CN103107255A - 一种led外延片生长方法 - Google Patents
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Abstract
一种LED外延片生长方法,在生长N型掺杂Si的GaN层时,采用掺杂Si的N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层交替生长方法。该生长方法保持原来N型GaN层的厚度,将传统生长方法持续生长的掺杂Si的GaN层改进为生长掺杂Si的N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层构成的交替结构层,在一定程度上节约掺杂剂的用量。并且,在生长掺杂Si的GaN层和不掺杂Si的GaN层的交替结构中,掺杂Si的GaN层为低电阻值,而不掺杂Si的GaN层为高电阻值,高、低电阻值N型GaN层在电流输送过程中,使得电子横向扩展能力加强,从而降低了驱动电压,同时提升了亮度和光效。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED外延片的生长方法。
背景技术
半导体照明技术是继白炽灯、荧光灯之后,照明光源的又一次革命。半导体照明技术发展迅速、应用领域广、节能潜力大、绿色环保,被公认为是最有发展前景的高技术节能产业之一,而半导体照明的核心就是LED芯片。普通白炽灯的光效为15lm/W,而目前照明用LED灯的光效已可达到100lm/W以上,即6瓦的LED灯就可以代替40瓦的白炽灯。LED代替传统照明已表现出明显的节能优势,持续提高LED灯的发光效率,即在额定驱动电流时,减小电压和提高发光亮度,能更有效的降低能源消耗。提高LED的发光效率的一个方法就是优化外延片的设计,提高载流子的发光复合效率。
目前存在传统的外延片的生长方法,其通过对量子阱和P型层生长方法的设计,进而提高光效和亮度,例如,通过将量子阱设计成阶梯量子阱、改变电子和空穴波函数的重合度,以及P层生长PAlGaN/PInGaN、PAlGaN/PGaN、PAlGaN/GaN等超晶格的结构来提高电流的扩展能力,从而达到提高亮度的目的。
传统的LED外延片生长方法,包括以下步骤:
1)在1100-1200℃的氢气气氛下,高温处理蓝宝石衬底5-6分钟;
2)降温至530-570℃下,在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温GaN缓冲层;
3)升高温度到1000-1100℃下,持续生长1-2.5μm不掺杂的GaN层;
4)然后首先生长1-1.5μm掺杂Si的N型GaN层,掺杂浓度为1×1018-5×1018cm-3,接着生长0.8-1.0μm的N型掺杂Si的GaN层,掺 杂浓度为3×1018-10×1018cm-3,再持续生长0.07-0.28μm的N型掺杂Si的GaN层,掺杂浓度为3×1018-9×1018cm-3,总厚度控制在2.0-2.5μm;
5)周期性生长有缘层MQW,低温750℃生长厚度为2-3nm的掺杂In的InxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层而高温840℃生长厚度为10-13nm的GaN层,其中InxGa(1-x)N/GaN周期数为5-15;
6)再升高温度到930-950℃,持续生长30-50nm的P型AlGaN层;
7)再升高温度到950-980℃,持续生长0.15-0.3μm的掺杂Mg的P型GaN层;
8)最后降温至670-680℃,恒温10-30min,接着降至室温。
图1显示了一种传统的LED外延片,其结构依次包括衬底、低温GaN缓冲层、U型GaN层(其为不掺杂Si的GaN层)、N型GaN层、量子阱MQW(其为发光层量子阱)、低温P型GaN层(其为低温掺杂Mg的GaN层)、P型AlGaN层(其为掺杂Mg、Al型GaN层)和高温P型GaN层。
然而该生长方法存在突出的缺点。例如,采用持续生长掺杂Si的GaN层,由于掺杂剂Si的用量过多。并且,传统生长的N型GaN层,因为掺杂Si浓度一样,每一处的电阻值是相同的。这使得电子运输过程中选择最短路径传输,在最短路径上将会出现电流拥挤的现象。同时,整个外延层电流分布不均匀,流经量子阱的电流比较集中,造成的后果是,芯片的电压较高,光效偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED外延片的生长方法。该方法通过生长掺杂Si的GaN层和不掺杂Si的GaN层的交替结构,进而改变N型电流横向扩展能力,解决电流拥挤现象,降低驱动电压,从而使得量子阱电流均匀化,总体发光面积增加,使亮度和光效得到有效提升。
根据本发明提供的一种LED外延片生长方法,在衬底上,依次包括生长低温GaN缓冲层,生长不掺杂Si的GaN层,生长掺杂Si的GaN层,生长量子阱MWQ,生长P型AlGaN层和生长掺杂Mg的P 型GaN层,其中所述生长掺杂Si的GaN层包括以下步骤:
1)生长掺杂Si的第一N型GaN层;
2)生长掺杂Si的第二N型GaN层;
3)生长掺杂Si的第三N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层的交替层。
在本文中,用语“依次”是相对于沿着从衬底指向整个外延片的顶部方向来定义的,并且相邻的两个部分直接接触。
