CN103337451B - 外延结构的电子阻挡层生长方法及其相应的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了外延结构的电子阻挡层生长方法及其相应的外延结构，外延结构的电子阻挡层包括20-25个单元层，每一单元层从下至上依次包括：阱层，所述阱层为厚度1-1.5nm的P型InyGa（1-y）N层，y=0.05-0.10；磊层，所述磊层为厚度1-1.5nm的GaN层。本发明的新型InGaN/GaN超晶格改善了传统PAlGaN的空穴浓度、空穴注入效率、电子外溢情况，减小大电流下芯片的Droop效应，减少量子阱伤害，大幅度提高大功率LED芯片的光效。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域，特别地，涉及一种外延结构的电子阻挡层生长方法及其相应的外延结构。
背景技术
在LED市场上，照明多使用大尺寸大功率规格的30mil*30mil、45mil*45mil、60mil*60mil芯片，产品质量高低与芯片亮度直接相关。因此，各种尺寸芯片的流明/（瓦*单价）成为大功率市场价值导向和封装客户的关注重点。
目前提高大尺寸光效目前有很多种外延生长方法，大部分结构创新在于量子阱层，例如将传统的量子阱层设计成阶梯阱量子阱，提高电子和空穴的复合概率；传统的P层改良方法主要是改善Mg的掺杂效率和激活效率，传统的方法为调整P层Mg掺杂浓度或者生长压力、长速等等，但是P层Mg的电离率是非常低的，因此传统P层对于大功率光效的提高不明显。
发明内容
本发明目的在于提供一种外延结构的电子阻挡层生长方法及其相应的外延结构，以解决目前方法对芯片光效改良效果不佳的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种外延结构的电子阻挡层生长方法，包括以下步骤：
A、在温度为860-900℃，压力为250-350mbar的反应室内，通入1000～1500sccm的Mg以生长掺Mg的超晶格电子阻挡层单元，其中，Mg的掺杂浓度为7E+19～1E+20atom/cm3；所述电子阻挡层单元数目为20-25；电子阻挡层的厚度为40-75nm；
B、通入800～1600sccm的In生长阱层，阱层为厚度1-1.5nm的P型InyGa（1-y）N层，y=0.05-0.10，In的浓度控制在1E+18～2E18；
C、生长磊层为1-1.5nm厚度的GaN层。
优选的，所述步骤A之前包括：
S1、在1050-1150℃的氢气气氛下，反应室压力控制在150-200mbar，高温处理蓝宝石衬底4-5分钟；
S2、降温至550-580℃下，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲GaN层；
S3、升高温度到1000-1100℃下，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.0-3.0μm的不掺杂GaN层；
S4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着生长3.0-4.0μm持续掺杂硅的N型GaN层，Si的掺杂浓度控制在8E+18-1E19atom/cm3；
S5、降温至730-840℃，反应室压力控制在300-400mbar，周期性生长由2.7-3.5nm厚度InxGa（1-x）N阱层和10-12nm厚度GaN磊层组成的多量子阱发光层，x=0.21-0.23，总体厚度为165-233nm。
优选的，所述步骤C之后包括：
D1、升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长150-170nm掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度控制在3E+18-4E18atom/cm3；
D2、降温至650-700℃，保温20-30min，然后炉内冷却。
本发明还公开了一种LED外延结构，所述外延结构的电子阻挡层包括20-25个单元层，每一单元层从下至上依次包括：
阱层，所述阱层为厚度1-1.5nm的P型InyGa（1-y）N层，y=0.05-0.10；
磊层，所述磊层为厚度1-1.5nm的GaN层。
优选的，所述单元层之下从下至上依次包括：
低温缓冲GaN层，厚度为30-50nm；
不掺杂GaN层，厚度为2.5-3.0μm；
N型GaN层，厚度为3.5-4.5μm，掺杂Si，Si的掺杂浓度控制在8E+18-1E19atom/cm3；
多量子阱发光层，总体厚度为165-233nm，包括阱层和磊层；所述阱层为2.7-3.5nm厚度InxGa（1-x）N阱层，x=0.21-0.23，所述磊层为10-12nm厚度GaN磊层。
