CN103441195B - Led外延片、其制作方法及包括其的led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED外延片、其制作方法及包括其的LED芯片。该LED外延片包括：由衬底表面向外依次设置的GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层以及第一P型GaN层；还包括设置在第一P型GaN层上的隧道结层。该LED外延片的制作方法包括以下步骤：在衬底表面向外依次形成GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层和第一P型GaN层；在第一P型GaN层上形成隧道结层。采用本发明提供的LED外延片的制作方法所得到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外延片、其制作方法及包括其的LED芯片。
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芯片的制作方法通常为：采用MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积方法）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形成LED外延片；在LED外延片上生长ITO层；通过光刻及沉积工艺在ITO层上形成P电极，以及在N型GaN上形成N电极，从而形成LED芯片，如图1所示。
图1是现有的GaN基LED芯片的结构示意图，该芯片包括：GaN缓冲层102，设置在蓝宝石衬底101上；U型GaN层103，设置在GaN缓冲层102上；N型GaN层104，设置在所述U型GaN层103，N型GaN层包括平行设置的第一表面1041、第二表面1042，并且第一表面1041的高度高于第二表面1042；量子阱层105，设置在所述N型GaN层的第一表面1041上，所述量子阱层具有InxGa(1-x)N（x=0.20～0.21）/GaN层的周期性结构，其中InxGa(1-x)N（x=0.20～0.22）层的厚度为2.7～3.5纳米，GaN层的厚度为11～12纳米，量子阱层105总的厚度为165～233纳米；P型GaN层106，设置在所述量子阱层上105，其中P型GaN层106包括厚度为40～50纳米的掺杂Al和Mg的Al-Mg-GaN层1061和和厚度为150-200纳米的掺杂Mg的Mg-GaN层1062；ITO层107，设置在P型GaN层106上；P电极108，设置在ITO层107上；N电极109，设置在N型GaN层的第二表面1042上；保护层110，设置在ITO层107的表面、N型GaN层的第二表面以及两者之间的侧壁上。
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LED芯片的P型GaN层和N型GaN层中的电子运输过程中会出现“电流拥挤”的现象，使得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。另一方面，P型GaN层的电阻值比较高（一般为8～10Ω），因此P型GaN层必须采用ITO作为连接层，以降低P型GaN层和P电极的欧姆接触电阻；但是ITO必须达到200～300纳米的厚度才能显著降低P型GaN层和P电极之间的欧姆接触电阻，而过厚的ITO会对光子产生一定程度的吸收，从而降低了LED的外部量子效率。
发明内容
本发明旨在提供一种LED外延片、其制作方法及包括其的LED芯片，以解决现有大功率LED器件存在的驱动电压较高、亮度偏低的技术问题。
本发明一方面提供了一种LED外延片。该外延片包括：由衬底表面向外依次设置的GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层以及第一P型GaN层；还包括设置在第一P型GaN层上的隧道结层。
进一步地，上述隧道结层包括：第二P型GaN层，设置在第一P型GaN层上，优选地，在第二P型GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3；绝缘层，设置在第二P型GaN层上；第二N型GaN层，设置在绝缘层上，优选地，在第二N型GaN层中Si的掺杂浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm3。