在一个实施例中,所述交替层的周期为10-20个周期,总厚度为70nm-280nm。
在一个实施例中,所述第三N型GaN层的厚度为5-10nm,所述不掺杂Si的U型GaN层的厚度为2-4nm。
在一个实施例中,所述第三N型GaN层的掺杂浓度为3×1018-9×1018cm-3。
在一个实施例中,所述第一N型GaN层厚度为1.0-1.5μm,掺杂浓度为1×1018-5×1018cm-3。
在一个实施例中,所述第二N型GaN层厚度为0.8-1.0μm,掺杂浓度为3×1018-10×1018cm-3。
在一个实施例中,所述衬底为(0001)面蓝宝石。
在一个实施例中,采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源。
在一个实施例中,采用三甲基铟作为铟源。
在一个实施例中,所述N型掺杂剂为硅烷,所述P型掺杂剂为二茂镁。
本发明的有益效果在于:通过保持原来N型GaN层的厚度,将传统生长的掺杂Si的GaN层改进为生长掺杂Si的N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层构成的交替结构层,进而在一定程度上节约掺杂剂的用量。并且,在生长掺杂Si的GaN层和不掺杂Si的GaN层的交替结构中,掺杂Si的GaN层为低电阻值,而不掺杂Si的GaN层为高电阻值,高、低电阻值的N型GaN层在电流输送过程中使得电子横向扩展能力加强,从而降低了驱动电压,并且提升了亮度和光效。
附图说明
以下结合附图来对本发明进行详细的描述。然而应当理解,附图的提供仅为于更好地理解本发明,它们不应被理解成对本发明的限制。
图1是传统N型LED结构示意图;
图2是新型N型LED结构示意图;
图3是传统N型GaN的能带结构示意图;
图4是新型N型GaN的能带结构示意图;
图5是规格为30mil×30mil的芯片光效分布图;
图6是规格为30mil×30mil的芯片电压分布图;
图7是规格为10mil×18mil的芯片亮度分布图。
具体实施方式
本发明LED外延片的生长方法包括以下步骤:
1)在1100-1200℃的氢气气氛下,高温处理蓝宝石衬底5-6分钟;
2)降温至530-570℃下,在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温GaN缓冲层;
3)升高温度到1000-1100℃下,持续生长1-2.5μm的不掺杂GaN层;
4)根据本发明,持续生长2.0-2.5μm的N型掺杂Si的GaN层取代传统生长方法生长的N型GaN层,具体生长方法如下:(1)首先生长1.0-1.5μm持续掺杂Si的N型GaN层,其掺杂浓度为1×1018-5×1018cm-3;(2)接着交替生长5-10nm的掺杂浓度为3×1018-9×1018cm-3的掺杂Si的N型GaN层,和2-4nm的不掺杂Si的U型GaN层,一共交替生长10-20个周期,共70nm-280nm;(3)再持续生长0.8-1.0μm的N型掺杂Si的GaN层,其掺杂浓度为3×1018-9×1018cm-3,总厚度控制在2.0-2.5μm;
5)周期性生长有缘层MQW,低温750℃生长厚度为2-3nm的掺杂In的InxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层,高温840℃生长厚度为10-13nm 的GaN层,其中InxGa(1-x)N/GaN的周期数为5-15;
6)再升高温度到930-950℃,持续生长30-50nm的P型AlGaN层;
7)再升高温度到950-980℃,持续生长0.15-0.3μm的掺杂Mg的P型GaN层;
8)最后降温至670-680℃,恒温10-30min,接着降至室温。
图2显示了根据本发明的生长方法获得的LED外延片结构,如图所示,该LED外延片结构依次包括衬底、低温GaN缓冲层、U型GaN层、掺杂Si的N型GaN层、周期量子阱MQW、低温P型GaN层、P型AlGaN层和高温P型GaN层。其中,衬底优选是蓝宝石衬底,U型GaN层为不掺杂Si的GaN层,周期量子阱MQW为InGaN/GaN,低温P型GaN层为低温掺杂Mg的GaN层,P型AlGaN为掺杂Mg的AlGaN层,高温P型GaN层为高温掺杂Mg的GaN层。
根据本发明,掺杂Si的N型GaN层包括掺杂Si的第一N型GaN(N1)层、掺杂Si的第二N型GaN(N2)层以及至少一个交替结构层。该交替结构层包括掺杂Si的GaN(N3-1)层和不掺杂Si的GaN(N3-2)层。
在一个实施例中,掺杂Si的GaN(N3-1)层的厚度为5-10nm,不掺杂Si的GaN(N3-2)层的厚度为2-4nm。
根据本发明,可以设置多个N3-1/N3-2交替结构层。例如,在一个具体实施例中,可以设置10-20个N3-1/N3-2交替结构层。
如图3所示,因为N2和N3为均匀掺杂,所以能带平缓,即电子从n极向量子阱方向的运动是在一个均匀的势场中,电子沿电场方向走最短路径,其结果是大部分电子的路径相同,造成电流密度分布不均匀,进而影响载流子的复合效率。图4显示N3-1和N3-2的交替掺杂,能带产生显著的起伏,不掺杂Si的GaN层的势能高,掺杂Si的GaN层的势能低,电子从n极向量子阱方向运动遇到周期变化势场的调制,电子从低势能的掺杂Si的N3-1层运动到不掺杂Si的N3-2层时,受势垒的阻碍作用,就会产生横向的扩展,此周期交替掺杂结构使电子在运动过程横向扩展逐级增强,从而提高载流子密度的均匀 性,提高载流子的复合效率,进而降低电压,并提高发光亮度。
