CN103746053B - 一种紫光led制备方法、紫光led和芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种紫光LED制备方法、紫光LED和芯片，方法包括：在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；对氮化镓缓冲层进行退火形成至少一个晶核岛；以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。能够提高紫光LED载流子复合几率、发光效率和抗静电性能。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）领域，尤其涉及一种紫光LED制备方法、紫光LED和芯片。
背景技术
LED具有发光效率高，寿命长，尺寸小，颜色丰富等特点而受到广泛应用，尤其是短波长LED在环境保护，医疗器械，生物工程等领域的广泛应用使其发展迅速。LED是利用电子和空穴在夹于N型掺杂区和P型掺杂区之间的有源区内进行辐射复合来发光的。为了增加电子与空穴复合几率，提高亮度，传统LED有源区采用量子阱结构，量子阱结构的原理是：利用不同带隙的材料将电子或空穴限制在势垒较低的阱层即发光层内，进行复合，从而增加了辐射复合的几率，一般量子垒的势垒高度越高，晶体质量越好，对载流子的限制能力越强，辐射复合的几率也就越大。
但是传统的蓝光LED采用氮化镓作为量子阱的垒层，铟镓氮作为量子阱的阱层，但是短波长紫光LED由于阱层即发光层的材料特性决定，如果依然采用传统LED结构中的氮化镓作为垒层，则材料间的带隙宽度偏小且势垒高度较低，对载流子的限制能力减弱，使得亮度较低。另外，传统的量子阱结构由于氮化镓铟InGaN阱中In的偏析易产生位错，位错的产生对紫光LED的抗静电能力造成极大的损坏，导致紫光LED抗静电性能较差。因此，短波长的紫光LED存在载流子复合几率偏低，发光效率差，抗静电性差等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种紫光LED制备方法、紫光LED和芯片，能够提高紫光LED载流子复合几率、发光效率和抗静电性能。
第一方面，本发明实施例提供一种紫光LED制备方法，包括：
在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；
对所述氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛；
以所述晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各所述晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；
在所述整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；
在所述非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；
在所述N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，所述量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；
在最后生成的所述量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。
第二面，本发明实施例提供一种紫光LED，包括：紫光上述紫光LED制备方法制备的紫光LED。
第三面，本发明实施例提供一种芯片，包括：至少一个上述的紫光LED。
本发明实施例提供的紫光LED制备方法、紫光LED和芯片，制备方法包括：在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；对氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛；以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。这样一来，紫光LED的垒层有超晶格结构构成，对载流子的限制能力增强，可以增强载流子复合几率，使得亮度较高，且这种超晶格结构和量子阱构成的量子阱层结构可以有效的避免阱层的偏析产生的位错，从而提高抗静电性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的紫光LED制备方法的流程图；
图2为本发明提供的紫光LED另一制备方法的流程图；
图3为本发明提供的紫光LED的结构示意图；
图4为本发明提供的芯片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1为本发明提供的紫光LED制备方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