进一步地，上述绝缘层包括：第二U型GaN层，设置在第二P型GaN层上；掺杂In的GaN层，设置在第二U型GaN层上，优选地，掺杂In的GaN层掺杂In后形成的化学式为InxGa(1-x)N，其中x为0.1～0.15；第三U型GaN层，设置在掺杂In的GaN层上。
进一步地，在上述隧道结层中，第二P型GaN层的厚度为20～30纳米；第二U型GaN层的厚度为2～3纳米；掺杂In的GaN层的厚度为8～10纳米；第三U型GaN层的厚度为2～3纳米；第二N型GaN层的厚度为30～40纳米。
本发明的另一方面提供了一种LED芯片。该芯片包括：衬底、设置在衬底上的外延片，以及设置在外延片上的P电极和N电极，其中外延片为本发明所提供的LED外延片，并且P电极设置在该外延片中隧道结层上，N电极设置在该外延片中第一N型GaN层上。
本发明的又一方面在于提供了一种LED外延片的制作方法。该制作方法包括以下步骤：在衬底表面向外依次形成GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层和第一P型GaN层；在第一P型GaN层上形成隧道结层。
进一步地，在第一P型GaN层上形成隧道结层的步骤包括：在第一P型GaN层上形成第二P型GaN层；在第二P型GaN层上形成绝缘层；在绝缘层上形成第二N型GaN层。
进一步地，在第二P型GaN层上形成绝缘层包括：在第二P型GaN层上形成第二U型GaN层；在第二U型GaN层上形成掺杂In的GaN层；在掺杂In的Ga(N层上形成第三U型GaN层。
进一步地，形成隧道结层的步骤包括：在温度为1000～1100℃、压力为200～600mbar、通入Mg的流量为2500～2600sccm的条件下，生长厚度为20～30纳米的第二P型GaN层；通过40～50秒降温至800～850℃，控制压力为300～400mbar，依次生长厚度为2～3纳米的第二U型GaN层、厚度为8～10纳米的掺杂In的GaN层、厚度为2～3纳米的第三U型GaN层；通过45秒升温至900～950℃、控制压力为300～400mbar，生长厚度为30～40纳米的第二N型GaN层。
进一步地，在隧道结层的形成过程中：在第二P型GaN层中，Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3；在掺杂In的GaN层中，掺杂In后形成的化学式为InxGa(1-x)N，且x为0.1～0.15；在第二N型GaN层中，Si的掺杂浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm3。
应用本发明上述技术方案，通过在所述第一P型GaN层上设置隧道结层，不但增强了电子的扩展能力，减少了电子迁移过程中出现的“电流拥挤现象”，使得芯片中的电流均匀分布，总体发光面积增加，亮度和光效提到提升，而且减少了LED芯片对光的吸收，提高了LED的外部量子效率。
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LED芯片的结构示意图；
图2示出了本发明实施例中LED芯片的结构示意图；
图3示出了本发明实施例中LED外延片中的隧道结的能带结构示意图；
图4示出了本发明提供的LED外延片的制作方法的流程示意图；
图5示出了在本发明提供的LED外延片的制作过程中，在蓝宝石衬底上依次形成GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层和第一P型GaN层后的剖面结构示意图；
图6示出了在图5第一P型GaN层上形成隧道结层后的剖面结构示意图；
图7示出了在本发明提供的LED芯片的制作过程中，在图6第一N型GaN层上形成第二表面后的剖面结构示意图；
图8示出了在图7第一N型GaN层第二表面上形成N电极，以及隧道结层上形成P电极后的剖面结构示意图；
图9示出了在图8隧道结层的表面、第一N型GaN层的第二表面以及两者之间的侧壁上沉积保护层后的剖面结构示意图；
图10示出了本发明实施例1与对比例1提供的LED产品发光光效的测试结果示意图；以及
图11示出了本发明实施例1与对比例1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。
