CN101740693A

CN101740693A - 一种降低ⅲ族氮化物发光二极管光衰的方法

Info

Publication number: CN101740693A
Application number: CN200910273378A
Authority: CN
Inventors: 董彬忠; 魏世祯; 刘榕
Original assignee: HC Semitek Corp
Current assignee: HC Semitek Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2010-06-16

Abstract

本发明公开一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，该III族氮化物发光二极管外延结构从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型接触层，在III族氮化物发光二极管外延结构中增加一层P型氮化铟镓层。P型氮化镓层后的含有铟镓氮外延层的结构中铟组份含量比多量子阱层中的铟组份要低，这样，这层含有铟镓氮外延层的结构不会吸收多量子阱层中发出的光。而另一方面，在多量子阱中未复合的电子越过电子阻挡层后将在其后的铟镓氮层中复合掉，由于铟镓氮材料的禁带宽度比氮化镓要低，在铟镓氮层中复合将发出波长较长的可见光，从而减小甚至消除了LED芯片中紫外光辐射的产生。

Description

一种降低Ⅲ族氮化物发光二极管光衰的方法

技术领域

本发明涉及一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，属于半导体光电器件领域。

背景技术

最近几年高速发展的固态照明技术，被称为21世纪最有价值的半导体“绿色照明”技术，它是以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带III族氮化物半导体材料及LED器件技术为基础，是继半导体集成电路技术之后又一项具有革命意义的技术革新。半导体LED技术早在上世纪六、七十年代就已经有产品应用，主要为局限于红、黄光的GaAs、GaP基LED，亮度及应用都非常有限。随着GaN基高亮度蓝、绿光LED技术的突破，高亮度LED芯片在手机背光源、在户/内外全彩显示屏、LCD背光源、路灯照片、甚是通用照明等高端应用领域迅速扩展。LED光源以其节能、环保、光色饱满、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、少维修等优势，已成为全球最热门、最瞩目的新型光源。

目前国内外商用LED发光芯片的光效都已经发展到比较高的水平，大都达到了100lm/W以上。这种发光效率已足以使LED芯片的应用切入到笔记本液晶背光源、液晶电视背光源、路灯照明、甚至通用照明等高端、高利润应用领域，但目前困扰LED产业发展的就是LED器件的光衰问题，尤其是白光产品。较大的光衰将降低LED器件的使用寿命，降低LED器件的性价比，影响LED产业的发展。

LED器件光衰产生的主要原因有以下几个：第一，LED器件的热阻都比较高，使得LED芯片工作时温度较高，量子阱中缺陷增多，导致LED芯片发光效率下降；第二，LED芯片外延结构中，未在量子阱中复合的电子，在电场作用下最后会运动倒P区同空穴复合发出紫外光，而紫外光的辐射对处于较高温度的封装环氧树脂材料有强烈的分解老化作用，长时间的紫外光辐射使封装环氧黄化，甚至发黑，影响LED器件光线的输出，产生光衰；第三、对于使用了荧光粉的LED产品，荧光粉转换效率随时间的降低也将产生光衰。

为解决LED器件中的光衰问题，业界提出了不少改进方法。中国发明专利CN200810120217.0公开了一种低光衰白发光二极管的方法，该发明的特征在于：在LED芯片的封装过程中，通过透光片和隔热透光层将LED芯片同荧光封装体分隔开来，这一设置可以减少LED芯片工作时散发的热量对荧光封装体性能的劣化，从而达到延长LED使用寿命的目的。但该设置不能减少LED芯片中发出的近紫外、及紫光对荧光封装体的劣化影响。中国发明专利CN200710172631.1则提出了一种通过改进封装用环氧树脂的成份的方法来改进LED封装产生的光衰，该方法虽然一定程度上能减小LED器件的光衰，但不能从根本上解决光衰问题。

为从根本上解决LED芯片中紫外、及紫光对环氧封装体的黄化、老化影响，就需要从LED芯片着手，减少甚至避免LED芯片中紫外、及紫光的产生。本发明提出了一种III族氮化物发光二极管外延材料的结构及其生长方法，采用该结构及其方法生长的外延材料，制备的发光二极管芯片能从根本上减少、甚至避免紫光对环氧封装体的影响，在现行封装工艺条件下，获得低光衰的发光二极管，有效延长发光二极管的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于降低LED器件的光衰，提出一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，能降低氮化镓基发光二极管器件的光衰。

