穴數量較少，電子在多量子阱層的數量偏多，容易產生溢流，減少電子和空穴的有效複合，降低發光二極體的發光效率。
技術實現要素：
為了解決現有技術降低發光二極體的發光效率的問題，本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極體的外延片及其製作方法。所述技術方案如下：
一方面，本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極體的外延片，所述外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在所述藍寶石襯底上的GaN緩衝層、未摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱層、P型電子阻擋層、P型GaN層，所述外延片還包括層疊在所述N型GaN層和所述多量子阱層之間的電子改善層，所述電子改善層由AlGaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。
可選地，所述AlGaN層中摻雜有Si，Si的摻雜濃度小於1017cm-3。
可選地，所述AlGaN層為AlxGa1-xN層，0＜x≤0.5。
可選地，所述石墨烯薄膜層的層數與所述AlGaN層相同，所述AlGaN層的層數為2～50層。
可選地，所述電子改善層的厚度為10～100nm。
另一方面，本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極體的外延片的製作方法，所述製作方法包括：
在藍寶石襯底上依次外延生長GaN緩衝層、未摻雜GaN層、N型GaN層、電子改善層、多量子阱層、P型電子阻擋層、P型GaN層；
其中，所述電子改善層由AlGaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。
可選地，所述電子改善層的生長溫度為720～829℃。
可選地，所述電子改善層的生長壓力為100～500Torr。
可選地，所述電子改善層的厚度為10～100nm。
可選地，所述AlGaN層中摻雜有Si，Si的摻雜濃度小於1017cm-3。
本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：
通過在N型GaN層和多量子阱層之間設置電子改善層，電子改善層由交替層疊的AlGaN層和石墨烯薄膜層組成，AlGaN層可以調控電子注入多量子阱層的數量，石墨烯薄膜層可以提高載流子的平面鋪展能力，對電子迅速進行橫向鋪展，調整電子在多量子阱層內的分布，改善電子注入多量子阱層的均勻性，減少電子溢流，增大多量子阱層的發光面積，增加多量子阱層內電子和空穴的有效複合，進而提高發光二極體的發光效率。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例一提供的一種氮化鎵基發光二極體的外延片的結構示意圖；
圖2是本發明實施例二提供的一種氮化鎵基發光二極體的外延片的製作方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
實施例一
本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極體的外延片，參見圖1，該外延片包括藍寶石襯底1、以及依次層疊在藍寶石襯底1上的GaN緩衝層2、未摻雜GaN層3、N型GaN層4、電子改善層5、多量子阱層6、P型AlGaN層7、P型GaN層8。
在本實施例中，電子改善層由AlGaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。
可選地，AlGaN層中可以摻雜有Si，Si的摻雜濃度小於1017cm-3，有助於AlGaN層調控電子注入多量子阱層的數量。
可選地，AlGaN層可以為AlxGa1-xN層，0＜x≤0.5。
可選地，石墨烯薄膜層的層數與AlGaN層相同，AlGaN層的層數可以為2～50層。
可選地，電子改善層的厚度可以為10～100nm。由於石墨烯薄膜層極薄，因此電子改善層的厚度基本取決於AlGaN層，當電子改善層的厚度為10～100nm時，生長的AlGaN層可以在不會造成多量子阱層的晶體質量太差的情況下，提高多量子阱層內V型缺口的數量和大小，將載流子禁錮在量子阱內複合發光，提高多量子阱層內載流子的有效複合效率，進而提高發光二極體的發光效率。
具體地，藍寶石襯底可以採用(0001)晶向藍寶石。
可選地，GaN緩衝層的厚度可以為15～35nm。
可選地，未摻雜GaN層的厚度可以為1～5μm。
可選地，N型GaN層的厚度可以為1～5μm。
可選地，N型GaN層的摻雜濃度可以為1018～1019cm-3。
具體地，多量子阱層由InGaN量子阱層和GaN量子壘層交替層疊而成。
可選地，InGaN量子阱層的厚度可以為1～5nm，GaN量子壘層的厚度可以為9～20nm。
可選地，GaN量子壘層的層數與InGaN量子阱層的層數相同，InGaN量子阱層的層數可以為3～15層。
