CN103346226B - Led 外延结构及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED外延结构及其生长方法。该外延结构包括：GaN缓冲层，设置在蓝宝石衬底上；N型GaN层，掺杂有Si和Al并设置在GaN缓冲层上；量子阱层，设置在N型GaN层上；P型GaN层，设置在量子阱层上。上述N型GaN层包括：第一N型GaN层，设置在GaN缓冲层上；第二N型GaN层，设置在第一N型GaN层上；第三N型GaN层，设置在第二N型GaN层上。上述N型GaN层包括交替设置的Si‑Al‑GaN层和Si‑GaN层。本发明提供的LED外延结构生长方法利用交替式掺杂Si和Al的方式生长N型GaN层，获得Si‑Al‑GaN/Si‑GaN层的周期性结构。采用本发明提供的LED外延结构的生长方法所制作LED的驱动电压得到降低，亮度和光效得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域，具体而言，涉及一种LED外延结构及其生长方法。
背景技术
GaN基材料（包括GaN、AlGaN、InGaN、MgGaN、SiGaN）属于直接带隙半导体，并且其带隙从1.8-6.2V连续可调，是生产高亮度蓝光、绿光和白光LED的最常用材料，广泛应用于背光源、大尺寸屏幕显示、标示标牌指示、信号灯及照明等领域。
GaN基LED外延结构生长方法通常为：采用MOCVD（金属有机化合物气相外延）在蓝宝石衬底上外延生长一层GaN缓冲层，然后再生长非掺杂的GaN，目的是提高后续外延晶体的质量，在此基础上再依次生长掺杂Si的N型GaN、掺杂In的GaN量子阱和掺杂Mg或Al的P型GaN，从而形成LED外延结构，如图1所示。
图1是现有的GaN基LED外延结构示意图，该外延结构包括：GaN缓冲层102，设置在蓝宝石衬底101上，包括厚度为50-60纳米的GaN层1021及厚度为2-2.5微米的GaN1022；N型GaN层103，设置在所述GaN缓冲层102上，所述N型GaN层103包括厚度为1-1.5微米、Si掺杂浓度为4E+18-5E+18的GaN层1031，厚度为0.8-1.0微米、Si掺杂浓度为8E+18-9E+18的GaN层1032和厚度为0.4-0.5微米、Si掺杂浓度为3E+18-4E+18的GaN层1033；量子阱层104，设置在所述N型GaN层103上，所述量子阱层具有15个InxGa(1-x)N（x=0.20-0.21）/GaN层的超晶格结构，其中InxGa(1-x)N（x=0.20-0.21）层的厚度为3纳米，GaN层的厚度为12纳米；P型GaN层105，设置在所述量子阱层上104，所述P型GaN层105包括厚度为40-50纳米的Al-GaN(掺杂Al)1051和厚度为0.2-0.3微米的Mg-GaN(掺杂Mg)层1052。
目前，大尺寸、大功率LED器件取代小功率LED器件是半导体照明工程的必然趋势，但是随着芯片尺寸的加大，现有N型GaN的电子运输过程中会出现“电流拥挤”的现象，整个外延层电流分布不均匀，流经量子阱的电流比较局域，造成的后果是芯片的驱动电压较高，亮度偏低，大尺寸的效果为光效（亮度除以电压）偏低。因此，N型GaN质量影响着LED器件的工作寿命及发光效率，而现有的工艺生长N型GaN时，难以获得高质量的N型GaN层。
图2是现有N型GaN的能带结构示意图，该能带结构包括：价带能级201、导带能级203以及位于两者之间的费米能级202，其中导带能级203包括掺杂Si浓度为4E+18-5E+18的GaN形成的导带能级2031、掺杂Si浓度为8E+18-9E+18的GaN形成的导带能级2032和掺杂Si浓度为3E+18-4E+18的GaN形成的导带能级2033。导带能级2031和2033为势垒，导带能级2032为势阱。该能带结构中的势垒能级和势阱能力相差不大，电子在传输过程中容易发生跃迁，使得电子输运过程中存在最短输运路径，在最短路径上将会出现电子密度过大引起的“电流拥挤”现象，最终导致LED的驱动电压较高，亮度偏低。
发明内容
为了解决现有大功率LED器件存在的驱动电压较高、亮度偏低的技术问题，本发明提供了一种LED外延结构及其生长方法。该生长方法采用交替式掺杂Si和Al的方式生长N型GaN层，形成Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的周期性N型GaN结构。该N型GaN具有超晶格结构，其中Si-Al-GaN层具有相对低的电阻值，而Si-GaN层具有相对高的电阻值，高、低电阻值的N型GaN在电流输送过程中使得电子横向扩展能力加强，从而解决了电子运输过程中出现的电流拥挤现象，降低了驱动电压，使得量子阱电流均匀化，总体发光面积增加，亮度和光效提到提升。