在本发明中术语“Mg-GaN”是指掺杂Mg后形成的GaN层；术语“Al-Mg-GaN”是指掺杂Mg和Al后形成的GaN层；术语P型GaN层是指掺杂Mg或掺杂Al或同时掺杂Mg和Al后形成的GaN层；术语N型GaN层是指掺杂Si后形成的GaN层；术语U型GaN层是指未掺杂的GaN层；公式“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器件存在驱动电压较高、亮度偏低以及外部量子效率偏低的技术问题，本发明的发明人对上述问题进行研究，提出了一种利用隧道结层取代了现有LED外延片中的ITO层的LED外延片结构。图2示出了一种LED芯片的结构示意图，其中包括本发明LED外延片的结构。如图2所示，本发明所提供的LED外延片包括：由衬底201表面向外依次设置的GaN缓冲层202、第一U型GaN层203、第一N型GaN层204、量子阱层205以及第一P型GaN层206，还包括设置在第一P型GaN层上的隧道结层。优选地，第一N型GaN层包括平行设置的第一表面2041、第二表面2042，并且第一表面2041的高度高于第二表面2042；量子阱层205，设置在所述第一N型GaN层的第一表面2041上。
隧道结层是由导电层、绝缘层、导电层组成的半导体器件，导电层中的电子在隧穿效应的作用下可以顺利通过绝缘层与空穴进行交换，其机理可以通过隧道结层的能带进行阐述。图3示出了本发明提供的LED外延片中的隧道结层的能带结构示意图。如图3所示，该能带结构包括：价带能级301、导带能级302以及费米能级303；在低于或高于费米能级303的一定能量值范围内，价带能级301和到带能级302具有相同的能量值，使得隧道结中的电子和空穴能够很容易从价带跃迁到导带或者从导带跃迁到价带，两者相遇后发生复合。在隧穿效应的作用下，电子和空穴的移动得到加强，从而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，使得芯片中的电流均匀分布，总体发光面积增加，亮度和光效提到提升。
在本发明所提供的LED外延片中，优选隧道结层207包括第二P型GaN层2071、绝缘层以及第二N型GaN层2075。第二P型GaN层2071设置在第一P型GaN层206上，优选地，在第二P型GaN层2071中Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3；绝缘层设置在第二P型GaN层2071上。第二N型GaN层2075设置在绝缘层上，优选地，在第二N型GaN层中掺杂Si的浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm3。在这种隧道结层结构中，通过在绝缘层的两侧形成第二P型GaN层2071和第二N型GaN层2075以为绝缘层提供导电载流子（包括电子和空穴）。优选地，在第二P型GaN层2071中进行了Mg重掺杂，在第二N型GaN层2075中进行了Si重掺杂，通过重掺杂的方式提高了导电层中载流子的浓度，降低了导电层以及隧道结层的电阻，从而降低隧道结与P电极之间的欧姆接触电阻，进一步降低驱动电压。
在本发明所提供的LED外延片中，优选隧道结层207的绝缘层包括第二U型GaN层2072、掺杂In的GaN层2073以及第三U型GaN层2074。第二U型GaN层2072设置在第二P型GaN层2071上；掺杂In的GaN层2073设置在第二U型GaN层2072上；第三U型GaN层2074设置在掺杂In的GaN层2073上。其中，掺杂In的GaN层2073的能级低于未掺In的GaN的能级，因此掺杂In的GaN层2073能够降低隧道结层的部分能级，形成能量高于费米能级的导带和价带，以及能量低于费米能级的导带和价带的隧道结能带，使得隧穿电子和空穴能够很容易从价带跃迁到导带或者从导带跃迁到价带。优选地，掺杂In的GaN层2073掺杂In后形成的化学式为InxGa(1-x)N，其中x为0.1～0.15。具有该化学式的掺杂In的GaN层2073具有较低能级，为隧道结中的电子穿过绝缘层提供途径。
在本发明所提供的LED外延片中，隧道结层207具有上述五层结构时，在隧穿效应的作用下隧道结层中电子和空穴的移动得到加强，从而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。该隧道结层207的厚度优选为60～110纳米，如果隧道结层207的厚度过大，隧道结层207中的隧穿效应会减弱，进而使得电子和空穴的移动减弱。优选地，在隧道结层中，第二P型GaN层2071的厚度为20～30纳米；第二U型GaN层2072的厚度为2～3纳米；掺杂In的GaN层2073的厚度为8～10纳米；第三U型GaN层2074的厚度为2～3纳米；第二N型GaN层的厚度为30～40纳米。当隧道结层207的各层厚度在上述范围内，由于绝缘层的厚度很小，一部分能量低于势垒的载流子仍然能够穿越势垒（量子隧穿效应），使得低温条件下温下绝缘层的电阻急剧减小。
