CN103943740B - 增加发光效率的led外延层生长方法及led外延层 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增加发光效率的LED外延层生长方法及LED外延层，生长有源层MQW步骤为：生长InxGa1‑xN层和AlyGaN层，其中x＝0.15‑0.25，y＝0.10‑0.15，InxGa1‑xN/AlyGa1‑yN周期数为5‑6；然后再生长InxGa1‑xN层和InyGa1‑yN，其中y＝0.05‑0.10，InxGa1‑xN/InyGa1‑yN的周期数为5‑6。将发光层量子阱垒层由原来的InGaN/GaN超晶格材料设计为第一InGaN/AlGaN超晶格和第一InGaN/第二InGaN超晶格的组合，提高电子和空穴在量子阱中的浓度，增加器件发光效率。

Description

增加发光效率的LED外延层生长方法及LED外延层
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InGaN/AlGaN超晶格和InGaN/InGaN超晶格组合的增加发光效率的LED外延层生长方法及制得的LED外延层。
背景技术
目前国内GaN基LED蓝绿光发光器件的制作涉及到发光层都是采用InGaN/GaN超晶格形成的多量子阱层组成，传统的量子阱能带平直，电子的浓度高、迁移率高等特点决定了电子在量子阱的分布过多，造成的缺点是电子容易泄漏至P层消耗空穴，造成空穴的注入浓度减小；空穴和电子特点相反浓度低、迁移率低，注入效率低。行业论文也指出：空穴在量子阱中的分布只有5-6个靠近P层的量子阱层，且浓度是从靠近P层量子阱层逐渐向靠近n层量子阱层递减，递减至5-6个量子阱层空穴基本消耗完毕。
发明内容
本发明目的在于提供一种InGaN/AlGaN超晶格和InGaN/InGaN超晶格组合的增加发光效率的LED外延层生长方法及制得的LED外延层，以提高电子和空穴在量子阱中的浓度的技术问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种增加发光效率的LED外延层生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，
所述生长有源层MQW步骤为：
A、在温度为700-750℃，反应腔压力在300-400mbar的反应室内，通入59000sccm的NH3、120sccm的TEGa、1700sccm的TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm的InxGa1-xN层，其中x＝0.15-0.25，In的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3；
升温至800-850℃，通入59000sccm的NH3、420sccm的TEGa、30sccm的TMAl，生长10-15nm的AlyGaN层，其中y＝0.10-0.15，Al的掺杂浓度1E18-2E18atom/cm3；
InxGa1-xN/AlyGa1-yN周期数为5-6；
B、反应腔压力维持在300-400mbar，低温700-750℃，通入59000sccm的NH3、120sccm的TEGa、1700sccm的TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm InxGa1-xN层，其中x＝0.15-0.25，In的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3；
升温至800-850℃，通入59000sccm的NH3、420sccm的TEGa、700sccm的TMIn，生长10-15nm的InzGa1-zN，其中z＝0.05-0.10，In的掺杂浓度1E18-2E18atom/cm3；
InxGa1-xN/InzGa1-zN的周期数为5-6。
优选的，所述生长P型GaN层步骤为：
升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-300mbar，通入NH3、TMGa、TMAl、和Cp2Mg，持续生长20-50nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3。
优选的，所述生长掺Si的GaN层步骤为：
在温度到1100-1300℃，压力维持在200-400mbar的反应腔内，通入NH3、TMGa、SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3，总厚度控制在2-4μm。
本发明还公开了一种根据上述的增加发光效率的LED外延层生长方法制得的LED外延层，包括有源层MQW，所述有源层MQW包括第一双层单元和第二双层单元：
第一双层单元包括第一InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层，第一InxGa1-xN/AlyGa1-yN层的周期数为5-6：
第一InxGa1-xN层：厚度为2.8-3.5nm，x＝0.15-0.25；
AlyGaN层：厚度为10-15nm，y＝0.10-0.15；
第二双层单元包括第一InxGa1-xN层和第二InzGa1-zN层，InxGa1-xN/InzGa1-zN的周期数为5-6；
第一InxGa1-xN层：厚度为2.8-3.5nm，x＝0.15-0.25；
第二InzGa1-zN层：厚度为10-15nm，y＝0.05-0.10。
优选的，所述第一双层单元在所述第二双层单元之下。
本发明具有以下有益效果：
将发光层量子阱垒层由原来的InGaN/GaN超晶格材料设计为第一InGaN/AlGaN超晶格和第一InGaN/第二InGaN超晶格的组合，对比图3和图4，本专利涉及的方法是不改变势阱生长的方法，势垒GaN变成AlGaN导带提高，能适当降低电子的迁移率，使得势阱的电子不会由于过多，泄漏至p层消耗空穴；第二InGaN势垒GaN变成InGaN材料，价带降低，空穴运动阻挡势垒降低利于空穴的运动，提高空穴的注入。
本专利的目的是改变电子和空穴的行为，减少电子在量子阱的溢出，增加空穴对量子阱的注入，提高电子和空穴在量子阱中的浓度，增加器件发光效率。
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是本发明对比实施例的结构示意图；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图3是本发明对比实施例的能带示意图；
图4是本发明实施例的能带示意图；
图5是样品1与样品2的亮度对比图；