优选的，所述单元层之上还包括：
P型GaN层，厚度为150-170nm，掺杂Mg，Mg的掺杂浓度控制在3E+18-4E18atom/cm3。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明外延结构的电子阻挡层不需要在较高的温度下生长，减少了高温对量子阱的伤害，使得量子阱层结构破坏减少，复合效率相对增加；而传统的掺杂Al的PAlGaN必须在较高的温度下生长，高温对量子阱的伤害比较大；
2、本发明外延结构的电子阻挡层导带和价带为InGaN/GaN超晶格的能带，InGaN/GaN超晶格的势阱导带能束缚电子产生强烈的二维电子气从而将电子局限在新型电子阻挡层内，能改善大电流下电子的外溢情况，减少大功率的Droop效应，提高大功率光效，InGaN/GaN超晶格的势阱价带变得平坦，减少了对空穴的阻挡作用，提高了空穴的注入效率；
而传统掺杂Al的PAlGaN的导带较GaN的能带势磊更高，起到阻挡电子的作用，但是不能完全防止电子的外溢，特别是大电流下工作的大功率芯片，电子外溢情况严重，引起的Droop效率比较明显，传统的掺杂Al的PAlGaN的价带较GaN的能带价带低，低价带价带阻碍了空穴的注入效率，影响了量子阱电子空穴的复合效率；
3、本发明InGaN/GaN超晶格和量子阱晶格失配率相对减小，界面应力相对减小利于空穴的注入，P型InGaN镁的电离能为80-90mev,提高镁的激活效率，空穴浓度增加；
而传统的杂Al的PAlGaN晶格和量子阱晶格失配率高，造成界面应力增大，不利于空穴的注入，掺杂Al的PAlGaN层，Mg电离能高达130-150mev，P型GaN镁的电离能为100-120mev,因此镁的激活效率很低。
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LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的LED外延结构的结构示意图；
图3是现有LED外延结构的能带结构示意图；图（a）为导带能级示意图；图（b）为价带能级示意图；
图4是本发明优选实施例的能带结构示意图；图（a）为导带能级示意图；图（b）为价带能级示意图；
图5是样品1和样品2的光效性能数据点对比图；
图6是样品3和样品4的光效性能数据点对比图；
其中，1、P型GaN层，2、电子阻挡层，3、量子阱，4、N型GaN层，5、U型GaN层，2-A、阱层，2-B、磊层，6、不掺杂GaN层，7、低温缓冲GaN层。
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，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
以下分别说明采用以现有传统方法制备样品1的对比实施例一，和本发明生长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品1和样品2进行性能检测比较。
对比实施例一、
1、在1050-1150℃的的氢气气氛下，反应室压力控制在150-200mbar，高温处理蓝宝石衬底4-5分钟；
2、降温至550-580℃下，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1000-1100℃下，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.0-3.0um的不掺杂GaN；
4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着生长3.0-4.0μm持续掺杂硅的N型GaN；
5、降温至730-840℃，反应室压力控制在300-400mbar，生长周期性生长由2.7-3.5nmInxGa（1-x）N（x=0.21-0.23）阱层和10-12nmGaN磊组成的多量子阱发光层层，总体厚度控制在165-233nm；
6、再升高温度到920-970℃，反应室压力控制在150-300mbar，持续生长40-50nm掺铝、镁的P型AlyGaN（y=0.15-0.20）电子阻挡层；
7、再升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长150-170nm掺镁的P型GaN层；
8、最后降温至650-700℃，保温20-30min，然后炉内冷却，得到样品1。
实施例一、
本发明运用AixtronCruisIIMOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓（TMGa）及三乙基镓（TEGa）作为镓源，三甲基铟（TMIn）作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝（TMAl）作为铝源，二茂镁（CP2Mg）作为P型掺杂剂，衬底为（0001）面蓝宝石，反应室压力在150mbar到600mbar之间。