本发明一方面提供了一种LED外延结构。该外延结构包括：GaN缓冲层，设置在蓝宝石衬底上；N型GaN层，掺杂有Si和Al并设置在GaN缓冲层上；量子阱层，设置在N型GaN层上；P型GaN层上，设置在量子阱层上。优选地，上述N型GaN层包括交替设置的Si-Al-GaN层和Si-GaN层。
优选地，上述N型GaN层包括：第一N型GaN层，设置在GaN缓冲层上；第二N型GaN层，设置在第一N型GaN层上；第三N型GaN层，设置在第二N型GaN层上。
优选地，在本发明提供的具体实施方式中，第一N型GaN层中的Si-Al-GaN层与Si-GaN层交替设置38-40个周期。其中，Si-Al-GaN层厚度为8-10纳米，Si的掺杂浓度为5E+18-6E+18，Al的掺杂浓度为9E+19-1E+20；Si-GaN层的厚度为3-5纳米，Si的掺杂浓度为5E+16-6E+16。
优选地，在本发明提供的具体实施方式中，第二N型GaN层中的Si-Al-GaN层与Si-GaN层交替设置20-26个周期。其中，Si-Al-GaN层的厚度为14-16纳米，Si的掺杂浓度为8E+18-9E+18，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20；Si-GaN层的厚度为2-3纳米，Si的掺杂浓度为8E+16-9E+16。
优选地，在本发明提供的具体实施方式中，第三N型GaN层中的Si-Al-GaN层与Si-GaN层交替设置15-16个周期。其中，Si-Al-GaN层的厚度为17-18纳米，Si的掺杂浓度为4E+18-5E+18，Al的掺杂浓度为3E+20-4E+20；Si-GaN层的厚度为1-2纳米，Si的掺杂浓度为3E+18-4E+18。
本发明的另一方面在于提供了一种LED外延结构的生长方法。该生长方法包括以下步骤：在1100-1200℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底；在蓝宝石衬底上沉积GaN缓冲层；通过MOCVD工艺生长掺杂有Si和Al的N型GaN层；在N型GaN层上沉积量子阱层；在量子阱层上沉沉积P型GaN层。
优选地，通过MOCVD工艺生长掺杂有Si和Al的N型GaN层的步骤包括：在所述GaN缓冲层上沉积第一N型GaN层；在所述第一N型GaN层上沉积第二N型GaN层；在所述第二N型GaN层上沉积第三N型GaN层。
优选地，上述沉积第一N型GaN层的步骤包括：在Si的掺杂浓度为5E+18-6E+18，Al的掺杂浓度为9E+19-1E+20的条件下，在GaN缓冲层上沉积厚度为8-10纳米的Si-Al-GaN层；在Si的掺杂浓度为5E+16-6E+16的条件下，在Si-Al-GaN层上沉积厚度为3-5纳米的Si-GaN层；交替设置Si-Al-GaN层和Si-GaN层38-40个周期。
优选地，沉积第二N型GaN层的步骤包括：在Si的掺杂浓度为8E+18-9E+18，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20的条件下，在第一N型GaN层上沉积厚度为14-16纳米的Si-Al-GaN层；在Si的掺杂浓度为8E+16-9E+16的条件下，在Si-Al-GaN层上沉积厚度为2-3纳米的Si-GaN层；交替设置Si-Al-GaN层和Si-GaN层20-26个周期。
优选地，沉积第三N型GaN层的步骤包括：在Si的掺杂浓度为4E+18-5E+18，Al的掺杂浓度为3E+20-4E+20的条件下，在第二N型GaN层上沉积厚度为17-18纳米的Si-Al-GaN层；在Si的掺杂浓度为3E+18-4E+18下，在Si-Al-GaN层上沉积厚度为1-2纳米的Si-GaN层；交替设置Si-Al-GaN层和Si-GaN层15-16个周期。
由以上技术方案可以看出，本发明利用交替式掺杂Si和Al的方式生长GaN层，获得Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的周期性结构。由于Si-Al-GaN层具有相对低的电阻值，而Si-GaN具有相对高的电阻值，从而使得N型GaN在电流输送过程中的电子横向扩展能力加强，解决了电子运输过程中出现的电流拥挤现象，降低了驱动电压，使得量子阱电流均匀化，总体发光面积增加，亮度和光效提到提升。
附图说明
构成本发明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示出了现有GaN基LED外延结构示意图；
图2示出了现有N型GaN的能带结构示意图；
图3示出了本发明提供的GaN基LED外延结构示意图；
图4示出了本发明提供的N型GaN的能带结构示意图；
图5示出了本发明提供的LED外延结构生长方法的流程示意图；
图6示出了本发明一实施例提供的LED产品发光光效的测试结果示意图；以及
