CN102637796B - 具有P型AlGaN层结构的LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片及其制备方法。本发明提供的LED芯片中所设置的P型AlGaN层中Al的掺杂量有规律的改变后，改变了P型AlGaN层的能带分布，减弱了了P型AlGaN层的价带对空穴注入时的阻挡作用，同时不削弱其对电子的阻挡作用。所形成的能带具有多个势阱，这些势阱能带有利于空穴的注入。而势垒则能继续对电子的阻挡作用。通过采用该结构，LED芯片的亮度提升8~10%，所需电压下降0.05~0.10v。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别地，涉及一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片，本发明的另一方面还提供了上述芯片的一种制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管（LED）具有低电压、低功耗、小尺寸、轻重量、长寿命、高可靠性等优点，而且作为一种高效、环保、绿色固态照明光源，正在迅速广泛地得到应用，被应用为交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等产品。
为增大量子阱层的发光亮度，人们多在LED芯片的结构中增设P型AlGaN层。如图1所示，LED芯片包括蓝宝石衬底1’、成核层2’、缓冲层3’、N型氮化镓层4’、量子阱层5’、P型AlGaN层6’、P型氮化镓层7’和InGaN：Mg欧姆接触层8’。P型AlGaN层6’插设于量子阱层5’与P型氮化镓层7’之间。电子需经过量子阱层5’才能进入P型氮化镓层7’，当电子通过P型AlGaN层6’时，受到P型AlGaN层6’中导带势垒61’（如图2所示）的阻挡，能减少进入P型氮化镓层7’的电子数量，从而减少电子与P型氮化镓层7’过多的结合为非发光结构，从而提高LED芯片的发光强度。但当P型AlGaN层6’阻挡电子的同时，价带势垒62’也会阻挡空穴注入量子阱层5’的效率，从而降低了LED芯片的发光强度。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片及其制备方法，以解决现有技术中P型AlGaN层对空穴的阻挡，造成LED芯片发光效率低，亮度低的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片，包括设置于量子阱层与P型氮化镓层之间的P型AlGaN层，P型AlGaN层为P型AlGaN/P型GaN超晶格结构。
进一步地，P型AlGaN层由多组彼此叠置的P型AlGaN层与P型GaN层组成，P型AlGaN层与P型GaN层的组数为2~3组。
进一步地，P型AlGaN层包括第一P型AlGaN层、第一P型GaN层、第二P型AlGaN层、第二P型GaN层、第三P型AlGaN层和第三P型GaN层；第一P型GaN层、第二P型AlGaN层、第二P型GaN层、第三P型AlGaN层为陡结超晶格结构。
进一步地，第二、第三P型AlGaN层厚度为9nm，第一、第二P型GaN层的厚度为2nm。
进一步地，第一P型AlGaN层和第三P型GaN层为渐变式超晶格结构。
根据本发明的另一方面还提供了一种上述芯片的制备方法，生长所述P型AlGaN层时包括以下步骤：
1）开启掺杂A l元素所用Al源67.5~82.5s，形成P型AlGaN层；
2）关闭所述Al源13.5~16.5s形成P型GaN层；得到一组P型AlGaN层与P型GaN层；
依次重复步骤1）和步骤2）得到多组P型AlGaN层与P型GaN层。
进一步地，生长P型AlGaN层时掺杂Al元素的Al源流量为56~104sccm。
进一步地，生长P型AlGaN层时初始掺杂Al元素时Al源流量增速为0.9~1.2sccm/s。
进一步地，生长P型AlGaN层时结束掺杂Al元素时，Al源流量降速为0.81~1.61sccm/s。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的LED芯片中所设置的P型AlGaN层中Al的掺杂量有规律的改变后，改变了P型AlGaN层的能带分布，减弱了了P型AlGaN层的价带对空穴注入时的阻挡作用，同时不削弱其对电子的阻挡作用。所形成的能带具有多个势阱，这些势阱能带有利于空穴的注入。而势垒则能继续对电子的阻挡作用。通过采用该结构，LED芯片的亮度提升8~10%，所需电压下降0.05~0.10v。
本发明提供的LED芯片的生产方法通过修改P型AlGaN层的生长时间、三甲基铝流量（TMAl Flow）制备得到具有上述结构的LED芯片。首先稳定Al流量生长2周期的9nmPAlGaN/2nmPGaN，之后再生长超晶格9nmPAlGaN/2nmPGaN。得到P型AlGaN层。该层中P型GaN势阱与P型AlGaN势垒交错分布，有效的降低了P型AlGaN层中价带的势垒，降低空穴跨越该区所需能量，便于空穴扩散进入量子阱层。增加了量子阱层中空穴的浓度，增加了单位时间内空穴扩展数量。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术LED芯片结构示意图；