其中，1、衬底，2、低温缓冲GaN层，3、非掺杂GaN层，4、掺Si的GaN层，5、MQW有缘层，6、P型AlGaN层，7、P型GaN层，8、InGaN层，9、GaN层，10、第一InGaN层，11、AlGaN层、12、第二InGaN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。
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、
参见图1，本发明运用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)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。
1、在1000-1100℃，反应腔压力维持在150-200mbar的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5-10分钟；
2、降温至550-750℃下，反应腔压力维持在300-600mbar，通入NH3和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-60nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1100-1300℃下，反应腔压力维持在200-400mbar，通入NH3和TMGa，持续生长2-4μm的非掺杂GaN；
4、通入NH3、TMGa和SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3，总厚度控制在2-4μm；
5、周期性生长有缘层MQW，反应腔压力维持在300-400mbar，低温700-750℃，通入NH3、TEGa和TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.15-0.25)层，In的掺杂浓度为1E20-3E20atom/cm3，高温800-850℃通入NH3和TEGa，生长10-15nmGaN层，InxGa (1-x)N/GaN周期数为10-12；
6、再升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-300mbar，通入NH3、TMGa、TMAl和Cp2Mg，持续生长20-50nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3；
7、再升高温度到1000-1100℃，反应腔压力维持在600-900mbar，通入NH3、TMGa和Cp2Mg，持续生长100-200nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3；
8、最后将反应室压力控制在400-600mbar，降温至700-800℃，保温10-20min，接着炉内冷却。
实施例一、
参见图2，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。
一种增加发光效率的LED外延层生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有缘层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其操作方式为：
1、在1000-1100℃，压力维持在150-200mbar的反应腔，通入50L-60L氢气，高温处理蓝宝石衬底约5分钟；
2、降温至550-750℃下，反应腔压力维持在300-600mbar，通入NH3和TMGa，在蓝宝石衬底上生长厚度为约50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1100-1300℃下，反应腔压力维持在200-400mbar，通入NH3和TMGa，持续生长2-4μm的非掺杂GaN；
4、然后通入NH3、TMGa和SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3，总厚度控制在2-4μm；
5、周期性生长有源层MQW：
生长第一InGaN层：在温度为700-750℃，反应腔压力在300-400mbar的反应室内，通入50000-60000sccm的NH3、100-150sccm的TEGa、1500-1700的TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm的InxGa1-xN层，其中x＝0.15-0.25，In的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3；
生长AlGaN层：升温至800-850℃，通入50000-60000sccm的NH3、400-500sccm的TEGa、30-40sccm的TMAl，生长10-15nm的AlyGaN层，其中y＝0.10-0.15，Al的掺杂浓度1E18-2E18atom/cm3；
InxGa1-xN/AlyGa1-yN周期数为5-6，即第一InGaN层/AlGaN层的周期数为5-6；
再次生长第一InGaN层：
反应腔压力维持在300-400mbar，低温700-750℃，通入50000-60000sccm的NH3、100-150sccm的TEGa、1500-1700sccm的TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm InxGa1-xN层，其中x＝0.15-0.25，In的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3；
生长第二InGaN层：
升温至800-850℃，通入50000-60000sccm的NH3、400-500sccm的TEGa、700-1500sccm的TMIn，生长10-15nm的InzGa1-zN，其中z＝0.05-0.10，In的掺杂浓度1E18-2E18atom/cm3；
InxGa1-xN/InzGa1-zN的周期数为5-6；即第一InGaN层/第二InGaN层的周期数为5-6。
上述四层的生长顺序不可调换。
6、再升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-300mbar，通入NH3、TMGa、TMAl、Cp2Mg，持续生长20-50nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3；
7、再升高温度到1000-1100℃，反应腔压力维持在600-900mbar，通入NH3、TMGa、Cp2Mg，持续生长100-200nm的掺镁的P型GaN层，Mg的掺杂浓度1E19-1E20atom/cm3。
8、最后降温至700-800℃，保温20-30min，接着炉内冷却。
然后，采用对比实施例一描述的方法制备样品1，采用实施例一描述的方法制备样品2；样品1和样品2不同点在于高温P层的生长参数不同，生长其它外延层生长条件完全一样。生长条件请参考表1。
表1 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2300约埃，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约1500埃，相同的条件下镀保护层SiO2约500埃，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，然后样品1和样品2在相同位置各自挑选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，对比结果请参考附图5，从图5数据得出样品2较样品1光输出高出约8％。
参见图2，本发明还提供了一种根据上述增加发光效率的LED外延层生长方法制得的LED外延层，依次包括衬底1、低温缓冲GaN层2、非掺杂GaN层3、掺Si的GaN层4、MQW有缘层5、P型AlGaN层6和P型GaN层7，其中，所述有源层MQW，所述有源层MQW包括第一双层单元和第二双层单元：
第一双层单元包括第一InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层，第一InxGa1-xN/AlyGa1-yN层的周期数为5-6：
第一InxGa1-xN层：厚度为2.8-3.5nm，x＝0.15-0.25；
AlyGaN层：厚度为10-15nm，y＝0.10-0.15；
第二双层单元包括第一InxGa1-xN层和第二InzGa1-zN层，InxGa1-xN/InzGa1-zN的周期数为5-6；
第一InxGa1-xN层：厚度为2.8-3.5nm，x＝0.15-0.25；
第二InzGa1-zN层：厚度为10-15nm，z＝0.05-0.10。
所述第一双层单元在所述第二双层单元之下。
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 (5)

1.一种增加发光效率的LED外延层生长方法，依次包括处理衬底、生长低温缓冲GaN层、生长非掺杂GaN层、生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层步骤，其特征在于，
所述生长有源层MQW步骤为：
A、在温度为700-750℃，反应腔压力在300-400mbar的反应室内，通入50000-60000sccm的NH3、100-150sccm的TEGa、1500-1700sccm的TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm的InxGa1-xN层，其中x＝0.15-0.25，In的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3；
升温至800-850℃，通入50000-60000sccm的NH3、400-500sccm的TEGa、30-40sccm的TMAl，生长10-15nm的AlyGaN层，其中y＝0.10-0.15，Al的掺杂浓度1E18-2E18atom/cm3；
InxGa1-xN/AlyGa1-yN周期数为5-6；
B、反应腔压力维持在300-400mbar，低温700-750℃，通入50000-60000sccm的NH3、100-150sccm的TEGa、1500-1700sccm的TMIn，生长掺杂In的2.8-3.5nm InxGa1-xN层，其中x＝0.15-0.25，In的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3；
升温至800-850℃，通入50000-60000sccm的NH3、400-500sccm的TEGa、700-1500sccm的TMIn，生长10-15nm的InzGa1-zN，其中z＝0.05-0.10，In的掺杂浓度1E18-2E18atom/cm3；
InxGa1-xN/InzGa1-zN的周期数为5-6。
2.根据权利要求1所述的一种增加发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长P型GaN层步骤为：
升高温度到900-1000℃，反应腔压力维持在200-300mbar，通入NH3、TMGa、TMAl、和Cp2Mg，持续生长20-50nm的P型AlGaN层，Al的掺杂浓度1E20-3E20atom/cm3，Mg的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种增加发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长掺Si的GaN层步骤为：
在温度到1100-1300℃，压力维持在200-400mbar的反应腔内，通入NH3、TMGa、SiH4，持续生长掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度5E18-1E19atom/cm3，总厚度控制在2-4μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的增加发光效率的LED外延层生长方法制得的LED外延层，其特征在于，包括有源层MQW，所述有源层MQW包括第一双层单元和第二双层单元：
第一双层单元包括第一InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层，第一InxGa1-xN/AlyGa1-yN层的周期数为5-6：
第一InxGa1-xN层：厚度为2.8-3.5nm，x＝0.15-0.25；
AlyGaN层：厚度为10-15nm，y＝0.10-0.15；
第二双层单元包括第一InxGa1-xN层和第二InzGa1-zN层，InxGa1-xN/InzGa1-zN的周期数为5-6；
第一InxGa1-xN层：厚度为2.8-3.5nm，x＝0.15-0.25；
第二InzGa1-zN层：厚度为10-15nm，z＝0.05-0.10。
5.根据权利要求4所述的LED外延层，其特征在于，所述第一双层单元在所述第二双层单元之下。
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