如图1所示，为公知的LED外延及芯片的结构，包括：在衬底(substrate)10上生长一层低温缓冲层(low temperature buffer)11，再在低温缓冲层11上生长本征氮化镓层(undoped-GaN，即u-GaN)12和N型氮化镓层(n type-GaN，即n-GaN)13，接下来再分别外延生长多量子阱层(Multi-Quantum Wells，即MQWs)14、电子阻挡层(electron blocking layer)15、P型氮化镓层(p-GaN)16、及P型接触层(p-contact layer)17。18层为透明导电层，111层和112层分别为芯片的P型电极和N型电极。其中电子阻挡层15，P型氮化镓层16，和P型接触层17一般统称为P型层。

透明导电层18：透明导电层18可以由一层或多层金属薄膜、氧化物薄膜构成，它们可以是：Ni/Au，Ni/Pt，Ni/Pd，Ni/Co，Pd/Au，Pt/Au，Ti/Au，Cr/Au，或者ITO、ZnO:Al、ZnGa2O4、SnO2:Sb、Ga2O3:Sn、AgInO2:Sn、In2O3:Zn、LaCuOS、NiO、CuCaO2、SrCu2O2。

P、N电极焊点层111和112分别为，可以是Ni/Au、Pt/Au、Ti/Au、Cr/Ni/Au、Cr/Au、Ti/Al、Cr/Ni/Al。

由于LED芯片中电子在多量子阱层中的复合效率有限，一部分未复合的电子会越过电子阻挡层15到达由P型氮化镓层16和P型接触层17构成的P区，同P区中的空穴复合，由于氮化镓材料的禁带宽度为3.4eV，再考虑到P型层中存在的很多受主能级，这种复合将发出波长在365～400nm附近的紫外光辐射。LED器件工作时，这些紫外光将加速LED器件的封装环氧的老化黄化，增大LED器件的光衰，降低LED器件的使用寿命。

为减少甚至消除从LED芯片中发出的紫外光，本发明提出一种LED外延结构的生长方法。其特点在于，在LED外延片的P型层中插入包含有P型铟镓氮(InGaN)外延层的结构。

本发明技术方案为：一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，该III族氮化物发光二极管外延结构从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型接触层，其特征在于：在III族氮化物发光二极管外延结构中增加一层P型氮化铟镓层。

P型氮化铟镓层增加在P型氮化镓层中，从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型氮化铟镓层、P型氮化镓层、P型接触层。

P型氮化铟镓层增加在P型氮化镓层与P型接触层之间，从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型氮化铟镓层、P型接触层。

P型氮化铟镓层增加在电子阻挡层与P型氮化镓层之间，从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化铟镓层、P型氮化镓层、P型接触层。

该发光二极管外延层中的P型氮化铟镓层为P型In_yGa_1-yN外延层，该P型In_yGa_1-yN外延层中In组份含量低于多量子阱层中的In组份含量。

该发光二极管外延层中的P型氮化铟镓层为P型In_yGa_1-yN/GaN周期排布的超晶格，In_yGa_1-yN层中的In组份含量低于多量子阱层中的In组份含量。

本发明的优点在于：本发明在电子阻挡层后，再生长一层含有铟镓氮(InGaN)外延层的结构，最后生长P型接触层，电子阻挡层后的含有P型铟镓氮外延层的结构，可以是一单层铟镓氮，也可以是多层铟镓氮/氮化镓超晶格。其特点还在于，电子阻挡层后的含有铟镓氮外延层的结构中铟组份含量比多量子阱层中的铟组份要低，这样，这层含有铟镓氮外延层的结构不会吸收多量子阱层中发出的光。而另一方面，在多量子阱中未复合的电子越过电子阻挡层后将在其后的铟镓氮层中复合掉，由于铟镓氮材料的禁带宽度比氮化镓要低，在铟镓氮层中复合将发出波长较长的可见光，从而减小甚至消除了LED芯片中紫外光辐射的产生。