图2是现有技术LED芯片中P型AlGaN层中能带示意图；
图3是本发明优选实施例的LED芯片结构示意图；
图4是本发明优选实施例的LED芯片中P型AlGaN层中能带示意图；
图5是本发明优选实施例3与对比例亮度测试结果图；
图6是本发明优选实施例3与对比例电压测试结果图；
图7是本发明优选实施例5与对比例亮度测试结果图；
图8是本发明优选实施例5与对比例电压测试结果图；
图9是本发明优选实施例6与对比例亮度测试结果图；
图10是本发明优选实施例6与对比例电压测试结果图；以及
图11本发明陡结结构与渐变式超晶格结构的量子能级示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片。通过控制Al的掺入量使得该芯片的P型AlGaN层中的价带能带能量降低，有利于空穴的通过。同时维持导带能带的势垒，保持P型AlGaN层对电子的阻挡作用。达到提高LED芯片亮度，降低电压的目的。
文中超晶格结构是指通过控制Al的掺杂得到P型AlGaN和P型GaN的薄层周期性交替生长堆叠形成的晶体。二者为晶格匹配的半导体材料。膜厚为纳米级。超晶格结构在外观上为多层堆叠，但该结构的能带上具有周期交替排布的势垒和势阱。势垒是指势能比附近的势能都高的空间区域。势阱是指势能比附近的势能都低的空间区域。超晶格结构中的势垒和势阱间的转换为量子能级。如图11所示，陡结结构的量子能级为势垒与势阱之间垂直转换。本文中的渐变式超晶格结构是指能带发生渐变的交替式生长周期性结构。该结构的能带势垒与势阱之间为倾斜转换，而非陡结结构的垂直转换。
如图3所示，本发明提供的LED芯片包括依次叠置的蓝宝石衬底1、成核层2、缓冲层3、N型氮化镓层4、量子阱层5、P型AlGaN层6、P型氮化镓层7和InGaN：Mg欧姆接触层8。P型AlGaN层6分别在导带能带和价带能带上形成势垒，导带能带差△Ec大于价带能带差△Ev。P型AlGaN层6由多组彼此叠置的P型AlGaN层与P型GaN层组成。一层P型AlGaN层与一层P型GaN层叠置为一组。P型AlGaN层与P型GaN层的组数为2~3组。当叠置2~3组P型AlGaN层与P型GaN层时，效果效果较好。叠置2~3组P型AlGaN层与P型GaN层效果相近。优选的，P型AlGaN层6包括依次叠置的第一P型AlGaN层61、第一P型GaN层62、第二P型AlGaN层63、第二P型GaN层64、第三P型AlGaN层65和第三P型GaN层66。由于Al元素的掺入P型AlGaN层的厚度相对P型GaN层的厚度，因而其势能比P型GaN层高形成势垒，P型GaN层则形成势阱。图4中电子在量子阱层5的导带能带上从量子阱层5向P型氮化镓层7移动，受到第一P型AlGaN层61的阻挡。导带能带差△Ec与现有技术中P型AlGaN层6的导带能带差相同，因而能维持对电子的阻挡作用。
空穴沿价带能带从量子阱层5向P型氮化镓层7移动。价带的势垒厚度较低，第一P型AlGaN层61和第三P型GaN层66为渐变式超晶格结构，该渐变式超晶格结构为斜面有利于空穴翻越第一P型AlGaN层61和第三P型GaN层66形成的势垒，加大空穴的扩散效率。同时第一P型GaN层62、第二P型AlGaN层63、第二P型GaN层64、第三P型AlGaN层65为陡结超晶格结构。第一P型GaN层62为势阱，第二P型AlGaN层63为势垒如此类推，势垒与势阱交替排列组成的导带和价带能带的中部。空穴越过价带所需能量相对先有技术中的势垒降低。因而空穴扩散通过P型AlGaN层6所需能量降低，P型AlGaN层6对空穴的阻挡作用减弱，达到了增加空穴扩散效率的目的。从上述两方面增大了空穴的扩散效果。达到提高LED芯片亮度的目的。通过常规工艺可制得具有该结构的P型AlGaN层6。
势垒与相应层的厚度有关，优选第二、第三P型AlGaN层63、65厚度为9nm，第一、第二P型GaN层61、64的厚度为2nm。按此厚度设计，所得P型AlGaN层6既能保持原有对电子的阻挡作用，又能达到最优加速空穴的扩散的效果。
本发明的另一方面还提供了一种上述芯片的制备方法。在制备P型AlGaN层6过程中，通过控制Al源的开关时间及其流量，形成P型AlGaN/P型GaN交错分布的超晶格结构。为得到上述结构，本发明优选生长P型AlGaN层时包括以下步骤：
1）开启掺杂Al元素所用Al源67.5~82.5s，形成P型AlGaN层；
2）关闭所述Al源13.5~16.5s形成P型GaN层；得到一组P型AlGaN层与P型GaN层；依次重复步骤1）和步骤2）得到多组P型AlGaN层与P型GaN层。
此处的多组优选为2~3组。
生长P型AlGaN层时掺杂Al元素的Al源流量为56~104sccm。此时能形成第一P型GaN层62、第二P型AlGaN层63、第二P型GaN层64、第三P型AlGaN层65。按此参数生产为所得P型AlGaN层6结构较优。
