CN103474537A - 包含渐变厚度势磊的 led 结构外延生长方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,生长发光层MQW的步骤为:在温度为730-750℃、100mbar到800mbar压力的反应室内,采用H2和/或N2作为载气,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21;将反应室温度调节为800-840℃,通入R时长的三甲基镓,生长出厚度为D的第一个GaN层;重复生长InGaN层,通入0.75-0.95倍R时长的三甲基镓,生成厚度为0.75-0.95倍D的第二个GaN层;依次类推,GaN层厚度逐层减小。本发明改变了发光层的势磊GaN厚度,使其依次减少,从而改善电子和空穴的分布,提高LED光效。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计领域,特别地,涉及一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法及其结构。
背景技术
目前国内MOCVD生长LED外延层其中涉及到发光层的生长,大抵都是势阱InGaN、势磊GaN为一个周期重复生长,一般周期数控制在11-15个左右。
发光层的厚度一般控制在150nm-250nm,相对于N、P型GaN而言发光层的阻值相对比较高;发光层中不掺杂Si或者低浓度掺杂Si的势磊GaN更是加大了发光层的阻值。
阻值较高的好处:发光层接近N层的结构势磊GaN阻值高能阻挡多数的电子,电子浓度数值在1E+20-2E+20个/cm3(N型GaN中电子的迁移率高达200-250v/cm2,Si掺杂剂电离90%以上,电子的浓度高速度快,电子容易穿透发光层泄露至P层产生非复合辐射消耗空穴),让电子在发光层中减速,让电子均匀分散在发光层中,减弱电子的外溢泄露,提高势阱InGaN层的电子浓度。
坏处是:因为空穴的行为和电子的行为是相反的,P型掺杂剂Mg的电离率非常低,通常只有1%-2%,整个P层的空穴浓度相对电子而言浓度非常低,浓度数值在3E+18-5E+18个/cm3,P层阻值大约8-10欧姆(N层阻值大约3-4欧姆),空穴的有效质量比电子有效质量大很多,所以空穴的迁移率非常低,发光层的阻值比P层的阻值高,空穴很难穿透发光层,很多论文指出,靠近发光层第一个势阱InGaN空穴浓度最高,第二、三、四个势阱InGaN空穴浓度递减,第五、六个势阱InGaN基本不存在空穴。
发明内容
本发明目的在于提供一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法及其结构,以解决电子和空穴分布不均,影响LED光效的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种(权利要求确定后由代理人补充)。
。
本发明具有以下有益效果:本发明通过改变三甲基镓的通入时长,从而改变了发光层MQW的若干个InxGa(1-x)N/GaN组合单元中的势磊GaN厚度,使势磊GaN厚度依次减少,势磊GaN阻值减小,削弱了多电子和空穴传播时的阻挡作用,P层传播的空穴因为阻挡减弱能够传播更远,一方面增加了原来陷空穴的浓度,另一方面增加了含有空穴的势阱的个数,由于空穴的迁移率较低(10-15cm2/(V*s)),含有空穴的势阱个数约为4-5个,通过势磊GaN厚度依次减少,势阱个数增加为6-7个;对电子而言每个势阱都填充电子,这个是由电子迁移率高(100-150cm2/(V*s))决定的,势磊GaN厚度依次减少只能单方面提高势阱电子的浓度;通过势磊GaN厚度依次减少改善电子和空穴的分布,提高LED光效,改善发光层的阻值,降低LED的驱动电压。
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是现有的LED外延结构示意图;
图2是本发明优选实施例的发光层势磊渐变的LED外延结构示意图;
图3是现有的发光层和电子阻挡层的能带结构示意图;
图4是本发明优选实施例的势磊渐变发光层的能带结构示意图;
图5是本发明优选实施例一和对比实施例一的芯片亮度对比示意图;
图6是本发明优选实施例一和对比实施例一的芯片电压对比示意图;
其中,1、衬底,2、低温缓冲GaN层,3、不掺杂GaN层,4、掺Si的GaN层,5、发光层InxGa(1-x)N/GaN,6、GaN层,7、P型AlGaN层,8、P型GaN层,9、InxGa(1-x)N层,10、第一个GaN层,11、第二个GaN层,12、第N个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。
参见图2,本发明提供了包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤,其特征在于,所述生长发光层MQW的步骤为:
A、在温度为730-750℃、100mbar到800mbar压力的反应室内,采用H2和/或N2作为载气,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21;
将反应室温度调节为800-840℃,通入R时长的三甲基镓,生长出厚度为D的第一个GaN层;
B、将反应室温度调节为730-750℃,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21;In的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3;
将反应室温度调节为800-840℃,通入三甲基镓;三甲基镓的通入时长为步骤A通入时长R的0.75-0.95倍,生长出厚度为0.75-0.95D的第二个GaN层;
三甲基镓可优选为金属有机源三甲基镓。
C、将反应室温度调节为730-750℃,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21;
将反应室温度调节为800-840℃,通入三甲基镓;三甲基镓的通入时长为上一个步骤通入时长R的0.75-0.95倍,生长出厚度为(0.75-0.95)n*D的第N个GaN层;
D、重复C步骤,直至生成12-16个InxGa(1-x)N/GaN层。