附图说明

图1为公知的LED外延及芯片结构图；

图2为本发明提出的一种降低氮化镓基发光二极管光衰的外延结构示意图；

图3为本发明提出的一种降低氮化镓基发光二极管光衰的另一种外延结构示意图；

图4为本发明提出的一种降低氮化镓基发光二极管光衰的再一种外延结构示意图；

图5为本发明提出的一种降低氮化镓基发光二极管光衰的又一种外延结构示意图；

图6为本发明提出的一种降低氮化镓基发光二极管光衰的还一种外延结构示意图；

图7为本发明提出的一种降低氮化镓基发光二极管光衰的又一种外延结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种降低氮化镓基发光二极管光衰的外延结构及其制作方法做进一步的说明。

以上所使用附图为示意图，不是按照正常比例绘制，但不会影响本技术领域人员理解本发明的特征及有益效果。

实施例1，如图2所示给出了本发明的一种实施例。

(1)衬底10：首先将蓝宝石衬底升温，在纯氢气气氛里进行退火，然后进行氮化处理。比较好的是，退火温度为1050～1100℃；

(2)低温缓冲层11：在低温下生长的一层GaN缓冲层。生长温度在500～600℃，生长压力在100～500Torr，厚度在10～50nm；

(3)本征氮化镓层12：低温缓冲层11生长结束后，停止通入TMGa源，将衬底温度升高，对低温缓冲层11进行原位退火处理；退火之后，在所述退火温度生长本征氮化镓层12。比较好的是，缓冲层退火及氮化镓生长温度在1050～1100℃之间，生长压力在100～500Torr，本征氮化镓厚度在500～5000nm；

(4)N型氮化镓层13：在本征氮化镓层12上生长N型氮化镓层，N型掺杂剂为SiH₄，掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁹cm^-3，比较好的是在3×10¹⁸cm^-3～7×10¹⁸cm^-3。比较好的是，N型氮化镓层生长温度在1050～1100℃之间，生长压力在100～500Torr，厚度在500～5000nm；

(5)多量子阱层14：多量子阱层为单周期或多周期的In_xGa_1-xN/GaN结构，周期数在1～25个之间，比较好的是在5～10个周期之间，x在0.15～0.3之间。其中比较好的是，阱层铟镓氮生长温度在700～800℃，生长压力在100～500Torr，阱层厚度在0.5～5nm；其中比较好的是，垒层氮化镓生长温度在800～900℃，生长压力在100～500Torr，厚度在5～50nm；

(6)电子阻挡层15：电子阻挡层15为一P型掺杂Al_xGa_1-xN外延层，比较好的是x在0.1～0.5之间，尤其好的是x在0.2～0.3之间。其中P型掺杂剂为cp₂Mg(即二茂镁)，掺杂后的P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。比较好的是，该层生长温度在900～1000℃，生长压力在100～500Torr，厚度在10～100nm；

(7)在电子阻挡层15后生长一层P型In_yGa_1-yN层19，其特征在于该In_yGa_1-yN层19中In组份含量要小于多量子阱层14中阱层的In组份含量，即0＜y＜x，比较好的是y在0～0.25之间，生长温度在750～850℃，生长压力在100～500Torr，厚度在10～300nm；其中P型掺杂剂为cp₂Mg(即二茂镁)，掺杂后的P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

(8)P型氮化镓层16：P型氮化镓层16为cp₂Mg掺杂的氮化镓外延层，其中比较好的是，掺杂后P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长温度在800～1000℃，生长压力在100～500Torr，厚度在100～500nm。

(9)P型接触层17：P型接触层17为cp₂Mg掺杂的氮化镓外延层，比较好的是，掺杂后P型载流子浓度在5×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长温度在900～1000℃，生长压力在200～500Torr，厚度在5～50nm。

实施例2，如图3所示给出了本发明的另一种实施例。

(7)在电子阻挡层15后生长一层P型氮化镓层161：P型氮化镓层16为cp₂Mg掺杂的氮化镓外延层，其中比较好的是，掺杂后P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长温度在800～1000℃，生长压力在100～500Torr，厚度在100～300nm。

(8)P型氮化镓层161后生长一层P型In_yGa_1-yN层19，其特征在于该In_yGa_1-yN层19中In组份含量要小于多量子阱层14中阱层的In组份含量，即0＜y＜x，比较好的是y在0～0.25之间，生长温度在750～850℃，生长压力在100～500Torr，厚度在10～300nm；其中P型掺杂剂为cp₂Mg(即二茂镁)，掺杂后的P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

(9)P型In_yGa_1-yN层19后，再按P型氮化镓层161相同的条件生长一层P型氮化镓层162，厚度在100～300nm。

(10)最后生长P型接触层17：P型接触层17为cp₂Mg掺杂的氮化镓外延层，比较好的是，掺杂后P型载流子浓度在5×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3，生长温度在900～1000℃，生长压力在200～500Torr，厚度在5～50nm。

实施例3，如图4所示给出了本发明的又一种实施例。按照该实施例制备的发光二极管外延结构包括：衬底10、低温缓冲层11、本征氮化镓层12、N型氮化镓层13、多量子阱层14、电子阻挡层15、P型氮化镓层16、P型In_yGa_1-yN层19、P型接触层17。本实施例中各层的生长条件与图2代表的实施例1相同。与实施例1中P型In_yGa_1-yN层19生长在电子阻挡层15之后所不同的是，实施例3中，P型In_yGa_1-yN层19生长在P型氮化镓层16之后。

实施例4，图5所示给出了本发明的再一种实施例。按照该实施例制备的发光二极管外延结构包括：衬底10、低温缓冲层11、本征氮化镓层12、N型氮化镓层13、多量子阱层14、电子阻挡层15、由P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层、P型氮化镓层16、P型接触层17。除P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层外，本实施例中其他各层的生长条件与图2代表的实施例1相同。

P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层，其周期数在2～10个之间。其中，P型In_yGa_1-yN层191中In组份含量要小于多量子阱层14中阱层的In组份含量，即0＜y＜x，比较好的是y在0～0.25之间，生长温度在750～850℃，生长压力在100～500Torr，厚度在2～20nm；其中P型掺杂剂为cp₂Mg(即二茂镁)，掺杂后的P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。P型GaN层192生长温度在850～1000℃，生长压力在100～500Torr，厚度在2～20nm；掺杂后的P型载流子浓度在1×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

实施例5，图6所示给出了本发明的还一种实施例。该实施例制备的发光二极管外延结构依次包括：衬底10、低温缓冲层11、本征氮化镓层12、N型氮化镓层13、多量子阱层14、电子阻挡层15、P型氮化镓层161、由P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层、P型氮化镓层162、P型接触层17。除P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层外，本实施例中其他各层的生长条件与图3代表的实施例2相同。

实施例6，如图7所示给出了本发明的又一种实施例。按照该实施例制备的发光二极管外延结构包括：衬底10、低温缓冲层11、本征氮化镓层12、N型氮化镓层13、多量子阱层14、电子阻挡层15、P型氮化镓层16、由P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层、P型接触层17。本实施例中各层的生长条件与图5代表的实施例4相同。与实施例4中所不同的是，实施例6中，P型In_yGa_1-yN层191/P型GaN层192交替生长形成的超晶格层生长在P型氮化镓层16之后，而不是如实施例4中所述的生长在电子阻挡层15之后。

Claims

1.一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，该III族氮化物发光二极管外延结构从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型接触层，其特征在于：在III族氮化物发光二极管外延结构中增加一层P型氮化铟镓层。

2.根据权利要求1所述一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，其特征在于：P型氮化铟镓层增加在P型氮化镓层中，从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型氮化铟镓层、P型氮化镓层、P型接触层。

3.根据权利要求1所述一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法，其特征在于：P型氮化铟镓层增加在P型氮化镓层与P型接触层之间，从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化镓层、P型氮化铟镓层、P型接触层。

4.根据权利要求1所述一种降低III族氮化物发光二极管光衰的方法其特征在于：P型氮化铟镓层增加在电子阻挡层与P型氮化镓层之间，从下向上的顺序依次为衬底、低温缓冲层、本征氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层、P型氮化铟镓层、P型氮化镓层、P型接触层。

5.如权利要求1、2、3或4所述的低光衰III族氮化物发光二极管，其特征在于该发光二极管外延层中的P型氮化铟镓层为P型In_yGa_1-yN外延层，该P型In_yGa_1-yN外延层中In组份含量低于多量子阱层中的In组份含量。

6.如权利要求1、2、3或4所述的低光衰III族氮化物发光二极管，其特征在于：该发光二极管外延层中的P型氮化铟镓层为P型In_yGa_1-yN/GaN周期排布的超晶格，In_yGa_1-yN层中的In组份含量低于多量子阱层中的In组份含量。