为了获得渐变式超晶格结构的第一P型AlGaN层和第三P型GaN层，初始生长P型AlGaN层时掺杂Al源流量增速为0.9~1.2sccm/s。结束生长P型AlGaN层时结束掺杂Al源流量降速为0.81~1.61sccm/s。通过控制Al源增速和降速形成线性斜面的渐变式超晶格结构。按此速度生长，可以获得结构最优的LED芯片。本发明所用Al源可以为常用生长P型AlGaN层时所用Al源，具体为三甲基铝（TMAl）。
实施例
以下实施例中所用物料和仪器均为市售。
LED芯片亮度和电压的测试条件和方法：千级无尘环境中点测机通过LED的N电极和P电极注入恒定电流，测定此时的亮度值（该亮度为积分毫瓦亮度和波长无关）和电压值。20mil*40mil尺寸的LED芯片注入恒定电流120mA。30mil*30mil尺寸的LED芯片注入恒定电流350mA。45mil*45mil尺寸的LED芯片注入恒定电流350mA。10*23mil尺寸的LED芯片注入恒定电流20mA。mil为密耳为千分之一英寸。
以下实施例中LED芯片的生长方法包括以下步骤：
1、在1000~1100℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5~6分钟；
2、降温至500~550℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30~40nm的低温缓冲层GaN(Nucleation)作为成核层；
3、升高温度到1000~1100℃下，持续生长1~2.5um不掺杂GaN缓冲层；
4、再持续生长2~4um的N型掺Si的GaN作为N型GaN层；
5、周期性生长有缘层MQW，低温750℃生长掺杂In的3nmInxGa（1～x)N（x~=0.20~0.21）层，高温840℃生长12nmGaN层。InxGa（1～x)N/GaN周期数为15作为量子阱层。
6、生长P型AlGaN层。
7、再升高温度到950~980℃持续生长0.15~0.20um的掺镁的P型GaN层作为P型GaN层。
8、再降低温度到650~680℃时生长5~10nm的低温掺镁InGaN层，作为InGaN：Mg欧姆接触层8。
9、再降低温度到700~750℃，在氮气气氛下，持续时间20~30分钟，活化P型GaN层。
实施例1
P型AlGaN层生长包括以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在930~950℃下，TMAl源流量为56sccm，TMAl源流动持续，每间隔82.5s后停止13.5s。重复停止2次Al源。持续生长40~50nm的渐变P型AlGaN层，所得P型AlGaN层厚度为9nm。P型GaN层厚度为2nm。得到LED样片1。
实施例2
P型AlGaN层生长包括以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在930~950℃下，TMAl源流量为104sccm，TMAl源流动持续，每间隔67.5s后停止16.5s。重复停止3次Al源。持续生长40~50nm的渐变P型AlGaN层，所得P型AlGaN层厚度为9nm。P型GaN层厚度为2nm。得到LED样片2。
实施例3
P型AlGaN层生长包括以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在930~950℃下，TMAl源流量为95sccm，TMAl源流动持续，每间隔72.5s后停止14.5s。重复停止3次Al源。持续生长40~50nm的渐变P型AlGaN层，所得P型AlGaN层厚度为9nm。P型GaN层厚度为2nm。得到LED样片3。
实施例4
P型AlGaN层生长包括以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在930~950℃下，初始掺杂时Al源流量增速为1.2sccm/s。之后TMAl源流量为95sccm。TMAl源流动持续，每间隔72.5s后停止14.5s，重复停止3次Al源。结束掺杂时Al源流量降速为0.81sccm/s。持续生长40~50nm的渐变P型AlGaN层，所得P型AlGaN层厚度为9nm。P型GaN层厚度为2nm。得到LED样片4。
实施例5
P型AlGaN层生长包括以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在930~950℃下，初始掺杂时Al源流量增速为0.9sccm/s。之后TMAl源流量为95sccm，TMAl源流动持续，每间隔72.5s后停止14.5s，重复停止3次Al源。结束掺杂时Al源流量降速为1.61sccm/s。持续生长40~50nm的渐变P型AlGaN层，所得P型AlGaN层厚度为9nm。P型GaN层厚度为2nm。得到LED样片5。
实施例6
