CN103107256B - 一种led外延片 - Google Patents
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Abstract
一种LED外延片，其结构依次包括衬底、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、掺杂Si的N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、P型AlGaN层以及掺杂Mg的P型GaN层。其中掺杂Si的N型GaN层依次包括掺杂Si的第一N型GaN层、掺杂Si的第二N型GaN层以及至少一个由掺杂Si的第三N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层构成的交替结构层。该结构节约了掺杂剂的用量，降低了驱动电压，并且提升了亮度和光效。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED外延片。
背景技术
目前市场上规格为30mil×30mil、45mil×45mil的大尺寸、大功率芯片运用在路灯照明上，规格为10mil×18mil、10mil×23mil的中小尺寸运用在背光光源上。大尺寸芯片散热性是一个重要的指标，不再以高流明数定义大尺寸芯片的发光性能，以大功率市场价值导向为流明/（瓦×单价），而中小尺寸不需要考虑散热问题，市场价值导向为流明/单价。
目前存在有多种外延片的结构，其通过对量子阱和P型层进行设计来实现提高光效和亮度的目的。例如，在一些结构中，通过将量子阱设计成阶梯量子阱生长、改变电子和空穴波函数的重合度，以及P层增加PAlGaN/PInGaN、PAlGaN/PGaN、PAlGaN/GaN等超晶格的结构，以便提高电流的扩展能力，从而达到提高亮度的目的。
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。
然而该结构存在突出的缺点。例如，由于采用持续掺杂Si的GaN层，导致掺杂剂Si的用量过多。并且，传统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，芯片的驱动电压较高以及大尺寸的光效（亮度除以电压）效果和亮度偏低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED外延片。该结构通过获得掺杂Si的GaN层和不掺杂Si的GaN层的交替结构，改变N型电流横向扩展能力，进而解决电流拥挤现象，从而降低驱动电压，使得量子阱电流均匀化，总体发光面积增加，并且亮度和光效得到提升。
根据本发明提供了一种LED外延片，依次包括衬底、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、掺杂Si的N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、P型AlGaN层以及掺杂Mg的P型GaN层，所述掺杂Si的N型GaN层依次包括掺杂Si的第一N型GaN层、掺杂Si的第二N型GaN层以及至少一个由掺杂Si的第三N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层构成的交替结构层。
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，所述第三N型GaN层的厚度为7-9nm，所述U型GaN层厚度为2-4nm。
在一个实施例中，所述第三N型GaN层的掺杂浓度为5E+18-6E+18。
在一个实施例中，包括15-16个所述交替结构层，总厚度为520nm-540nm。
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4E+18-5E+18。
在一个实施例中，所述第二N型GaN层厚度为800-1000nm，掺杂浓度为8E+18-9E+18。
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：通过保持原有的N型GaN层的厚度，将传统的掺杂Si的GaN层改进为由掺杂Si的N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层构成的交替结构层，能够在一定程度上节约掺杂剂的用量。并且，在获得掺杂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。这样，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绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该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
图2显示了根据本发明的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、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，量子阱MWQ为发光层量子阱，低温P型AlGaN层为低温掺杂Mg的GaN层，P型AlGaN为掺杂Mg、Al型GaN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7-9nm，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15-16个N3-1/N3-2交替结构层。
如图3所示，传统的N型GaN层，能带分为3个部分，其中N1层起到N型GaN层生长铺垫的作用，N2层属于重掺杂Si的区域，主要作用是提供输送电子，是N电极的接触区域，而N3层属于轻掺杂Si区域，主要作用是减少器件的漏电。传统N型GaN层能带不能控制电子的横向传输行为，而本发明的N型GaN层保持原有的N1层和N2层，将N3层设计成N3-1层和N3-2层，其中N1层起到N型生长铺垫的作用，N2层的作用是提供输送电子，而N3-1层不仅提供电子，而且在能带上形成势阱。此外，N3-1层形成的二维电子气，使束缚在N3-1层中的电子横向传播能力非常强。N3-2层不掺杂Si，高势垒阻碍电子的纵向迁移，且提高横向迁移。而N3-2层阻碍电子的纵向迁移能力，就必须控制N3-2层的厚度，一般控制在2-4nm。因为在两端高二维电子气的作用下，电子能实现遂穿，而原则上遂穿效应能提高纵向电子迁移率，所以需严格控制N3-1层和N3-2层的厚度。本发明N3-2层和N3-1层的交替结构，在微观上，会形成新的高、低交替的能带，由势阱形成的二维电子气将会提高电子横向迁移率，而电子遂穿将会提高纵向迁移率。在宏观上，与传统N型GaN层结构相比，器件的N型GaN层和流经发光层的电流更加均匀，器件的发光效率会大幅提高，而N型GaN层电子的纵向迁移率会得到提高，宏观上器件的驱动电压将会降低。
实施方案一：
根据传统的方式制备样品1，其结构如图1所示。另外，根据本发明制备样品2，其结构如图2所示。样品1和样品2的不同点在于，样品2采用16个由N3-1层和N3-2层构成的交替结构层而代替了样品1中的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：
根据传统的方式制备样品3，其结构如图1所示。另外，根据本发明制备样品4，其结构如图2所示。样品3和样品4的不同点在于，样品4采用15个由N3-1层和N3-2层构成的交替结构层而代替了样品3中的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，并且降低其电压。
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详细说明，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 (23)
1.一种LED外延片，依次包括衬底、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、掺杂Si的N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、P型AlGaN层以及掺杂Mg的P型GaN层，其特征在于，所述掺杂Si的N型GaN层依次包括掺杂Si的第一N型GaN层、掺杂Si的第二N型GaN层以及至少一个由掺杂Si的第三N型GaN层和不掺杂Si的U型GaN层构成的交替结构层；所述第三N型GaN层的厚度为7-9nm，所述U型GaN层的厚度为2-4nm。
2.如权利要求1所述LED外延片，其特征在于，包括15-16个所述交替结构层，总厚度为520nm-540nm。
3.如权利要求1或2所述LED外延片，其特征在于，所述第一N型GaN层厚度为1.0-1.5μm。
4.如权利要求1或2所述LED外延片，其特征在于，所述第二N型GaN层厚度为800-1000nm。
5.如权利要求3所述LED外延片，其特征在于，所述第二N型GaN层厚度为800-1000nm。
6.如权利要求1，2和5中任一项所述LED外延片，其特征在于，所述衬底为(0001)面蓝宝石。
7.如权利要求3所述LED外延片，其特征在于，所述衬底为(0001)面蓝宝石。
8.如权利要求4所述LED外延片，其特征在于，所述衬底为(0001)面蓝宝石。
9.如权利要求1，2，5，7和8中任一项所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源。
10.如权利要求3所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源。
11.如权利要求4所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源。
12.如权利要求6所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基镓或三乙基镓作为镓源。
13.如权利要求1，2，5，7，8和10-12中任一项所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基铟作为铟源。
14.如权利要求3所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基铟作为铟源。
15.如权利要求4所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基铟作为铟源。
16.如权利要求6所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基铟作为铟源。
17.如权利要求9所述LED外延片，其特征在于，采用三甲基铟作为铟源。
18.如权利要求1，2，5，7，8，10-12和14-17中任一项所述LED外延片，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。
19.如权利要求3所述LED外延片，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。
20.如权利要求4所述LED外延片，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。
21.如权利要求6所述LED外延片，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。
22.如权利要求9所述LED外延片，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。
23.如权利要求13所述LED外延片，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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