本发明还提供了一种LED芯片。从图2所示的结构示意图可以看出，该芯片包括衬底201、设置在衬底上的外延片，以及设置在外延片上的P电极208和N电极209。其中，外延片为本发明提供的LED外延片，P电极208设置在该外延片中隧道结层207上，N电极209设置在该外延片中第一N型GaN层204上。本发明所提供的这种LED芯片中的电流均匀分布，总体发光面积增加，亮度和光效提到提升。
优选地，上述LED芯片还包括保护层210。保护层210设置在隧道结层207的表面、第一N型GaN层的第二表面2042以及两者之间的侧壁上。优选地，N电极209设置在第一N型GaN层的第二表面2042上；保护层210设置在隧道结层207的表面、第一N型GaN层的第二表面2042以及两者之间的侧壁上。
同时，在本发明中还提供了一种LED外延片的制作方法，包括在衬底201表面向外依次形成GaN缓冲层202、第一U型GaN层203、第一N型GaN层204、量子阱层205和第一P型GaN层206，以及在第一P型GaN层206形成隧道结层207。
图4示出了本发明提供的LED外延片的制作方法的流程示意图，图5-6示出了本发明提供的LED外延片的制作方法中经过每一步骤后的剖面结构示意图。为了进一步说明本发明所提供的LED外延片的制作方法，下面将结合图4～6进一步阐述该生长方法。
步骤S1，如图5所示，在蓝宝石衬底501上依次形成GaN缓冲层502、第一U型GaN层503、第一N型GaN层504、量子阱层505和第一P型GaN层506。其具体的制备过程为：
步骤S11，通过480～500秒从室温升温至1000～1150℃，在氢气气氛、反应室压力为150～200mbar的条件下处理蓝宝石衬底5～6分钟。
步骤S12，通过400～450秒降温至540～590℃，反应室压力控制在450～600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30～45nm的GaN缓冲层。
步骤S13，通过320～380秒升温至1050～1150℃，反应室压力控制在450～600mbar，持续生长2.5～3.5um的不掺杂GaN，即第一U型GaN层。
步骤S14，保持温度不变，反应室压力控制在200～400mbar，接着生长3.0～3.5μm掺杂Si的第一N型GaN层，其中Si的掺杂浓度5E+18～1E+19atom/cm3。
步骤S15，通过240～300秒降温至740～840℃，反应室压力控制在300～400mbar，周期性生长厚度为2.7～3.5nm的InxGa（1-x）N（x=0.20-0.22）势阱层和厚度为11～12nm的GaN势垒层，组成量子阱层，所述量子阱层的总厚度为165～233nm。
步骤S16，通过70～90秒升温至920～970℃，反应室压力控制在150～300mbar，生长40～50nm掺Al和Mg的P型GaN阻挡层；然后通过70～90秒升温至1000～1100℃，反应室压力控制在200～600mbar，控制通入Mg的流量为800～1000sccm，生长厚度为100～150nm的掺镁的高温P型GaN层，Mg的掺杂浓度为4E+18～5E+18atom/cm3，P型GaN阻挡层和高温P型GaN层共同构成第一P型GaN层。优选地，在P型GaN阻挡层，Al的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3，Mg的掺杂浓度为5E+19～1E+20atom/cm3；在高温P型GaN层中，Mg的掺杂浓度为4E+18～5E+18atom/cm3。
步骤S2，如图6所示，在第一P型GaN层606上形成隧道结层607。其具体的制备过程为：
步骤S21，保持温度在1000～1100℃、反应室压力在200～600mbar不变，控制通入Mg的流量为2500～2600sccm，生长20～30nm的重掺杂P型GaN层，即第二P型GaN层2071，其中Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3。
步骤S22，通过40～50秒降温至800-850℃，压力控制在300～400mbar，生长2～3nm的不掺杂GaN，形成第二U型GaN层2072；然后再通入In生长厚度为8～10nm的InxGa(1-x)N层2073（x=0.10～0.15）；停止In的充入，生长厚度为2～3nm的不掺杂GaN，形成第三U型GaN层2074。
步骤S23，通过40～50秒升温至900～950℃，生长厚度为30～40nm的掺杂Si的第二N型GaN层2075，其中Si的掺杂浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm3；通过300～320秒降温至730～780℃，退火25～30min，然后炉内降温冷却至室温，形成LED外延片。
上述生长工艺可以包括但不限于化学气相沉积、溅射、热沉积，上述制备工艺为本领域常见的技术手段，在此不再赘述。
同时，本发明还提供了一种LED芯片的制作方法。如图5～9所示，该制作方法包括以下步骤：在衬底上制作外延片，以及在外延片上制作P电极208、N电极209和保护层210，其中外延片的制作方法为本发明提供的LED外延片制作方法。优选地，P电极208设置在该外延片中隧道结层207上，N电极209设置在该外延片中第一N型GaN层204上，保护层210，设置在隧道结层207的表面、第一N型GaN层的第二表面2042以及两者之间的侧壁上。
如图5、6所示，在衬底上制作外延片的方法与本发明所提供的LED外延片的方法相同，其具体步骤同上述步骤S1～S2，在此不再赘述。
在外延片上制作P电极208、N电极209和保护层210的步骤S3包括：通过光刻及刻蚀工艺在第一N型GaN层704上形成第二表面7042；在第一N型GaN层第二表面8042上形成N电极809，以及在隧道结层807上形成P电极808；在隧道结层807的表面、第一N型GaN层的第二表面8042以及两者之间的侧壁上沉积保护层810。图7至9示出了本发明提供的LED芯片的制作方法中经过每一步骤后的剖面结构示意图。为了进一步说明本发明所提供的LED芯片的制作方法，下面将结合图7至9进一步阐述该制作方法。
步骤S31，如图7所示，通过光刻及刻蚀工艺在第一N型GaN层704上形成第二表面7042。其具体制备过程为：将外延片置于HCl：HNO3配比为1：3～4的王水溶液中浸泡5～6min，取出用去离子水清洗3～4min；然后在外延片均匀涂抹光刻胶，在曝光机上制作N电极区域图样；将曝光后的外延片放入ICP刻蚀机内刻蚀外延层，刻蚀深度为1200-1500纳米；将刻蚀后的外延片置于去胶溶液中处理3～4min，然后采用去离子水清洗3～4min，以去除光刻胶。
步骤S32，如图8所示，在上述外延片均匀涂抹光刻胶，在曝光机上制作P、N电极图样，然后放入蒸镀炉中，升温至700～800℃，蒸镀Cr/Pt/Au电极层，优选地，电极层的厚度为1200～1500A；然后对Cr/Pt/Au层进行平坦化，并清洗平坦化后的外延片。
步骤S33，如图9所示，在上述外延片上均匀涂抹光刻胶，在曝光机上制作P、N电极包裹图样；然后放入蒸镀炉中，升温至300～350℃，蒸镀厚度为40～60nm的保护层；去除光刻胶。优选地，所述保护层包括SiO2。
以下将以具体实施例进一步说明本发明所提供的LED外延片、LED芯片及它们的制作方法。
实施例1
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，该制作方法包括在衬底表面形成外延层，在外延层上形成隧道结层，以及制作P电极、N电极和保护层。
步骤S1，在衬底表面形成外延层，包括以下步骤：
通过490秒从室温升温至1100℃，在氢气气氛、反应室压力为180mbar的条件下处理蓝宝石衬底5分钟；
通过420秒降温至560℃，反应室压力控制在480mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为40nm的GaN缓冲层；
通过350秒升温至1100℃，反应室压力控制在480mbar，持续生长2.5μm的不掺杂GaN，即第一U型GaN层；
保持温度不变，反应室压力控制在300mbar，接着生长厚度为3.2μm掺杂Si的第一N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为7E+18atom/cm3；
通过260秒降温至780℃，反应室压力控制在350mbar，交替生长厚度为3nm的InxGa（1-x）N（x=0.20）势阱层和厚度为11nm的GaN势垒层，生长周期为13个，形成量子阱层；
通过80秒升温至950℃，反应室压力控制在200mbar，生长厚度为45nm掺Al和Mg的P型GaN阻挡层，其中Al的掺杂浓度分别为1.5E+20atom/cm3，和Mg的掺杂浓度为8E+19atom/cm3；然后通过80秒升温至1050℃，反应室压力控制在400mbar，控制通入Mg的流量为900sccm，生长厚度为120nm的掺镁的高温P型GaN层，Mg的掺杂浓度为4E+18～5E+18atom/cm3，P型GaN阻挡层和高温P型GaN层共同构成第一P型GaN层。