本发明通过改变三甲基镓的通入时长,从而改变了生长发光层MQW的若干个InxGa(1-x)N/GaN组合单元中的势磊GaN厚度,使势磊GaN厚度依次减少,从而改善电子和空穴的分布,提高LED光效。
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,和采用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1000-1100℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底8-10分钟;
2、降温至540-590℃下,在蓝宝石衬底上生长厚度为30-40nm的低温缓冲层GaN;
3、升高温度到1100-1200℃下,持续生长2.5-3.5μm的不掺杂GaN;
4、生长3-4μm持续掺杂Si的N型GaN,Si的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm3;
5、周期性生长有发光层MQW:低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3nm InxGa(1-x)N(x~=0.20-0.21)层,高温800-840℃生长11-12nm GaN层;InxGa(1-x)N/GaN周期数为13-15个;
6、再升高温度到900-950℃持续生长20-30nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度为1E+20-3E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度为1E+19-2E+19个/cm3;
7、再升高温度到930-1000℃持续生长200-300nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3;
8、最后降温至650-680℃,保温20-30min,接着炉内冷却;得到样品1。
样品1的结构可参见图1所示,其能带图见图3所示。其中,上方曲线为GaN导带能级,中间虚线为GaN费米能级;下方曲线为GaN价带能级,A、B点分别表示发光层中的InGaN层和GaN层。
实施例一、
本发明运用Aixtron MOCVD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,金属有机源三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)作为镓源,三甲基铟(TMIn)作为铟源,N型掺杂剂为硅烷(SiH4),三甲基铝(TMAl)作为铝源,P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg),衬底为(0001)面蓝宝石,反应压力在100mbar到800mbar之间。具体生长方式如下(外延结构请参考图2,第5步的能带请参考图4):
1、在1000-1100℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底8-10分钟;
2、降温至540-590℃下,在蓝宝石衬底上生长厚度为30-40nm的低温缓冲层GaN;
3、升高温度到1100-1200℃下,持续生长2.5-3.5μm的不掺杂GaN;
4、生长3-4μm持续掺杂Si的N型GaN,Si的掺杂浓度为5E+19-1E+20个/cm3;
5、周期性分组生长有发光层MQW:
(1)第一双层组合单元:低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3nm InxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层,In的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3;高温800-840℃时,采用333s通入20sccm的TMGa,生长15-16nm厚度的GaN层,InxGa(1-x)N/GaN周期数为3-4个;
(2)第二双层组合单元:低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3nm InxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层,In的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3;高温800-840℃时,采用290s通入20sccm的TMGa,生长14-15nm厚度的GaN层,InxGa(1-x)N/GaN周期数为3-4个;
(3)第三双层组合单元:低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3nmInxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层,In的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3;高温800-840℃时,采用230s通入20sccm的TMGa,生长10-11nm厚度的GaN层,InxGa(1-x)N/GaN周期数为3-4个;
(4)第四双层组合单元:低温730-750℃生长掺杂In的2.5-3nmInxGa(1-x)N(x~=0.20-0.21)层,In的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3;高温800-840℃时,采用177s通入20sccm的TMGa,生长8-10nm厚度的GaN层,InxGa(1-x)N/GaN周期数为3-4个;
或者,第5步骤的发光层可以1-4个InGaN/GaN层为一个单元生长,每一个单元内的GaN层厚度一致;但整个发光层GaN厚度从16nm渐变为8nm。
优选为每个单元为1-2个InGaN/GaN层。
6、再升高温度到900-950℃持续生长20-30nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度为1E+20-3E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度为1E+19-2E+19个/cm3;