图7示出了本发明一实施例提供的LED产品驱动电压的测试结果示意图。
具体实施方式
下面，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。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。
在本发明中式子“Si-Al-GaN”是指同时掺杂Si和Al原子形成的具有超晶格结构的GaN；“Si-GaN”是指掺杂Si原子形成的具有超晶格结构的GaN；“Al-GaN”是指掺杂Al原子形成的具有超晶格结构的GaN；“Mg-GaN”是指掺杂Mg原子形成的具有超晶格结构的GaN；“InxGa（1-x）N（x=0.20-0.21）：是指In原子取代Ga原子形成的具有超晶格结构的GaN，其中x是指In原子取代Ga原子的数量与取代前Ga原子数量的比值。
由背景技术可知，现有大功率LED器件存在的驱动电压较高、亮度偏低的技术问题，本发明的发明人对上述问题进行研究，提出利用Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）超晶格结构取代现有的N型GaN结构，高能带的Si-Al-GaN作为势垒，低能带Si-GaN作为势阱，Si-Al-GaN/Si-GaN超晶格能在Si-GaN势阱处产生局域化电子，形成高密度的二维电子气，从而提高了器件的电子迁移率以及电子的横向传播，解决了电子运输过程中出现的电流拥挤现象。采用本发明提供的LED外延结构的生长方法所制作LED的驱动电压得到降低，总体发光面积得到增加，亮度和光效得到提升。
本发明一方面提供了一种LED外延结构。从图3所示的结构示意图可以看出，该外延结构包括：GaN缓冲层302，设置在蓝宝石衬底上301；N型GaN层303，该N型GaN层303掺杂有Si和Al并设置在GaN缓冲层302上；量子阱层304，设置在N型GaN层303上；P型GaN层305，设置在量子阱层304上。由于N型GaN层303中掺杂有Si和Al，Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）超晶格结构取代现有的N型GaN结构，高能带的Si-Al-GaN作为势垒，低能带Si-GaN作为势阱，Si-Al-GaN/Si-GaN超晶格能在Si-GaN势阱处产生局域化电子，形成高密度的二维电子气，从而提高了器件的电子迁移率以及电子的横向传播，解决了电子运输过程中出现的电流拥挤现象。
优选地，该N型GaN层303包括第一N型GaN层3031、第二N型GaN层3032以及第三N型GaN层3033。其中，第一N型GaN层3031设置在GaN缓冲层302上；第二N型GaN层3032设置在第一N型GaN层3031上；第三N型GaN层3033设置在第二N型GaN层3032上；该具体实施方式所提供的GaN基LED外延结构示意图请见图3。
优选地，本发明所提供的GaN缓冲层302包括厚度为50-60纳米的GaN层3021及厚度为2-2.5微米的GaN3022。由于蓝宝石材料与GaN材料晶格失配大，为了消除GaN生长过程中产生的各种缺陷，需要先在蓝宝石衬底上生长一层薄的GaN缓冲层（50-60纳米），然后再生长厚度为2-2.5微米的非掺杂GaN，以提高外延GaN晶体的质量。
优选地，本发明所提供的第一N型GaN层3031具有38-40个Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的超晶格结构，以加强电子的横向扩展作用，使得外延层的电流均匀分布，从而增加总体发光面积，提升LED器件的亮度和光效。Si-Al-GaN层的厚度可以是8-10纳米，其中Si的掺杂浓度为5E+18-6E+18，Al的掺杂浓度为9E+19-1E+20；Si-GaN层的厚度可以是3-5纳米，其中Si的掺杂浓度为5E+16-6E+16。该N型GaN层中Si和Al的掺杂浓度比较高，使得超晶格势阱中产生高密度的二维电子气，有利于电子的横向扩展。
优选地，本发明所提供的第二N型GaN3032层具有20-26个Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的超晶格结构。Si-Al-GaN层的厚度可以是14-16纳米，其中Si的掺杂浓度为8E+18-9E+18，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20；Si-GaN层的厚度可以是2-3纳米，其中Si的掺杂浓度为8E+16-9E+16。相比第一N型GaN层中的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的超晶格结构而言，第二N型GaN层中Al的掺杂浓度得到增加，目的是提高Si-Al-GaN的势垒能带，而势垒能带能够提高阻挡电子的纵向传输，加强电子的横向传输；第二N型GaN层中Si的掺杂浓度有所减小，以增加超晶格结构的电阻值，提高电子的横向扩展能力。
优选地，本发明所提供的第三N型GaN3033层具有15-16个Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的超晶格结构。Si-Al-GaN层的厚度可以是17-18纳米，其中Si的掺杂浓度为4E+18-5E+18，Al的掺杂浓度为3E+20-4E+20；Si-GaN层的厚度可以是1-2纳米，其中Si的掺杂浓度为3E+18-4E+18。相比第二N型GaN层中的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层的超晶格结构而言，第三N型GaN层中Al的掺杂浓度进一步增加，同样是为了提高Si-Al-GaN的势垒能带，进而提高阻挡电子的纵向传输，加强电子的横向传输；Si的掺杂浓度进一步减小，其作用一方面是进一步提高超晶格结构的电阻值，提高电子的横向扩展能力，另一方面是保证整个LED器件的正反向漏电正常，整个LED器件工作正常。
优选地，本发明提供的量子阱层304具有15个InxGa(1-x)N（x=0.20-0.21）/GaN层的超晶格结构。其中，InxGa(1-x)N（x=0.20-0.21）层的厚度可以是3纳米，GaN层的厚度可以是12纳米。
优选地，本发明所提供的P型GaN层305包括厚度为40-50纳米的Al-GaN层3051和厚度为0.2-0.3微米的Mg-GaN层3052。
图4是本发明提供的N型GaN的能带结构示意图，该能带结构包括：价带能级401、导带能级403以及位于两者之间的费米能级402。其中，导带能级403包括未掺杂GaN形成的导带能级4031、Si-GaN超晶格形成的导带能级4032和Si-Al-GaN超晶格形成的导带能级4033，并且导带能级403包括78-82个导带能级4032和78-82个导带能级4033（在图4中没有全部标注来，以省略线表示的）。在本发明提供的N型GaN的能带结构中，导带能级4032为势阱，导带能级4033为势垒。Si-Al-GaN超晶格能在势阱4032处产生局域化电子，形成高密度的二维电子气，提高了器件的电子迁移率，并提高了电子的横向传播，解决了电子运输过程中出现的电流拥挤现象，降低了驱动电压，使得量子阱电流均匀化，总体发光面积增加，亮度和光效提到提升。
本发明的另一方面在于提供了一种LED外延结构的生长方法。该生长方法包括以下步骤：在1100-1200℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底；在所述蓝宝石衬底上沉积GaN缓冲层；通过MOCVD工艺生长掺杂有Si和Al的N型GaN层；在N型GaN层上沉积量子阱层；在所述量子阱层上沉积P型GaN层。
为了进一步说明本发明所提供的LED外延结构的生长方法，下面将结合图5进一步阐述该生长方法。
本发明运用Aixtron Cruis Ⅰ MOCVD设备生长GaN基LED外延结构。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，金属有机源三甲基镓（TMGa），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(CP2Mb)作为P型掺杂剂，反应压力在100mbar到800mbar之间。如图5所示，首先，在1100-1200℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底5-6分钟，蓝宝石衬底的晶面为（0001）。
然后，降温至530-570℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为50-60纳米的GaN缓冲层，然后升温至1000-1100℃，生长厚度为2-2.5微米的GaN。
接着，在1000-1100℃温度下交替生长Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层，形成第一N型GaN层、第二N型GaN层、第三N型GaN层。第一N型GaN层3031包括38-40个生长周期的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层；Si-Al-GaN层的厚度为8-10纳米，其中Si的掺杂浓度为5E+18-6E+18，Al的掺杂浓度为9E+19-1E+20；Si-GaN层的厚度为3-5纳米，其中Si的掺杂浓度为5E+16-6E+16。