具體地，P型電子阻擋層為AlxGa1-xN層，0.1＜x＜0.5。
可選地，P型電子阻擋層的厚度可以為50～150nm。
可選地，P型GaN層的厚度可以為100～800nm。
可選地，如圖1所示，該外延片還包括設置在P型GaN層上的P型接觸層9，P型接觸層的厚度可以為5～300nm。
本發明實施例通過在N型GaN層和多量子阱層之間設置電子改善層，電子改善層由交替層疊的AlGaN層和石墨烯薄膜層組成，AlGaN層可以調控電子注入多量子阱層的數量，石墨烯薄膜層可以提高載流子的平面鋪展能力，對電子迅速進行橫向鋪展，調整電子在多量子阱層內的分布，改善電子注入多量子阱層的均勻性，減少電子溢流，增大多量子阱層的發光面積，增加多量子阱層內電子和空穴的有效複合，進而提高發光二極體的發光效率。
實施例二
本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極體的外延片的製作方法，適用於製作實施例一提供的外延片，參見圖2，該製作方法包括：
步驟200：控制溫度為1000～1200℃，將藍寶石襯底在氫氣氣氛中退火8分鐘，並進行氮化處理。
可以理解地，步驟200可以清潔藍寶石襯底表面。
在本實施例中，藍寶石襯底1採用(0001)晶向藍寶石。
步驟201：控制溫度為400～600℃，壓力為400～600Torr，在藍寶石襯底上生長GaN緩衝層。
可選地，GaN緩衝層的厚度可以為15～35nm。
可選地，在步驟201之後，該製作方法還可以包括：
控制溫度為1000～1200℃，壓力為400～600Torr，時間為5～10分鐘，對緩衝層進行原位退火處理。
步驟202：控制溫度為1000～1100℃，壓力為100～500Torr，在GaN緩衝層上生長未摻雜GaN層。
可選地，未摻雜GaN層的厚度可以為1～5μm。
步驟203：控制溫度為1000～1200℃，壓力為100～500Torr，在未摻雜GaN層上生長N型GaN層。
可選地，N型GaN層的厚度可以為1～5μm。
可選地，N型GaN層的摻雜濃度可以為1018～1019cm-3。
步驟204：控制溫度為720～829℃，壓力為100～500Torr，在N型GaN層上生長電子改善層。
在本實施例中，電子改善層由AlGaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。
可選地，AlGaN層中可以摻雜有Si，Si的摻雜濃度小於1017cm-3，有助於AlGaN層調控電子注入多量子阱層的數量。
可選地，AlGaN層可以為AlxGa1-xN層，0＜x≤0.5。
可選地，石墨烯薄膜層的層數與AlGaN層相同，AlGaN層的層數可以為2～50層。
可選地，電子改善層的厚度可以為10～100nm。由於石墨烯薄膜層極薄，因此電子改善層的厚度基本取決於AlGaN層，當電子改善層的厚度為10～100nm時，生長的AlGaN層可以在不會造成多量子阱層的晶體質量太差的情況下，提高多量子阱層內V型缺口的數量和大小，將載流子禁錮在量子阱內複合發光，提高多量子阱層內載流子的有效複合效率，進而提高發光二極體的發光效率。
步驟205：在電子改善層上生長多量子阱層。
在本實施例中，多量子阱層由InGaN量子阱層和GaN量子壘層交替層疊而成。
具體地，當生長InGaN量子阱層時，溫度為720～829℃，壓力為100～500Torr；當生長GaN量子壘層時，溫度為850～959℃，壓力為100～500Torr。
可選地，InGaN量子阱層的厚度可以為1～5nm，如3nm，GaN量子壘層的厚度可以為9～20nm。
可選地，GaN量子壘層的層數與InGaN量子阱層的層數相同，InGaN量子阱層的層數可以為3～15層。
步驟206：控制溫度為850～1080℃，壓力為200～500Torr，在多量子阱層上生長P型AlGaN層。
具體地，P型電子阻擋層為AlxGa1-xN層，0.1＜x＜0.5。
可選地，P型電子阻擋層的厚度可以為50～150nm。
步驟207：控制溫度為850～1080℃，壓力為100～300Torr，在P型AlGaN層上生長P型GaN層。
可選地，P型GaN層的厚度可以為100～800nm。
步驟208：控制溫度為850～1050℃，壓力為100～300Torr，在P型GaN層上生長P型接觸層。
可選地，P型接觸層的厚度可以為5～300nm。
步驟209：控制溫度為650～850℃，時間為5～15分鐘，在氮氣氣氛中進行退火處理。
本發明實施例通過在N型GaN層和多量子阱層之間設置電子改善層，電子改善層由交替層疊的AlGaN層和石墨烯薄膜層組成，AlGaN層可以調控電子注入多量子阱層的數量，石墨烯薄膜層可以提高載流子的平面鋪展能力，對電子迅速進行橫向鋪展，調整電子在多量子阱層內的分布，改善電子注入多量子阱層的均勻性，減少電子溢流，增大多量子阱層的發光面積，增加多量子阱層內電子和空穴的有效複合，進而提高發光二極體的發光效率。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。