CN104009136B - 提高发光效率的led外延层生长方法及led外延层 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高发光效率的LED外延层生长方法及LED外延层，P型空穴注入层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AlGaN层和第一GaN层，单层厚度是2‑5nm；1个周期中两者厚度比是1:1‑3:1，周期为5‑10；第二双层单元包括第二AlGaN层和第二GaN层，单层厚度是2‑5nm；1个周期中两者厚度比是1:1‑3:1，周期为5‑10。本发明P型空穴注入层由低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层组成，有效降低大电流密度下LED芯片的Droop效应，提高载流子的注入效率，提高器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域，特别地，涉及P型空穴注入层结构改进的LED外延层生长方法及LED外延层。
背景技术
LED被广泛应用在显示屏、传感器、通讯、照明等广泛领域。作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。
在GaN基LED外延层制备方面，P型空穴注入层的特性是影响LED电性的一个重要因素，现有的P型GaN制备技术已较大幅度提高了Mg的掺杂浓度(可达E20数量级)，但是存在掺杂浓度过高时，迁移率有偏低的现象。而且Mg掺杂过高也会析出导致P型GaN晶体质量变差，也会导致部分Mg扩散到量子阱中形成缺陷。在大电流密度驱动下，P型电子阻挡层不能有效阻挡部分电子隧穿有源区进入P区形成载流子泄漏。这些不利因素最终导致了LED芯片工作电压高、发光效率低的现象。
发明内容
本发明目的在于提供一种P型空穴注入层为低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层组成的LED外延层生长方法及制得的LED外延层，以解决P型电子阻挡层不能有效阻挡部分电子隧穿有源区进入P区形成载流子泄漏以及传统高温P型空穴注入层生长条件对MQW层造成损伤的技术问题。
为实现上述目的，一种提高发光效率的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AlInGaN层、生长P型空穴注入层步骤，
所述生长P型空穴注入层步骤为：
A、在温度为780-900℃，反应腔压力在100-900mbar的反应室内，通入30000-60000sccm的NH3、30-50sccm的TMGa、1500-3000sccm的Cp2Mg、150-200sccm的TMAl，生长低温P型AlGaN/GaN超晶格层，Mg的掺杂浓度1.0E+19-1.0E+20atom/cm3，Al的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3；
AlGaN或GaN的单层厚度是2-5nm，1个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，总厚度为20-50nm；
B、反应腔压力维持在100-900mbar，温度为900-1050℃，通入30000-60000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、1500-3000的Cp2Mg，生长高温P型AlGaN/GaN超晶格层，Mg的掺杂浓度1E+19-2E+20atom/cm3，Al的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3；
AlGaN或GaN的单层厚度是2-5nm，1个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10；高温P型AlGaN/GaN超晶格层的总厚度为30-100nm。
优选的，所述生长P型空穴注入层步骤之后包括生长低温掺镁InGaN层：
温度650-680℃，反应腔压力维持在300-500mbar，通入NH3、TMGa、TMIn和Cp2Mg，持续生长5-10nm的低温掺镁InGaN层，Mg的掺杂浓度1E+20-5E+20atom/cm3。
优选的，所述生长有源层MQW和生长P型AlInGaN层之间包括生长MQW保护层的步骤：
温度750-850℃，压力维持在300-600mbar的反应腔内，通入NH3、TMGa，生长MQW保护层，总厚度控制在10-30nm。
优选的，所述生长P型AlInGaN层步骤为：
温度调至780-950℃，通入NH3、TMGa、Cp2Mg、TMAl和TMIn，压力控制在100-500mbar，生长厚度约20-40nm，Al组分浓度控制在：1E+19-3E+20atom/cm3，Mg组分浓度控制在：5E+19-1E+20atom/cm3，In组分浓度控制在：1E+19-1E+20atom/cm3。
优选的，所述生长低温缓冲GaN层和生长非掺杂GaN层之间包括形成GaN晶核的步骤：
温度升至950-1100℃，高温退火60-300s，在衬底上形成GaN晶核。
优选的，所述生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW之间包括生长InGaN/GaN应力释放层的步骤：
压力控制在300mbar-400mbar，温度800℃-850℃条件下，生长InxGa(1-x)N/GaN层，InxGa(1-x)N层的单层厚度控制在1-5nm，其中，0<x<0.5，GaN单层厚度控制在20-50nm。
本发明还提供上述的提高发光效率的LED外延层生长方法制得的LED外延层，包括P型空穴注入层，所述P型空穴注入层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AlGaN层和第一GaN层，第一AlGaN层或第一GaN层的单层厚度是2-5nm；1个周期中第一AlGaN层和第一GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，总厚度保持在20-50nm；
第二双层单元包括第二AlGaN层和第二GaN层，第一AlGaN层或第一GaN层的单层厚度是2-5nm；1个周期中第一AlGaN层和第一GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，第二双层单元的厚度为30-100nm。
优选的，所述P型空穴注入层之上还包括接触层，所述接触层为5-10nm厚度的低温掺镁InGaN层，Mg的掺杂浓度是1E+20-5E+20atom/cm3。
优选的，在MQW有源层与P型空穴注入层之间包括MQW保护层和电子阻挡层，所述电子阻挡层位于MQW保护层之上。
优选的，在掺Si的GaN层和MQW有源层之间，还包括InGaN/GaN应力释放层，InxGa(1-x)N单层厚度为0.5-10nm，其中，0<x<0.5，GaN单层厚度为20-50nm。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的P型空穴注入层由低温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层和高温生长的P型AlGaN/GaN超晶格层组成，P型GaN结构引入的低温空穴注入层降低了高温In析出而对量子阱造成的损伤，整个AlGaN/GaN形成的二维载流子气会形成高的载流子浓度和迁移率，有效降低了大电流密度下LED芯片的Droop效应，提高了载流子的注入效率，器件的发光效率得到提高。
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；