1、在1050-1150℃的的氢气气氛下，反应室压力控制在150-200mbar，高温处理蓝宝石衬底4-5分钟；
2、降温至550-580℃下，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1000-1100℃下，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.0-3.0um的不掺杂GaN；
4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着生长3.0-4.0μm持续掺杂硅的N型GaN，Si的掺杂浓度控制在8E+18-1E19atom/cm3；
5、降温至730-840℃，反应室压力控制在300-400mbar，生长周期性生长由2.7-3.5nmInxGa（1-x）N（x=0.21-0.23）阱层和10-12nmGaN磊组成的多量子阱发光层层，总体厚度控制在165-233nm；
6、再升高温度到860-900℃，反应室压力控制在250-350mbar，持续生长40-75nm掺镁的单个周期P型1-1.5nmInyGa（1-y）N（y=0.05-0.10）阱层和1-1.5nmGaN磊组成的多个超晶格新型电子阻挡层，超晶格生长周期数20-25；
7、再升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长150-170nm掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度控制在3E+18-4E18atom/cm3；
8、最后降温至650-700℃，保温20-30min，然后炉内冷却，得到样品2。
对比实施例一与实施例一的生长参数对比可见下表1。
表1对比实施例一与实施例一的生长参数对比
说明：表1中的-代表无
参见图1，传统方法制得的样品1中可见电子阻挡层2。参见图2，在本发明方法制得的样品2中可见由阱层2-A、磊层2-B交叠重合构成的复合电子阻挡层。参见图3和图4，两者结构的不同使得样品产生相应的多个势阱能级，增加空穴和电子的浓度，主要是减少电子的逃逸，增加空穴的浓度，提高复合效率；并且，多个阱能级使电子和空穴的波函数在K空间上各自的中心点更加靠近，增加电子和空穴的复合概率。
从图3上可以看出，样品1的电子阻挡层在图（a）中对应A点所指示的导带能级位置，在图（b）中对应A’点所指示的价带能级位置。
从图4上可以看出，样品2的阱层2-A、磊层2-B在图（a）中分别对应A点、B点所指示的导带能级位置，在图（b）中分别对应A’点、B’点所指示的价带能级位置。
然后，将制得的样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层150-200nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极130-150nm，相同的条件下镀保护层SiO240-50nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成305μm*711μm（12mi*28mil）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，得到的参数见图5。
图5的纵坐标为光效（1m/w），横坐标为芯片颗粒分布个数。样品2对应的数值为上方较粗的线条，样品1对应的数值为下方较细的线条。从图5数据得出样品2较样品1光效提升7-8%。本专利提供的生长方法提高了大尺寸芯片的光效。
以下分别说明采用以现有传统方法制备样品3的对比实施例二，和本发明生长方法制备样品4的实施例二，再将两种方法得到样品3和样品4进行性能检测比较。
对比实施例二、
实施步骤参见对比实施例一，得到样品3。
实施例二、
实施步骤参见实施例一，得到样品4。
对比实施例二与实施例二的生长参数对比可见下表2。
表2对比实施例二与实施例二的生长参数对比
然后，将样品3和样品4采取与样品1和样品2同样的处理方法后测试样品3和样品4的光电性能，得到的参数见图6。图6的纵坐标为光效（Lm/w），横坐标为芯片颗粒分布个数。样品4对应的数值为上方较粗的线条，样品3对应的数值为下方较细的线条。从图6数据得出样品4较样品3亮度提升6-7%。本专利提供的生长方法提高了大尺寸芯片的光效。
综合以上实施例，本专利采用的创新方法提高了大尺寸芯片光效6-8%。
参见图2，本发明还公开了一种根据上述电子阻挡层生长方法制得的LED外延结构，
