一種氮化鎵基發光二極管的外延片及其制備方法與流程

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管的外延片及其制備方法。

背景技術：

發光二極管(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緩沖層、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復合發光。

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復合，降低發光二極管的發光效率。

技術實現要素：

為了解決現有技術降低發光二極管的發光效率的問題，本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極管的外延片及其制備方法。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管的外延片，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緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱層、P型電子阻擋層、P型層，所述P型層由P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。

可選地，所述P型GaN層的厚度為2～50nm。

可選地，所述石墨烯薄膜層的層數與所述P型GaN層相同，所述P型GaN層的層數為2～50層。

可選地，所述P型層的厚度為100～200nm。

另一方面，本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極管的外延片的制備方法，所述制備方法包括：

在藍寶石襯底上依次外延生長GaN緩沖層、未摻雜GaN層、N型GaN層、多量子阱層、P型電子阻擋層、P型層；

其中，所述P型層由P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。

可選地，所述P型層的生長溫度為750～1080℃。

可選地，所述P型層的生長壓力為200～500Torr。

可選地，所述P型GaN層的厚度為2～50nm。

可選地，所述石墨烯薄膜層的層數與所述P型GaN層相同，所述P型GaN層的層數為2～50層。

可選地，所述P型層的厚度為100～200nm。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

通過采用P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊形成P型層，石墨烯薄膜層不但可以促進空穴的傳輸和提高空穴的橫向擴展能力，而且可以改善P型電子阻擋層和P型GaN層的能帶匹配，增強P型電子阻擋層和P型GaN層的電學接觸，提高空穴注入多量子阱層的能力，最終提高發光二極管的發光效率。

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，對于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管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管的外延片的制備方法的流程圖。

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管的外延片，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緩沖層2、未摻雜GaN層3、N型GaN層4、多量子阱層5、P型AlGaN層6、P型層7。

在本實施例中，P型層由P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。

可選地，P型GaN層的厚度為2～50nm，采用合適的厚度范圍可以提高活化空穴的傳遞和注入多量子阱層，減少空穴在P型GaN層內由于弛豫造成的損失，提高空穴的有效輸出，進而提高注入多量子阱層的空穴數量，最終提高發光二極管的發光效率。

可選地，石墨烯薄膜層的層數與P型GaN層相同，P型GaN層的層數可以為2～50層。

可選地，P型層的厚度可以為100～200nm。

具體地，藍寶石襯底可以采用(0001)晶向藍寶石。

可選地，GaN緩沖層的厚度可以為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Al_xGa_1-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，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8，P型接觸層的厚度可以為5～300nm。

本發明實施例通過采用P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊形成P型層，石墨烯薄膜層不但可以促進空穴的傳輸和提高空穴的橫向擴展能力，而且可以改善P型電子阻擋層和P型GaN層的能帶匹配，增強P型電子阻擋層和P型GaN層的電學接觸，提高空穴注入多量子阱層的能力，最終提高發光二極管的發光效率。

實施例二

本發明實施例提供了一種氮化鎵基發光二極管的外延片的制備方法，適用于制備實施例一提供的外延片，參見圖2，該制備方法包括：

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，并進行氮化處理。

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采用(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緩沖層。

可選地，GaN緩沖層的厚度可以為15～35nm。

可選地，在步驟201之后，該制備方法還可以包括：

控制溫度為1000～1200℃，壓力為400～600Torr，時間為5～10分鐘，對緩沖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緩沖層上生長未摻雜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：在N型GaN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205：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Al_xGa_1-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206：控制溫度為750～1080℃，壓力為200～500Torr，在P型AlGaN層上生長P型層。

在本實施例中，P型層由P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊而成。

可選地，P型GaN層的厚度為2～50nm，采用合適的厚度范圍可以提高活化空穴的傳遞和注入多量子阱層，減少空穴在P型GaN層內由于弛豫造成的損失，提高空穴的有效輸出，進而提高注入多量子阱層的空穴數量，最終提高發光二極管的發光效率。

可選地，石墨烯薄膜層的層數與P型GaN層相同，P型GaN層的層數可以為2～50層。

可選地，P型層的厚度可以為100～200nm。

步驟207：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208：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。

本發明實施例通過采用P型GaN層和石墨烯薄膜層交替層疊形成P型層，石墨烯薄膜層不但可以促進空穴的傳輸和提高空穴的橫向擴展能力，而且可以改善P型電子阻擋層和P型GaN層的能帶匹配，增強P型電子阻擋層和P型GaN層的電學接觸，提高空穴注入多量子阱層的能力，最終提高發光二極管的發光效率。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，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范圍之內。