第二N型GaN层3032包括20-26个生长周期的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层；Si-Al-GaN层的厚度为14-16纳米，其中Si的掺杂浓度为8E+18-9E+18，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20；Si-GaN层的厚度为2-3纳米，其中Si的掺杂浓度为8E+16-9E+16。第三N型GaN层3033包括15-16个生长周期的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/Si-GaN（掺杂Si）层；Si-Al-GaN层的厚度为17-18纳米，其中Si的掺杂浓度为4E+18-5E+18，Al的掺杂浓度为3E+20-4E+20；Si-GaN层的厚度为1-2纳米，其中Si的掺杂浓度为3E+18-4E+18。
接着，在750℃温度下生长15个周期的InxGa（1-x）N（x=0.20-0.21）层，然后在840℃生长厚度为12纳米的GaN层，形成量子阱层。
最后，在930-950℃温度下生长厚度为40-50纳米Al-GaN（掺杂铝）层，然后在950-980℃温度下生长厚度为0.2-0.3微米Mg-GaN（掺杂镁）层，形成P型GaN层。降温至670-680℃，保温20-30min，随炉冷却，即完成GaN基LED外延结构的生长。
以下将以具体实施例进一步说明本发明所提供的LED外延结构及其生长方法。
实施例1
在1150℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底5分钟。降温至550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为55纳米的GaN缓冲层，然后升温至1025℃，生长厚度为2.3微米的GaN。在1025℃温度下生长Si的掺杂浓度为5.5E+18的GaN层；生长Si的掺杂浓度为8.5E+18的GaN层；生长Si的掺杂浓度为4.5E+18的GaN。在750℃温度下生长15个周期的InxGa（1-x）N（x=0.20-0.21）层，然后在840℃生长厚度为12纳米的GaN层，形成量子阱层。在940℃温度下生长厚度为45纳米Al-GaN层，然后在965℃温度下生长厚度为0.25微米的Mg-GaN层，最后降温至670℃，保温25min后随炉冷却。
实施例2
在1150℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底5分钟。降温至550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为55纳米的GaN缓冲层，然后升温至1025℃，生长厚度为2.3微米的GaN。在1025℃温度下交替生长40个厚度为9纳米的Si-Al-GaN/厚度为4纳米的Si-GaN层，形成第一N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为5.5E+18，Al的掺杂浓度为9.5E+19，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为5.5E+16；交替生长20个厚度为15纳米的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/厚度为17纳米的Si-GaN（掺杂Si）层，形成第二N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为8.5E+18，Al的掺杂浓度为1.5E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为1.5E+18；交替生长15个厚度为17纳米的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/厚度为1纳米的Si-GaN（掺杂Si）层，形成第三N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为4.5E+18，Al的掺杂浓度为3.5E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为4.5E+16。在750℃温度下生长15个周期的InxGa（1-x）N（x=0.20-0.21）层，然后在840℃生长厚度为12纳米的GaN层，形成量子阱层。在940℃温度下生长厚度为45纳米Al-GaN层，然后在970℃温度下生长厚度为0.25微米的Mg-GaN层，最后降温至675℃，保温25min后随炉冷却。
实施例3
在1100℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底5分钟。降温至530℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为50纳米的GaN缓冲层，然后升温至1000℃，生长厚度为2微米的GaN。在1000℃温度下交替生长39个厚度为8纳米的Si-Al-GaN/厚度为3纳米的Si-GaN层，形成第一N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为5E+18，Al的掺杂浓度为9E+19，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为5E+16；交替生长24个厚度为14纳米的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/厚度为2纳米的Si-GaN（掺杂Si）层，形成第二N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为8E+18，Al的掺杂浓度为1E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为1E+18；交替生长16个厚度为17纳米的Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/厚度为1纳米的Si-GaN（掺杂Si）层，形成第三N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为4E+18，Al的掺杂浓度为3E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为4E+16。在750℃温度下生长15个周期的InxGa（1-x）N（x=0.20-0.21）层，然后在840℃生长厚度为12纳米的GaN层，形成量子阱层。在940℃温度下生长厚度为45纳米Al-GaN层，然后在950℃温度下生长厚度为0.25微米的Mg-GaN层，最后降温至670℃，保温20min后随炉冷却。
实施例4
在1200℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底6分钟。降温至570℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为60纳米的GaN缓冲层，然后升温至1100℃，生长厚度为2.5微米的GaN。在1100℃温度下交替生长38个厚度为10纳米的Si-Al-GaN/厚度为5纳米的Si-GaN层，形成第一N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为6E+18，Al的掺杂浓度为1E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为6E+16；交替生长26个厚度为16纳米Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/厚度为3纳米Si-GaN（掺杂Si）层，形成第二N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为9E+18，Al的掺杂浓度为2E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为2E+18；交替生长16个厚度为18纳米Si-Al-GaN（掺杂Si和Al）/厚度为2纳米Si-GaN（掺杂Si）层，形成第三N型GaN层，其中Si-Al-GaN层中Si的掺杂浓度为5E+18，Al的掺杂浓度为4E+20，Al-GaN层中Si的掺杂浓度为5E+16。在750℃温度下生长15个周期的InxGa（1-x）N（x=0.20-0.21）层，然后在840℃生长厚度为12纳米的GaN层，形成量子阱层。在940℃温度下生长厚度为45纳米Al-GaN层，然后在980℃温度下生长厚度为0.25微米的Mg-GaN层，最后降温至680℃，保温30min后随炉冷却。
对实施例1和实施例2所得到的LED外延结构进行光刻形成台阶，然后镀厚度为200纳米ITO层，接着镀厚度为130纳米Cr/Pt/Au电极，再镀厚度为50纳米SiO2保护层。将上述得到的芯片进行减薄，然后切割成1143μm*1143μm(45mi*45mil)的芯片颗粒，并挑选150颗晶粒，封装成白光LED。采用积分球在驱动电流350mA条件下所制得LED的发光光效和驱动电压，测试结果请见图6和图7。
如图6所示，与实施例1所得到的LED相比，实施例2所得到LED的发光光效提升了5-6%。从图7数据可以得出，与实施例1所得到的LED相比，实施例2所得到LED的驱动电压降低了0.1-0.15v。
从以上实施例可以看出，本发明上述的实例实现了如下技术效果：采用本发明提供的LED外延结构的生长方法所制作LED的驱动电压得到降低，总体发光面积得到增加，亮度和光效得到提升。