需要说明的是，该方法可以在生长设备中实施，可以是金属有机化学气相沉积设备（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）、分子束外延设备（Molecular Beam Epitaxy，MBE）或氢化物气相外延设备（HydrideVapor Phase Epitaxy，HVPE）。
S101、反应室在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层。
举例来说，反应室在温度为530℃时，压力为500torr时，同时通入三甲基镓和NH3大致3.5分钟，在蓝宝石衬底上生长至少一个厚度为5nm-60nm氮化镓GaN缓冲层，其中，三甲基镓的通入量为150ml/min。优选的，生长的氮化镓缓冲层厚度为35nm。
S102、反应室对氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛。
举例来说，反应室将温度升高至1080℃，维持压力500torr，设定时间为8分钟使缓冲层进行退火，形成至少一个晶核岛，即晶核小岛。
S103、反应室以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛。
S104、反应室在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层。
举例来说，反应室维持温度1080℃，压力200torr，设定时间为48分钟同时通入三甲基镓和氨气，生长一层厚度为1500nm的非掺杂氮化镓GaN层，其中，三甲基镓的通入量为300ml/min，氨气的通入量为50l/min。
S105、反应室在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层。
举例来说，反应室将温度下降至1070℃，压力下降到200torr，设定时间为58分钟，通入硅烷，生长一层3200nm的N型掺杂的氮化镓掺杂层，掺杂浓度为5×1018cm3。
S106、反应室在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层。
进一步地，下述步骤1主要是生长超晶格结构，步骤2主要是按照第二周期生长超晶格结构，步骤3主要是生长量子阱结构，步骤4主要是按照第一周期生长量子阱结构。
步骤1、反应室将温度降为950℃，压力下降至300torr，设定时间为1分30秒，同时三甲基铝、三甲基镓和氨气（25l/min），并掺入硅烷，生长厚度为1nm-3nm，优选2nm，Al组分可以为1%-100%，优选为20%，氮化镓铝AlGaN层中的N型掺杂浓度5×1016cm3-5×1017cm3优选为5×1017cm3的AlGaN层，其中，三甲基铝的通入量为10ml/min，三甲基镓的通入量为40ml/min，氨气的通入量为25l/min，维持上述条件，将通入的三甲基铝替换为通入的三甲基铟，三甲基铟的通入量为130ml/min，生长45秒生长厚度为1nm-3nm优选厚度为1nm，N型掺杂浓度5×1016cm3～5×1017cm3优选为5×1017cm3的氮化镓铟InGaN层。
步骤2、按照第二周期数重复步骤1。如第二周期为3，则先在N型掺杂的氮化镓掺杂层生长一个超晶格结构，再在该超晶格结构上生长一个超晶格结构，以此类推，得到第二周期数各超晶格结构，第二周期的取值范围可以是2-20。
步骤3、反应室降温至750℃-800℃，如800℃，降压至200torr，设定时间为2.5分钟，通入三乙基镓、三甲基铟和氨气，在最后一层生长的InGaN层上生长厚度为1nm-5nm，优选为2.5nm的非掺杂的InGaN量子阱层，其中，三乙基镓通入量为120ml/min、三甲基铟通入量260ml/min，氨气通入量40l/min，其In组分高于超晶格中InGaN层中In的组分。
步骤4、按照第一周期数依次重复步骤1、步骤2和步骤3。第一周期数的取值范围为2-20，如第一周期为10，则顺序重复步骤1、步骤2和步骤3共10个循环，形成10个周期的量子阱结构。
需要说明的是，本实施例将传统的量子阱结构做的垒层做超晶格结构，超晶格结构的使用可以阻挡位错进入阱层，提高有源区的晶体质量。将AlGaN加入到垒层可使得量子阱中阱与垒的禁带宽度加大，从而使得阱层对电子和空穴的限制能力大大加强，且由于电子在超晶格层中的横向迁移能力提高，可以使电子更均匀的进入到量子阱中，提高了器件的抗静电能力。
进一步地，由于超晶格中InGaN的使用，可以调节阱层与垒层由于材料不同所产生的应力，减小内建电场对于发光效率的影响，进而增加发光效率。
S107、反应室在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。
举例来说，反应室将温度调整至980℃，压力调整至200torr，时间设定为24分钟，通入三甲基镓、二茂镁和氨气，生长厚度为250nm，浓度为2×1019cm3的P型掺杂层，其中，三甲基镓通入量为190ml/min，二茂镁通入量为360ml/min，氨气通入量为60l/min。
本发明实施例提供的紫光LED制备方法，制备方法包括：在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；对氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛；以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。这样一来，紫光LED的垒层有超晶格结构构成，对载流子的限制能力增强，可以增强载流子复合几率，使得亮度较高，且这种超晶格结构和量子阱构成的量子阱层结构可以有效的避免阱层的偏析产生的位错，从而提高抗静电性能。
实施例二
图2为本发明提供的紫光LED另一制备方法的流程图，以MOCVD反应室如生长波长为390nm的紫光LED为例进行说明，如图2所示，该方法包括：
S201、MOCVD反应室将温度升至530℃，压力设为为500torr，时间设定为3.5分钟，并同时通入三甲基镓和NH3，在蓝宝石衬底上生长25nm的GaN缓冲层，其中，三甲基镓的通入量为150ml/min。
S202、MOCVD反应室将温度升高至1080℃，压力维持500torr，时间设定为8分钟，使GaN缓冲层发生反应，形成晶核小岛。
S203、MOCVD反应室将温度维持在1080℃，压力维持500torr，时间设定为48分钟，并同时通入三甲基镓和氨气，在晶核小岛上生长一层厚度为1500nm的非掺杂GaN层，其中，三甲基镓的通入量为300ml/min，氨气的通入量为150ml/min。
S204、MOCVD反应室将温度下降至1070℃，压力下降到200torr，时间设定为58分钟，并通入硅烷在非掺杂GaN层生长一层厚度为3200nm、掺杂浓度为5×1018cm3的N型GaN层的。
S205、MOCVD反应室将反应室降温至950℃，压力上升降至300torr，时间设定为1分5秒，通入三甲基铝、三甲基镓和氨气，并掺入硅烷，生长厚度为1.5nm，Al组分15%，掺杂浓度为3×1017cm3的AlGaN层，其中，三甲基铝的通入量为10ml/min、三甲基镓的通入量为35ml/min，氨气通入量为25l/min。
S206、MOCVD反应室维持上述条件，时间设定为1分5秒将通入三甲基铝替换为通入三甲基铟生长厚度为1.5nm、掺杂浓度为3×1017cm3的InGaN层，其中，三甲基铟的通入量为130ml/min。
S207、MOCVD反应室重复S205和S2063个循环，形成3个周期的超晶格结构。
S208、MOCVD反应室将温度下降至800℃，压力维持300torr，时间设定为45秒，通入三乙基镓、三甲基铟和氨气，生长厚度为1.5nm的InGaN量子阱层，其中，三乙基镓的通入量为120ml/min，三甲基铟的通入量为300ml/min，氨气的通入量为40l/min。
S209、MOCVD按顺序重复S205-S208步10个循环，形成10个周期的量子阱结构。
S210、MOCVD将温度上升至980℃，压力下降为200torr，时间设定为24分钟，通入三甲基镓、二茂镁和氨气生长厚度为250nm、浓度为2×1019cm3的P型掺杂层，其中，三甲基镓的通入量为190ml/min，二茂镁的通入量为360ml/min，和氨气的通入量为60l/min。
本发明实施例提供的紫光LED制备方法，制备方法包括：在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；对氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛；以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。这样一来，紫光LED的垒层有超晶格结构构成，对载流子的限制能力增强，可以增强载流子复合几率，使得亮度较高，且这种超晶格结构和量子阱构成的量子阱层结构可以有效的避免阱层的偏析产生的位错，从而提高抗静电性能。
实施例三
图3为本发明提供的紫光LED的结构示意图，如图3所示，该紫光LED10包括：
GaN缓冲层101、未掺杂的GaN覆盖层102、N型掺杂层103、超晶格中的AlGaN层104、超晶格中的InGaN105、InGaN量子阱层106、P型电子阻挡层107和P型掺杂层108，且，图3中的X为2-20，Y为2-20。
进一步地，超晶格中的AlGaN层104和超晶格中的InGaN105构成超晶格结构作为量子阱结构中的量子垒层。
需要说明的是，紫光LED10可以根据上述实施例以及图1和图2所示的方法制备，结构如图3所示。
本发明实施例提供的紫光LED，制备方法包括：在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；对氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛；以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。这样一来，紫光LED的垒层有超晶格结构构成，对载流子的限制能力增强，可以增强载流子复合几率，使得亮度较高，且这种超晶格结构和量子阱构成的量子阱层结构可以有效的避免阱层的偏析产生的位错，从而提高抗静电性能。
实施例四
再进一步地，图4为本发明提供的芯片的结构示意图，如图4所示，芯片包括至少一个图3提供的紫光LED10。