步骤S2，在外延层上形成隧道结层，包括以下步骤：
保持温度在1050℃、反应室压力在400mbar，控制通入Mg的流量为2550sccm，生长厚度为25nm的重掺杂P型GaN层，即第二P型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1.5E+20atom/cm3；
通过45秒降温至820℃，压力控制在350mbar，生长厚度为3nm的不掺杂GaN，形成第二U型GaN层；然后再通入In生长厚度为9nm的InxGa(1-x)N层，其中x=0.12；停止In的充入，生长厚度为3nm的不掺杂GaN，形成第三U型GaN层；
通过45秒升温至920℃，生长厚度为35nm的掺杂Si的第二N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为1.1E+19atom/cm3；通过310秒降温至750℃，退火28min，然后炉内降温冷却至室温，形成LED外延片。
步骤S3，制作P电极、N电极和保护层，包括以下步骤：
将外延片置于HCl：HNO3配比为1：3的王水溶液中浸泡5min，取出用去离子水清洗4min；然后在外延片均匀涂抹光刻胶，在曝光机上制作N电极区域图样；将曝光后的外延片放入ICP刻蚀机内刻蚀外延层，刻蚀深度为14000A；将刻蚀后的外延片置于去胶溶液中处理4min，然后采用去离子水清洗3min，以去除光刻胶；
在上述外延片均匀涂抹光刻胶，在曝光机上制作P、N电极图样。然后放入蒸镀炉中，升温至750℃，蒸镀Cr/Pt/Au电极层，所述电极层的厚度为1400A；然后将其放入撕金机，对Cr/Pt/Au层进行平坦化；将平坦化后的外延片置于去胶溶液中处理3min，然后采用去离子水清洗4min，以去除光刻胶；
在上述外延片上均匀涂抹光刻胶，在曝光机上制作P、N电极包裹图样。然后放入蒸镀炉中，升温至320℃，蒸镀厚度为50nm的SiO2保护层；将蒸镀SiO2保护层后的外延片置于去胶溶液中处理3min，然后采用去离子水清洗4min，以去除光刻胶。至此，得到LED芯片。
实施例2
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，该制作方法包括在衬底表面形成外延层，在外延层上形成隧道结层，以及制作P电极、N电极和保护层。
在本实施例中，在衬底表面形成外延层的步骤与实施例1步骤S1相同，制作N电极、P电极以及保护层的步骤与实施例1步骤S3相同。
在外延层上形成隧道结层的步骤与实施例1中的步骤S2不相同，在本实施例中步骤S2为：
保持温度在1000℃、反应室压力在200mbar，控制通入Mg的流量为2500sccm，生长厚度为20nm的重掺杂P型GaN层，即第二P型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1.0E+20atom/cm3；
通过40秒降温至800℃，压力控制在300mbar，生长厚度为2nm的不掺杂GaN，形成第二U型GaN层；然后再通入In生长厚度为8nm的InxGaN层，其中x=0.12；停止In的充入，生长厚度为2nm的不掺杂GaN，形成第三U型GaN层；
通过40秒升温至900℃，生长厚度为30nm的掺杂Si的第二N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为1.0E+19atom/cm3；通过300秒降温至730℃，退火25min，然后炉内降温冷却至室温，形成LED外延片。
实施例3
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，该制作方法包括在衬底表面形成外延层，在外延层上形成隧道结层，以及制作P电极、N电极和保护层。
在本实施例中，在衬底表面形成外延层的步骤与实施例1步骤S1相同，制作N电极、P电极以及保护层的步骤与实施例1步骤S3相同。
在外延层上形成隧道结层的步骤与实施例1中的步骤S2不相同，在本实施例中步骤S2为：
保持温度在1100℃、反应室压力在600mbar，控制通入Mg的流量为2600sccm，生长厚度为30nm的重掺杂P型GaN层，即第二P型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为2.0E+20atom/cm3；
通过50秒降温至850℃，压力控制在400mbar，生长厚度为3nm的不掺杂GaN，形成第二U型GaN层；然后再通入In生长厚度为10nm的InxGa(1-x)N层，其中x=0.12；停止In的充入，生长厚度为3nm的不掺杂GaN，形成第三U型GaN层；
通过50秒升温至950℃，生长厚度为40nm的掺杂Si的第二N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为1.2E+19atom/cm3；通过320秒降温至780℃，退火30min，然后炉内降温冷却至室温，形成LED外延片。
实施例4
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，该制作方法包括在衬底表面形成外延层，在外延层上形成隧道结层，以及制作P电极、N电极和保护层。
在本实施例中，在衬底表面形成外延层的步骤与实施例1步骤S1相同，制作N电极、P电极以及保护层的步骤与实施例1步骤S3相同。
在外延层上形成隧道结层的步骤与实施例1中的步骤S2不相同，在本实施例中步骤S2为：
保持温度在1102℃、反应室压力在605mbar，控制通入Mg的流量为2490sccm，生长厚度为34nm的重掺杂P型GaN层，即第二P型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为2.2E+20atom/cm3；
通过53秒降温至857℃，压力控制在410mbar，生长厚度为4nm的不掺杂GaN，形成第二U型GaN层；然后再通入In生长厚度为12nm的InxGa(1-x)N层，其中x=0.16；停止In的充入，生长厚度为4nm的不掺杂GaN，形成第三U型GaN层；
通过56秒升温至958℃，生长厚度为43nm的掺杂Si的第二N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为1.3E+19atom/cm3；通过330秒降温至800℃，退火35min，然后炉内降温冷却至室温，形成LED外延片。
对比例1
首先，在衬底表面向外依次形成GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层和第一P型GaN层。其具体工艺过程与实施例1相同。
然后，通过310秒降温至705℃，退火28min，然后炉内降温冷却至室温，形成LED外延片。
接着，将外延片置于HCl：HNO3配比为1：3的王水溶液中浸泡5min，取出用去离子水清洗4min；将上述外延片置于蒸镀炉中，升温至400℃，在高温P型GaN层上沉积厚度为2200A的ITO层。
最后，制作N电极209、P电极208以及保护层210，其具体工艺过程与实施例1相同。
将实施例1至4和对比例1所得到的LED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。在驱动电流350mA条件下，采用点测机测试所制得LED的亮度和驱动电压。
实施例1和对比例1的测试结果请见图10和图11。如图10所示，对比例1所得到的LED的亮度为170～190mw，而实施例1所得到的LED的亮度为195～203mv。可见，与对比例1所得到的LED相比，实施例1所得到LED的亮度得到有效的提升。从图11数据可以得出，对比例1所得到的LED的驱动电压为3.4～3.5V，而实施例1所得到的LED的驱动电压为3.25～3.38V。可见，与对比例1所得到的LED相比，实施例1所得到LED的驱动电压得到有效降低。
将实施例1至4和对比例1所制得LED的亮度和驱动电压的平均值汇总于表1。从表1可以看出，与对比例1所制得LED相比，本发明实施例1～所制得LED的平均亮度提高了16～21mv，平均驱动电压降低了0.1～0.14V。
表1
| 平均亮度/mw | 平均驱动电压/V | |
| 实施例1 | 198 | 3.32 |
| 实施例2 | 195 | 3.31 |
| 实施例3 | 196 | 3.33 |
| 实施例4 | 193 | 3.35 |
| 对比例1 | 177 | 3.45 |
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芯片的制作方法所得到LED的驱动电压得到降低，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 (8)
1.一种LED外延片，包括由衬底(201)表面向外依次设置的GaN缓冲层(202)、第一U型GaN层(203)、第一N型GaN层(204)、量子阱层(205)以及第一P型GaN层(206)，其特征在于，还包括设置在所述第一P型GaN层(206)上的隧道结层(207)；
所述隧道结层(207)包括第二P型GaN层(2071)，设置在所述第一P型GaN层(206)上，绝缘层，设置在所述第二P型GaN层(2071)上；第二N型GaN层(2075)，设置在所述绝缘层上，
所述绝缘层包括：第二U型GaN层(2072)，设置在所述第二P型GaN层(2071)上；掺杂In的GaN层(2073)，设置在所述第二U型GaN层(2072)上，第三U型GaN层(2074)，设置在所述掺杂In的GaN层(2073)上。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，在所述第二P型GaN层(2071)中Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3；在所述第二N型GaN层(2075)中Si的掺杂浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm3。
3.根据权利要求2所述的外延片，其特征在于，所述掺杂In的GaN层(2073)掺杂In后形成的化学式为InxGa(1-x)N，其中x为0.1～0.15。
4.根据权利要求3所述的外延片，其特征在于，在所述隧道结层中，
所述第二P型GaN层(2071)的厚度为20～30纳米；
所述第二U型GaN层(2072)的厚度为2～3纳米；
所述掺杂In的GaN层(2073)的厚度为8～10纳米；
所述第三U型GaN层(2074)的厚度为2～3纳米；以及
所述第二N型GaN层(2075)的厚度为30～40纳米。
5.一种LED芯片，包括衬底(201)、设置在所述衬底上的外延片，以及设置在所述外延片上的P电极(208)和N电极(209)，其特征在于，所述外延片为权利要求1至4中任一项所述的外延片，所述P电极(208)设置在该外延片中隧道结层(207)上，所述N电极(209)设置在该外延片中的第一N型GaN层(204)上。
6.一种LED外延片的制作方法，包括在衬底(501)表面向外依次形成GaN缓冲层(502)、第一U型GaN层(503)、第一N型GaN层(504)、量子阱层(505)和第一P型GaN层(506)，其特征在于，所述制作方法还包括：在所述第一P型GaN层(506)上形成隧道结层(507)；
所述在第一P型GaN层(506)上形成隧道结层(607)的步骤包括：
在所述第一P型GaN层(606)上形成第二P型GaN层(6071)；
在所述第二P型GaN层(6071)上形成绝缘层；
在所述绝缘层上形成第二N型GaN层(6075)；
所述在第二P型GaN层(6071)上形成绝缘层包括：
在所述第二P型GaN层(6071)上形成第二U型GaN层(6072)；
在所述第二U型GaN层(6072)上形成掺杂In的GaN层(6073)；
在所述掺杂In的GaN层(6073)上形成第三U型GaN层(6074)。
7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述形成隧道结层(607)的步骤包括：
在温度为1000～1100℃、压力为200～600mbar、通入Mg的流量为2500～2600sccm的条件下，生长厚度为20～30纳米的所述第二P型GaN层(6071)；
通过40～50秒降温至800～850℃，控制压力为300～400mbar，依次生长厚度为2～3纳米的所述第二U型GaN层(6072)、厚度为8～10纳米的掺杂In的所述GaN层(6073)、厚度为2～3纳米的所述第三U型GaN层(6074)；
通过45秒升温至900～950℃、控制压力为300～400mbar，生长厚度为30～40纳米的所述第二N型GaN层(6075)。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，在所述隧道结层(607)的形成过程中，
在所述第二P型GaN层(6071)中，Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm3；
在所述掺杂In的GaN层(6073)中，掺杂In后形成的化学式为InxGa(1-x)N，且x为0.1～0.15；
在所述第二N型GaN层(6075)中，Si的掺杂浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm3。
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