7、再升高温度到930-1000℃持续生长200-300nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3;
8、最后降温至650-680℃,保温20-30min,接着炉内冷却;得到样品2。
样品2的结构可参见图2所示,其能带图见图4所示。其中,上方曲线为GaN导带能级,中间虚线为GaN费米能级;下方曲线为GaN价带能级,A、B点分别表示发光层中的InGaN
层和GaN层。
样品1和样品2发光层的生长工艺条件对比可参见下表1。
表1发光层生长参数的对比
样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层约100nm,相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约150nm,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,然后在相同位置挑选样品1和样品2各自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。
将积分球获得的数据进行分析对比,请参考附图5和附图6,从图5数据得出样品2较样品1光效提升6-7%,从图6数据得出样品2较样品1电压降低0.13-0.15v,效果突出。
本发明还公开了一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延结构,依次包括衬底1、低温缓冲GaN层2、不掺杂GaN层3、掺Si的GaN层4、MQW发光层5、P型AlGaN层6和P型GaN层7,所述MQW发光层5包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InxGa(1-x)N层9和一个GaN层6,x=0.20-0.21,组合单元的个数为12-16,每层InxGa(1-x)N层9的厚度为2.5-3nm。
每层GaN层6的厚度为上一梯次的双层组合单元中GaN层6厚度的0.75-0.95倍。例如,第一个GaN层10的厚度为16nm,第二个GaN层11的厚度为第一个GaN层10的厚度的0.875倍,即14nm,第N个GaN层12则为第一个GaN层10的厚度的0.875n倍。
优选地,每一梯次的双层组合单元数可为1-4,GaN层厚度相同的为同一梯次的双层组合单元。
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 (8)
1.一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长发光层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤,其特征在于,所述生长发光层MQW的步骤为:
A、在温度为730-750℃、100mbar到800mbar压力的反应室内,采用H2和/或N2作为载气,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21;
将反应室温度调节为800-840℃,通入总时长为R的三甲基镓,生长出厚度为D的第一个GaN层;
B、将反应室温度调节为730-750℃,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21,In的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3;
将反应室温度调节为800-840℃,通入三甲基镓;通入总时长为(0.75-0.95)×R倍的三甲基镓,生长出厚度为(0.75-0.95)×D的第二个GaN层;
C、将反应室温度调节为730-750℃,生长掺杂In的厚度为2.5-3nm的InxGa(1-x)N层,x=0.20-0.21;
将反应室温度调节为800-840℃,通入三甲基镓;通入总时长为(0.75-0.95)n×R倍的三甲基镓,三甲基镓的通入时长为上一个步骤通入时长R的0.75-0.95倍,生长出厚度为(0.75-0.95)n×D的第N个GaN层;
D、重复C步骤,直至生成12-16个InxGa(1-x)N/GaN层。
2.根据权利要求1所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,其特征在于,每一个步骤重复1-4次后,进行下一步骤。
3.根据权利要求1或2所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,其特征在于,所述步骤A的R为20-27sccm。
4.根据权利要求1或2所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,其特征在于,所述步骤A的D为15-16nm。
5.根据权利要求4所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,其特征在于,所述步骤C中的第N个GaN层厚度不小于8nm。
6.根据权利要求1或2所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延生长方法,其特征在于,所述三甲基镓为金属有机源三甲基镓。
7.一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延结构,依次包括衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、掺Si的GaN层、发光层MQW、P型AlGaN层和P型GaN层,其特征在于,所述生长发光层MQW包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InxGa(1-x)N层和一个GaN层,x=0.20-0.21,组合单元的个数为12-16,每层InxGa(1-x)N层的厚度为2.5-3nm;
每层GaN层的厚度为上一梯次的双层组合单元中GaN层厚度的0.75-0.95倍。
8.根据权利要求7所述的一种包含渐变厚度势磊的LED结构外延结构,其特征在于,每一梯次的双层组合单元数为1-4。
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