以上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 (6)
1.一种LED外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：
GaN缓冲层，设置在蓝宝石衬底上；
N型GaN层，掺杂有Si和Al并设置在所述GaN缓冲层上；
量子阱层，设置在所述N型GaN层上；
P型GaN层上，设置在所述量子阱层上；
所述N型GaN层包括交替设置的Si-Al-GaN层和Si-GaN层；
所述N型GaN层包括：
第一N型GaN层，设置在所述GaN缓冲层上；
第二N型GaN层，设置在所述第一N型GaN层上；以及
第三N型GaN层，设置在所述第二N型GaN层上；
在所述第一N型GaN层中，所述Si-Al-GaN层与Si-GaN层交替设置38-40个周期，其中，
所述Si-Al-GaN层的厚度为8-10纳米，其中Si的掺杂浓度为5E+18-6E+18，Al的掺杂浓度为9E+19-1E+20；
所述Si-GaN层的厚度为3-5纳米，其中Si的掺杂浓度为5E+16-6E+16。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，在所述第二N型GaN层中，所述Si-Al-GaN层与Si-GaN层交替设置20-26个周期，其中
所述Si-Al-GaN层的厚度为14-16纳米，其中Si的掺杂浓度为8E+18-9E+18，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20；
所述Si-GaN层的厚度为2-3纳米，其中Si的掺杂浓度为8E+16-9E+16。
3.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，在所述第三N型GaN层中，所述Si-Al-GaN层与Si-GaN层交替设置15-16个周期，其中，
所述Si-Al-GaN层的厚度为17-18纳米，其中Si的掺杂浓度为4E+18-5E+18，Al的掺杂浓度为3E+20-4E+20；
所述Si-GaN层的厚度为1-2纳米，其中Si的掺杂浓度为3E+18-4E+18。
4.一种LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括以下步骤：
在1100-1200℃、氢气条件下处理蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上沉积GaN缓冲层；
通过MOCVD工艺生长掺杂有Si和Al的N型GaN层；
在N型GaN层上沉积量子阱层；以及
在所述量子阱层上沉积P型GaN层；
所述通过MOCVD工艺生长掺杂有Si和Al的N型GaN层的步骤包括：
在所述GaN缓冲层上沉积第一N型GaN层；
在所述第一N型GaN层上沉积第二N型GaN层；以及
在所述第二N型GaN层上沉积第三N型GaN层；
所述沉积第一N型GaN层的步骤包括：
在Si的掺杂浓度为5E+18-6E+18，Al的掺杂浓度为9E+19-1E+20的条件下，在所述GaN缓冲层上沉积厚度为8-10纳米的Si-Al-GaN层；
在Si的掺杂浓度为5E+16-6E+16的条件下，在所述Si-Al-GaN层上沉积厚度为3-5纳米的Si-GaN层；
交替设置所述Si-Al-GaN层和Si-GaN层38-40个周期。
5.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于，所述沉积第二N型GaN层的步骤包括：
在Si的掺杂浓度为8E+18-9E+18，Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20的条件下，在所述第一N型GaN层上沉积厚度为14-16纳米的Si-Al-GaN层；
在Si的掺杂浓度为8E+16-9E+16的条件下，在所述Si-Al-GaN层上沉积厚度为2-3纳米的Si-GaN层；
交替设置所述Si-Al-GaN层和Si-GaN层20-26个周期。
6.根据权利要求4所述的生长方法，其特征在于，所述沉积第三N型GaN层的步骤包括：
在Si的掺杂浓度为4E+18-5E+18，Al的掺杂浓度为3E+20-4E+20的条件下，在所述第二N型GaN层上沉积厚度为17-18纳米的Si-Al-GaN层；
在Si的掺杂浓度为3E+18-4E+18下，在所述Si-Al-GaN层上沉积厚度为1-2纳米的Si-GaN层；
交替设置所述Si-Al-GaN层和Si-GaN层15-16个周期。
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