所述外延结构的电子阻挡层包括20-25个单元层，每一单元层从下至上依次包括：
阱层，所述阱层为厚度1-1.5nm的P型InyGa（1-y）N层，y=0.05-0.10；
磊层，所述磊层为厚度1-1.5nm的GaN层。
另外，在所述单元层之下从下至上还可依次包括：
低温缓冲GaN层，厚度为30-50nm；
不掺杂GaN层，厚度为2.5-3.0um；
N型GaN层，厚度为3.5-4.5μm，掺杂Si，Si的掺杂浓度控制在8E+18-1E19atom/cm3；
多量子阱发光层，总体厚度为165-233nm，包括阱层和磊层；所述阱层为2.7-3.5nm厚度InxGa（1-x）N阱层，x=0.21-0.23，所述磊层为10-12nm厚度GaN磊层。
所述单元层之上还可包括：
P型GaN层，厚度为150-170nm，掺杂Mg，Mg的掺杂浓度控制在3E+18-4E18atom/cm3。
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 (4)
1.一种外延结构的电子阻挡层生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在1050-1150℃的氢气气氛下，反应室压力控制在150-200mbar，高温处理蓝宝石衬底4-5分钟；
S2、降温至550-580℃下，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲GaN层；
S3、升高温度到1000-1100℃下，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.0-3.0μm的不掺杂GaN层；
S4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着生长3.0-4.0μm持续掺杂硅的N型GaN层，Si的掺杂浓度控制在8E18-1E19atom/cm3；
S5、降温至730-840℃，反应室压力控制在300-400mbar，周期性生长由2.7-3.5nm厚度InxGa(1-x)N阱层和10-12nm厚度GaN磊层组成的多量子阱发光层，x＝0.21-0.23，总体厚度为165-233nm；
S6、在温度为860-900℃，压力为250-350mbar的反应室内，通入1000～1500sccm的Mg以生长掺Mg的超晶格电子阻挡层单元，其中，Mg的掺杂浓度为7E19～1E20atom/cm3；所述电子阻挡层单元数目为20-25；电子阻挡层的厚度为40-75nm；其中，每一电子阻挡层单元包括一阱层与一磊层，按照如下方式生长：
A1、通入800～1600sccm的In生长阱层，阱层为厚度1-1.5nm的P型InyGa(1-y)N层，y＝0.05-0.10，In的浓度控制在1E18～2E18atom/cm3；
A2、生长磊层为1-1.5nm厚度的GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种外延结构的电子阻挡层生长方法，其特征在于，所述步骤S6之后包括：
B1、升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长150-170nm掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度控制在3E18-4E18atom/cm3；
B2、降温至650-700℃，保温20-30min，然后炉内冷却。
3.一种LED外延结构，其特征在于，所述外延结构的电子阻挡层包括20-25个单元层，Mg的掺杂浓度为7E19～1E20atom/cm3，每一单元层从下至上依次包括：
阱层，所述阱层为厚度1-1.5nm的P型InyGa(1-y)N层，y＝0.05-0.10，In的浓度控制在1E18～2E18atom/cm3；
磊层，所述磊层为厚度1-1.5nm的GaN层；
所述单元层之下从下至上依次包括：
低温缓冲GaN层，厚度为30-50nm；
不掺杂GaN层，厚度为2.5-3.0μm；
N型GaN层，厚度为3.5-4.5μm，掺杂Si，Si的掺杂浓度控制在8E18-1E19atom/cm3；
多量子阱发光层，总体厚度为165-233nm，包括阱层和磊层；所述多量子阱发光层的阱层为2.7-3.5nm厚度InxGa(1-x)N阱层，x＝0.21-0.23，所述多量子阱发光层的磊层为10-12nm厚度GaN磊层。
4.根据权利要求3所述的一种LED外延结构，其特征在于，所述单元层之上还包括：
P型GaN层，厚度为150-170nm，掺杂Mg，Mg的掺杂浓度控制在3E18-4E18atom/cm3。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |