CN103474539B - 含有超晶格层的led结构外延生长方法及其结构 - Google Patents
含有超晶格层的led结构外延生长方法及其结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构,在生长发光层步骤与生长P型AlGaN层步骤之间,包括生长InN/GaN超晶格层的步骤:在温度为740-770℃、100mbar到800mbar压力的反应室内,采用H2和/或N2作为载气,生长InN/GaN超晶格层,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。本发明在传统的发光层量子阱层和电子阻挡层(AlGaN:Mg)之间插入InN/GaN超晶格层,利用InN的晶格系数从GaN顺利过渡到AlGaN,减小应力,增加量子阱的空穴浓度,提高发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域,特别地,涉及一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构。
背景技术
目前国内MOCVD厂家在生长LED外延层时都会在P层引入一层电子阻挡层,该电子阻挡层在LED器件中起着至关重要的作用,防止电子的外溢,对发光效率有帮助,对器件的抗静电能力有帮助,关系到器件的稳定性和器件的发光效率等。
但是该电子阻挡层也有很多缺点:例如电阻率高、空穴浓度低,空穴浓度迁移率低,空穴注入的效率非常差等。因为电子阻挡层是高能带的AlGaN:Mg材料,Mg的电离率很低空穴浓度低,迁移率低,空穴迁移的过程中受到能带的阻挡;GaN材料和电子阻挡层:Mg材料的接触面又由于晶格的不匹配导致接触面的能带弯曲,进一步加大了能带阻挡空穴迁移的作用;接触面晶格的不匹配AlGaN:Mg材料的结晶质量非常差,产生更多的缺陷,为电子的外溢提供通道,空穴受到缺陷的阻碍,使得迁移率进一步降低。
以目前MOCVD工艺而言,电子阻挡层虽然不能去掉,但是可以通过改变生长条件使得电子阻挡层的晶体质量得到改善,减弱负面影响。传统的做法是该电子阻挡层在N2、H2混合气氛下生长,H2的帮助使得其结晶质量变好;或者将这一层生长温度适当的提高以获得良好的晶体,但是温度太高对发光层又有伤害,所以温度提高有限制;或者减慢这一层的生长速率,以获得好的晶体质量。
发明内容
本发明目的在于提供一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法及其结构,以解决技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种含有超晶格层的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,在生长发光层MQW步骤与生长P型AlGaN层步骤之间,包括生长InN/GaN超晶格层的步骤:
在温度为740-770℃、100mbar到800mbar压力的反应室内,采用H2和/或N2作为载气,生长InN/GaN超晶格层,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
优选地,所述生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层的步骤为:
生长低温缓冲GaN层:在530-560℃的反应室内,在衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲GaN层;
生长不掺杂GaN层:升高温度到1100-1200℃,持续生长厚度为2-3um的不掺杂GaN;
生长掺Si的GaN层:持续生长掺杂Si的N型GaN,Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm。
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
优选地,所述生长发光层MQW步骤为:
在720-750℃的反应室内生长掺杂In的InxGa(1-x)N层,InxGa(1-x)N的厚度为3-4nm,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,其中x=0.20-0.21;将温度调节为850-880℃生长GaN层,GaN层的厚度为11-13nm;InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为14-16。
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
优选地,生长P型AlGaN层、生长P型GaN层的步骤为:
生长P型AlGaN层:在930-980℃的反应室内持续生长厚度为50-60nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3;
生长P型GaN层:升高温度到1000-1100℃持续生长厚度为100-150nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
本发明还提供一种含有超晶格层的LED外延结构,在发光层MQW与P型AlGaN层之间包括InN/GaN超晶格层:
InN/GaN超晶格层包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InN层和一个GaN层,组合单元的个数为10-15,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;
InN/GaN超晶格层的总厚度为20-30nm。
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
优选地,在所述InN/GaN超晶格层之下,从下至上依次包括:
衬底;
低温缓冲GaN层:厚度为30-50nm;
不掺杂GaN层:厚度为2-3um;
掺Si的GaN层:Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm;
发光层MQW:发光层为掺杂In的InxGa(1-x)N层,InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为14-16;InxGa(1-x)N的厚度为3-4nm,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,其中x=0.20-0.21;GaN层的厚度为11-13nm。
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
优选地,在所述InN/GaN超晶格层之上,从下至上依次包括:
P型AlGaN层:厚度为50-60nm,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度3E+19-4E+19个/cm3;
P型GaN层:厚度为100-150nm,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
优选地,在每个所述双层组合单元中:InN层在GaN层之上,或者InN层在GaN层之下。
本发明具有以下有益效果:
本发明在传统的发光层量子阱层和电子阻挡层(AlGaN:Mg)之间插入InN/GaN超晶格层,利用InN的晶格系数在AlGaN、GaN两者之间从GaN的生长顺利过渡到AlGaN的生长,使得AlGaN的晶格得到弛豫,应力释放比较明显。
InN/GaN超晶格层匹配了InGaN/GaN(量子阱)和AlGaN:Mg(电子阻挡层)之间的晶格,使得两者之间的应力减小,有利于空穴的扩展,界面能带弯曲程度减弱,增加量子阱的空穴浓度,提高发光效率;应力的减小还能提高空穴的迁移率,一定程度降低驱动电压,器件的光效会明显提升。
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发光层和电子阻挡层的能带结构示意图;
图5是本发明优选实施例和对比实施例的芯片亮度对比示意图;
图6是本发明优选实施例和对比实施例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、InN/GaN超晶格层,7、P型AlGaN层,8、P型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,本发明提供了一种含有超晶格层的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,
在生长发光层MQW步骤与生长P型AlGaN层步骤之间,包括生长InN/GaN超晶格层的步骤:
在温度为740-770℃的反应室内,采用高纯H2和/或高纯N2的混合气体作为载气,生长InN/GaN超晶格层,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15层,总厚度为20-30nm。
本发明在传统的发光层量子阱层和电子阻挡层(AlGaN:Mg)之间插入InN/GaN超晶格层,利用InN的晶格系数在AlGaN、GaN两者之间从GaN的生长顺利过渡到AlGaN的生长,使得两者之间的应力减小,有利于空穴的扩展,提高发光效率。
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4-5分钟;
2、降温至530-560℃下,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1100-1200℃下,持续生长2-3um的不掺杂GaN;
4、然后持续生长掺杂Si的N型GaN,Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm;
5、周期性生长发光层MQW,低温720-750℃生长掺杂In的3-4nmInxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,高温850-880℃生长11-13nmGaN层.InxGa(1-x)N/GaN周期数为14-16;
6、再升高温度到930-980℃持续生长50-60nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3;
7、再升高温度到1000-1100℃持续生长100-150nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3;
8、最后降温至680-780℃,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、C、D、E点分别表示第一GaN层、InGaN层、第二GaN层、电子阻挡层P型AlGaN层、高温p型GaN层;第一GaN层、InGaN层、第二GaN层为发光层InxGa(1-x)N中的复合结构。
实施例一、
本发明运用AixtronMOCVD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、6、7步能带请参考图4):
1、在1000-1100℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底4-5分钟;
2、降温至530-560℃下,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1100-1200℃下,持续生长2-3um的不掺杂GaN;
4、然后持续生长掺杂Si的N型GaN,Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm;
5、周期性生长发光层MQW,低温720-750℃生长掺杂In的3-4nmInxGa(1-x)N(x=0.20-0.21)层,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,高温850-880℃生长11-13nmGaN层;周期数为14-16;
6、将温度控制在740-770℃,生长InN/GaN超晶格材料:(1)生长1-2nm的GaN;(2)停止Ga源的充入生长1-2nm的InN,以(1)(2)为周期,生长10-15周期的InN/GaN超晶格层,总厚度控制在20-30nm。
InN/GaN超晶格的InN和GaN生长顺序可以调换,其作用是调整第5步骤和第7步骤的晶格匹配。
7、再升高温度到930-980℃持续生长50-60nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3;
8、再升高温度到1000-1100℃持续生长100-150nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3;
9、最后降温至680-780℃,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、C、D、E点分别表示第一GaN层、InGaN层、第二GaN层、电子阻挡层P型AlGaN层、高温p型GaN层;第一GaN层、InGaN层、第二GaN层为发光层InxGa(1-x)N中的复合结构。F、G点分别表示InN/GaN超晶格层中的InN层、GaN层。
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。
参考附图5和附图6,样品2较样品1光效约提升10%,样品2较样品1驱动电压下降约0.2v,效果突出。
本发明还提供了一种含有超晶格层的LED外延结构,在MQW发光层5与P型AlGaN层7之间包括InN/GaN超晶格层6:
InN/GaN超晶格层6包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InN层和一个GaN层的,组合单元的个数为10-15,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;
InN/GaN超晶格层6的总厚度为20-30nm。
优选地,在所述InN/GaN超晶格层6之下,从下至上依次包括:
衬底1;
低温缓冲GaN层2:厚度为30-50nm;
不掺杂GaN层3:厚度为2-3um;
掺Si的GaN层4:Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm;
MQW发光层5:发光层5为掺杂In的InxGa(1-x)N层,InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为14-16;InxGa(1-x)N的厚度为3-4nm,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,其中x=0.20-0.21;GaN层的厚度为11-13nm。
优选地,在所述InN/GaN超晶格层6之上,从下至上依次包括:
P型AlGaN层7:厚度为50-60nm,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度3E+19-4E+19个/cm3;
P型GaN层8:厚度为100-150nm,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
需要注意的是,在每个双层组合单元中:InN层在GaN层之上,或者InN层在GaN层之下。也就是说,InN层和GaN层之间的顺序并无限制。
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)
1.一种含有超晶格层的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,
在生长发光层MQW步骤与生长P型AlGaN层步骤之间,包括生长InN/GaN超晶格层的步骤:
在温度为740-770℃、100mbar到800mbar压力的反应室内,采用H2和/或N2作为载气,生长InN/GaN超晶格层,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;
所述InN/GaN超晶格层的周期数为10-15,总厚度为20-30nm。
2.根据权利要求1所述的一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法,其特征在于,所述生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层的步骤为:
生长低温缓冲GaN层:在530-560℃的反应室内,在衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲GaN层;
生长不掺杂GaN层:升高温度到1100-1200℃,持续生长厚度为2-3μm的不掺杂GaN;
生长掺Si的GaN层:持续生长掺杂Si的N型GaN,Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm。
3.根据权利要求1所述的一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法,其特征在于,所述生长发光层MQW步骤为:
在720-750℃的反应室内生长掺杂In的InxGa(1-x)N层,InxGa(1-x)N的厚度为3-4nm,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,其中x=0.20-0.21;将温度调节为850-880℃生长GaN层,GaN层的厚度为11-13nm;InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为14-16。
4.根据权利要求1所述的一种含有超晶格层的LED结构外延生长方法,其特征在于,生长P型AlGaN层、生长P型GaN层的步骤为:
生长P型AlGaN层:在930-980℃的反应室内持续生长厚度为50-60nm的P型AlGaN层,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度为3E+19-4E+19个/cm3;
生长P型GaN层:升高温度到1000-1100℃持续生长厚度为100-150nm的掺镁的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
5.一种含有超晶格层的LED外延结构,其特征在于,在发光层MQW与P型AlGaN层之间包括InN/GaN超晶格层:
InN/GaN超晶格层包含若干个双层组合单元,每个组合单元包含一个InN层和一个GaN层的,组合单元的个数为10-15,每层InN厚度为1-2nm,每层GaN厚度为1-2nm;
InN/GaN超晶格层的总厚度为20-30nm。
6.根据权利要求5所述的一种含有超晶格层的LED外延结构,其特征在于,在所述InN/GaN超晶格层之下,依次包括:
衬底;
低温缓冲GaN层:厚度为30-50nm;
不掺杂GaN层:厚度为2-3μm;
掺Si的GaN层:Si的掺杂浓度为5E+18-1E+19个/cm3,总厚度控制在4-5μm;
发光层MQW:发光层为掺杂In的InxGa(1-x)N层,InxGa(1-x)N/GaN层的周期数为14-16;InxGa(1-x)N的厚度为3-4nm,In的掺杂浓度为2E+20-3E+20个/cm3,其中x=0.20-0.21;GaN层的厚度为11-13nm。
7.根据权利要求5所述的一种含有超晶格层的LED外延结构,其特征在于,在所述InN/GaN超晶格层之上,依次包括:
P型AlGaN层:厚度为50-60nm,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20个/cm3,Mg的掺杂浓度3E+19-4E+19个/cm3;
P型GaN层:厚度为100-150nm,Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20个/cm3。
8.根据权利要求5所述的一种含有超晶格层的LED外延结构,其特征在于,在每个所述双层组合单元中:InN层在GaN层之上,或者InN层在GaN层之下。
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JP4877294B2 (ja) * | 2008-08-19 | 2012-02-15 | ソニー株式会社 | 半導体発光素子の製造方法 |
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CN102867895A (zh) * | 2012-09-17 | 2013-01-09 | 聚灿光电科技(苏州)有限公司 | 一种有效提高led侧面出光的外延结构及其制造方法 |
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2013
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