实施方案一:
根据传统的LED的生长方法制备样品1,根据本发明描述的方法制备样品2。样品1和样品2外延生长方法参数不同点在于,样品2采用16个由N3-1层和N3-2层交替生长构成的交替结构层而代替了样品1生长的N3层,具体可参考表1。样品1和样品2在相同的前工艺条件下,镀ITO层200nm,相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极130nm,相同的条件下镀保护层SiO2约50nm,然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm×762μm(30mi×30mil)的芯片颗粒,然后样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒,在相同的封装工艺下,封装成白光LED。然后采用积分球,在驱动电流350mA条件下,测试样品1和样品2的光电性能。
表1N型GaN生长参数的对比
数据分析结论:将积分球获得的数据进行分析对比,请参考图5和图6。从图5数据得出样品2较样品1光效提升5-6%,从图6数据得出样品2较样品1电压降低0.1-0.15V。
实施方案二:
根据传统的LED的生长方法制备样品3,根据本发明描述的方法制备样品4。样品3和样品4外延生长方法参数不同点在于,样品4采用15个由N3-1层和N3-2层交替生长构成的交替结构层而代替了样品3生长的N3层,具体可参考表2。样品3和样品4在相同的前工艺条件下镀ITO层180nm,相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极120nm,相同的条件下镀保护层SiO2约50nm,然后在相同的条件下将样品研磨切割成250μm×457μm(10mi×18mil)的芯片颗粒,然后样品3和样品4在相同位置各自挑选150颗晶粒,在相同的封装工艺下,封装成白光LED。然后采用积分球,在驱动电流20mA条件下,测试样品3和样品4的光电性能。
表2N型GaN生长参数的对比
数据分析结论:将积分球获得的数据进行分析对比,请参考图7。从图7数据得出样品4较样品3亮度提升5-6%,样品4较样品3电压降低约0.1V。
从上述实施方案中可以看到,通过采用本发明的技术方案,可以较大幅度地提升芯片的光效和亮度,且降低其电压。
以上所述具体的实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改,等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED外延片生长方法,其特征在于,在衬底上,依次生长低温GaN缓冲层,不掺杂Si的GaN层,掺杂Si的GaN层,量子阱MWQ,P型AlGaN层和掺杂Mg的P型GaN层,其中所述生长掺杂Si的GaN层包括以下步骤:
1)生长掺杂Si的第一N型GaN层;
2)生长掺杂Si的第二N型GaN层;
3)生长掺杂Si的第三N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层的交替层。
2.如权利要求1所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述第三N型GaN层的厚度为5-10nm,所述不掺杂Si的U型GaN层的厚度为2-4nm。
3.如权利要求1或3所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述第三N型GaN层的掺杂浓度为3×1018-9×1018cm-3。
4.如权利要求1所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述交替层的周期为10-20个周期,总厚度为70nm-280nm。
5.如权利要求上述权利要求任一项所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述第一N型GaN层厚度为1.0-1.5μm,掺杂浓度为1×1018-5×1018cm-3。
6.如权利要求上述权利要求任一项所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述第二N型GaN层厚度为800-1000nm,掺杂浓度为3×1018-10×1018cm-3。
7.如权利要求上述权利要求任一项所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述衬底为(0001)面蓝宝石。
8.如权利要求上述权利要求任一项所述LED外延片生长方法,其特征在于,采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源。
9.如权利要求上述权利要求任一项所述LED外延片生长方法,其特征在于,采用三甲基铟作为铟源。
10.如权利要求上述权利要求任一项所述LED外延片生长方法,其特征在于,所述N型掺杂剂为硅烷,所述P型掺杂剂为二茂镁。
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