举例来说，如果紫光LED10为根据实施例一举例说明的方法制备的，则可以得到生长波长为400nm的紫光LED，该紫光LED可以用于制作成350μm×350μm的芯片，在通入20mA电流，负载工作电压3.12V时可以达到的发光亮度为31mW。
如果紫光LED10为根据实施例二的方法制备的，则可以得到生长波长为390nm的紫光LED，该紫光LED可以用于制作成350μm×350μm的芯片，在通入20mA电流，负载工作电压3.17V时可以达到的发光亮度为30.5mW。
本发明实施例提供的芯片，包括的紫光LED制备方法包括：在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；对氮化镓缓冲层形进行退火形成至少一个晶核岛；以晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；在整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；在非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；在N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；在最后生成的量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。这样一来，紫光LED的垒层有超晶格结构构成，对载流子的限制能力增强，可以增强载流子复合几率，使得亮度较高，且这种超晶格结构和量子阱构成的量子阱层结构可以有效的避免阱层的偏析产生的位错，从而提高抗静电性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种紫光LED制备方法，其特征在于，包括：
在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层；
对所述氮化镓缓冲层进行退火形成至少一个晶核岛；
以所述晶核岛为基础横向生长氮化镓层直至各所述晶核岛相互连接，形成整体晶核岛；
在所述整体晶核岛上生长非掺杂的氮化镓层；
在所述非掺杂的氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓掺杂层；
在所述N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，所述量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层，超晶格结构作为量子阱结构中的垒层；
在最后生成的所述量子阱结构的有源区上生长P型掺杂的氮化镓掺杂层。
2.根据权利要求1所述的LED制备方法，其特征在于，所述在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层包括：
反应室在温度为530℃时同时通入三甲基镓和氨气，在蓝宝石衬底上生长至少一个厚度为5nm-60nm氮化镓缓冲层，其中反应室为金属有机化学气相沉积设备的反应室、分子束外延设备的反应室或氢化物气相外延设备的反应室。
3.根据权利要求2所述的LED制备方法，其特征在于，所述在所述N型掺杂的氮化镓掺杂层上按照第一周期数生长至少一个量子阱结构，其中，所述量子阱结构为在按照第二周期数生长的超晶格结构上生成一层量子阱层包括：
步骤1、所述反应室降温至950℃，通入三甲基镓、三甲基铝、氨气和硅烷，在所述N型掺杂的氮化镓掺杂层上生长氮化镓铝AlGaN层，再通入三甲基镓、三甲基铟、氨气和硅烷，在所述AlGaN层上生长氮化镓铟InGaN层；
步骤2、按照第二周期数重复步骤1；
步骤3、所述反应室降温至750℃-800℃，通入三乙基镓、三甲基铟和氨气，在最后一层生长的InGaN层上生长所述非掺杂的InGaN量子阱层；
步骤4、按照第一周期数依次重复步骤1、步骤2和步骤3。
4.根据权利要求3所述的LED制备方法，其特征在于，
所述AlGaN层的厚度为1nm-3nm，所述AlGaN层中Al的组分为1％-100％，所述AlGaN层中的N型掺杂浓度5×1016cm3-5×1017cm3。
5.根据权利要求3或4所述的LED制备方法，其特征在于，
所述InGaN层的厚度为1nm-3nm，所述InGaN层中In的组分为1％-30％，所述InGaN层中的N型掺杂浓度5×1016cm3～5×1017cm3。
6.根据权利要求3所述的LED制备方法，其特征在于，
所述非掺杂的InGaN量子阱层为非掺杂的InGaN层，所述非掺杂的InGaN层的厚度为1nm-5nm，所述非掺杂的InGaN层中In组分高于所述InGaN层中In的组分。
7.根据权利要求1所述的LED制备方法，其特征在于，
所述第一周期数的取值范围为2-20，所述第二周期数的取值范围为2-20。
8.一种紫光LED，其特征在于，包括根据权利要求1～7任一项所述的紫光LED制备方法制备的紫光LED。
9.一种芯片，其特征在于，包括至少一个权利要求8所述的紫光LED。
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