P型AlGaN层生长包括以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在930~950℃下，初始掺杂时Al源流量增速为1sccm/s。之后TMAl源流量为95sccm，TMAl源流动持续，每间隔72.5s后停止14.5s，重复停止3次Al源。结束掺杂时Al源流量降速为1.41sccm/s。持续生长40~50nm的渐变P型AlGaN层，所得P型AlGaN层厚度为9nm。P型GaN层厚度为2nm。得到LED样片6。
对比例
与实施例1的区别在于P型AlGaN层生长方法按以下步骤：
将长有量子阱层的LED芯片在940℃下，TMAl流量为80sccm，持续300s，生长得到P型AlGaN。得到LED样片7。
将上述LED样片3制成45*45mil、LED样片5制成30*30mil和LED样片6制成20*40mil，LED样片1制成10mil*23mil。LED样片7分别制成45*45mil、30*30mil、20*40mil、10mil*23mil，并同时分别与上述LED样片同时测试。测试所得LED样片的电压分布和亮度分布。结果列于图5~6中。
由图5可见，LED样片3的亮度相对LED样片7从220~230mw增加至240~250mw。由图6可见，LED样片3的电压相对LED样片7从3.35~3.40v降至3.30~3.35v，其它参数（ESD，IR，VZ）没有出现变差的现象。
由图7可见，LED样片5的亮度相对LED样片7从190~200mw增加至200~210mw。由图8可见，LED样片5的电压相对LED样片7从3.45~3.50v降至3.40~3.45v，其它参数（ESD，IR，VZ）正常。
由图9可见，LED样片6的亮度相对LED样片7从90~95mw增加至95~100mw。由图10可见，LED样片6的电压相对LED样片7从3.35~3.40v降至3.30~3.35v，其它参数（ESD，IR，VZ）正常。
LED样片1的亮度相对LED样片7从亮度从22~22.5mw增加至22.3~22.7mw。LED样片的电压相对LED样片7从3.0~3.1v降至2.97~3.00v，其它参数（ESD，IR，VZ）正常。
由上述实验结果可知，本发明提供的LED芯片相对现有具有常用P型AlGaN层LED芯片亮度提高，电压降低，亮度提高5~10%，电压将0.05~0.1V。45*45mil、30*30mil、20*40mil属于大电流350mA驱动，20*40mil属于大电流120mA驱动，10*23mil属于小电流20mA驱动。本发明提供的P型AlGaN层在大电流驱动下，空穴注入效率会更高，驱动电压会更低，在小电流下，这种效果将不明显。因而LED芯片的尺寸越大，本发明提供的P型AlGaN层对LED芯片亮度的提升，对电压的降低作用越明显。10*23尺寸这种效应不明显。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有P型AlGaN层结构的LED芯片，其特征在于，
包括设置于量子阱层与P型氮化镓层之间的多组彼此叠置的P型AlGaN/P型GaN超晶格结构；
所述多组彼此叠加的P型AlGaN/P型GaN超晶格结构包括在量子阱层上依次叠加的第一P型AlGaN层、第一P型GaN层、第二P型AlGaN层、第二P型GaN层、第三P型AlGaN层和第三P型GaN层；
所述第一P型GaN层、第二P型AlGaN层、第二P型GaN层、第三P型AlGaN层为陡结超晶格结构。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述第二P型AlGaN层、第三P型AlGaN层厚度为9nm，所述第一P型GaN层、第二P型GaN层的厚度为2nm。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述第一P型AlGaN层和所述第三P型GaN层为渐变式超晶格结构。
4.一种权利要求1～3之任一所述LED芯片的制备方法，其特征在于，生长所述P型AlGaN/P型GaN超晶格结构时包括以下步骤：
1）开启掺杂Al元素所用Al源67.5～82.5s，形成P型AlGaN层；
2）关闭所述Al源13.5～16.5s形成P型GaN层；得到一组P型AlGaN层与P型GaN层；
依次重复步骤1）和步骤2）得到多组P型AlGaN层与P型GaN层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，生长各所述P型AlGaN/P型GaN超晶格结构中所述P型AlGaN层时掺杂Al元素的Al源流量为56～104sccm。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，生长各所述P型AlGaN/P型GaN超晶格结构中所述P型AlGaN层时初始掺杂Al元素时Al源流量增速为0.9～1.2sccm/s。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，生长各所述P型AlGaN/P型GaN超晶格结构中所述P型AlGaN层时结束掺杂Al元素时，Al源流量降速为0.81～1.61sccm/s。
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