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有源层，6、P型AlGaN层，7、P型空穴注入层，8、第一AlGaN层，9、第一GaN层，10、第二AlGaN层，11、第二GaN层、12、接触层，13、MQW保护层，14、电子阻挡层，15、InGaN/GaN应力释放层。
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150-300mbar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20-60nm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5E+18-1.5E+19atom/cm3，总厚度控制在2-4μm；
5、周期性生长有源层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1E+20-3E+20atom/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；
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1E+20-3E+20atom/cm3，Mg的掺杂浓度5E+18-1E+19atom/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型空穴注入层，Mg的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/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。
一种提高发光效率的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AlInGaN层、生长P型空穴注入层步骤，其操作方式为：
1、将蓝宝石衬底放置于MOCVD反应室里，在温度在1000-1100℃条件下，用H2、NH3等气体高温处理蓝宝石衬底4-10分钟，如图二1层；
2、待高温处理完，反应室降温至500-650℃范围内(最佳温度550℃)，通入TMGa和NH3，压力控制在300mbar-900mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为20-50nm厚的低温缓冲层GaN(Nucleation)，如图二2层；
3、生长完低温缓冲层，再升温度至950-1100℃，高温退火60-300s，在衬底上形成GaN晶核；
4、高温退火完毕，温度调至950-1050℃，通入TMGa和NH3，压力控制在200mbar-900mbar，在低温缓冲层上生长厚度为0.8-1.5um的高温非掺杂GaN层，如图二3层；
5、再升温度至1000-1100℃，压力控制在300mbar-900mbar，在所述图一3层上生长厚度为2-3um的高温非掺杂GaN层；
6、所述高温缓冲层GaN生长结束后，再调温度至1000-1100℃，通入TMGa和NH3、SiH4，在图一3层上生长厚度为2-3um的掺Si的N型GaN层，掺杂浓度控制在5E+18-2E+19atom/cm3，如图二4层；
7、所述n-GaN层生长结束后，生长3-10个InGaN/GaN应力释放层，压力控制在300mbar-400mbar，温度800℃-850℃条件下生长掺InxGa(1-x)N/GaN层，InxGa(1-x)N单层厚度控制在1-10nm，GaN单层厚度控制在20-50nm，如图二15层；
8、所述应力释放层生长结束后，周期性生长有缘发光层MQW；压力控制在300mbar-400mbar,低温750℃生长2-4nm InxGa(1-x)N的阱层，高温800-850℃生长10-15nm GaN垒层.InxGa(1-x)N/GaN周期数为7-18，如图二5层；
9、所述有缘层生长完毕后，再生长一层MQW保护层(非参杂GaN)；温度调至750-850℃，通入TMGa、NH3，压力控制在300-600mbar，生长厚度约为10-30nm，如图二13层；
10、所述MQW保护层生长完毕后，再生长一层p型AlInGaN(电子阻挡层)；温度调至780-950℃，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMAl，TMIn，压力控制在100-500mbar，生长厚度约20-40nm，Al组分浓度控制在：1E+19-3E+20atom/cm3，Mg组分浓度控制在：
1E+19-1E+20atom/cm3，In组分浓度控制在：1E+19-1E+20atom/cm3如图二14层；
11、所述P型AlInGaN生长完毕后，再生长一层低温P型AlGaN/GaN超晶格层；温度调至780-900℃，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMAl，生长压力控制在100-900mbar，1个周期AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，单层厚度是2nm-5nm，周期为5-10，生长总厚度约为20-50nm，Mg掺杂浓度控制在1.0E+19-1.0E+20atom/cm3，Al组分浓度控制在：
1E+19-1E+20atom/cm3，如图二8和9层；
12、所述低温P型AlGaN/GaN超晶格层生长完毕后，再生长一层高温P型AlGaN/GaN超晶格层，温度调至900-1050℃，通入TMGa、NH3、Cp2Mg，生长压力控制在100-900mbar，1个周期AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，单层厚度是2nm-5nm，周期为5-10，生长总厚度约30-100nm，Mg掺杂浓度控制在1E+19-2E+20atom/cm3，Al组分浓度控制在：
1E+19-1E+20atom/cm3，如图二10和11层；
13、所述高温P型空穴注入层生长完毕后，再生长一层接触层(contact)；温度调至650-680℃，通入TMGa、NH3、Cp2Mg和TMIn，生长压力控制在300-500mbar，生长5-10nm的低温掺镁InGaN层，如图二12层；
14、所述接触层(contact)生长完毕后，降低温度到700-750℃，在氮气气氛下，持续时间20-30分钟，活化PGaN。
然后，采用对比实施例一描述的方法制备样品1，采用实施例二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17mil*34mil的芯片颗粒，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150mA条件下测试样品1和样品2的光效。各LED芯片的平均发光效率请见下表2。
表2发光效率的对比
将积分球获得的数据进行分析对比，样品2光效平均值比样品1光效平均值高出约4.0％。
参见图2，本发明还提供了一种根据上述提高发光效率的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有源层5、电子阻挡层14和P型空穴注入层7，其中，所述P型空穴注入层7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AlGaN层8和第一GaN层9，第一AlGaN层或第一GaN层的单层厚度是2-8nm；1个周期中第一AlGaN层和第一GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10：
第二双层单元包括第二AlGaN层10和第二GaN层11，第二双层单元的厚度为30-100nm。
优选的，在所述P型空穴注入层之上还包括接触层12，所述接触层为5-10nm厚度的低温掺镁InGaN层，Mg的掺杂浓度是1E+20-5E+20atom/cm3。
另外，在MQW有源层5与P型空穴注入层7之间包括MQW保护层13和电子阻挡层14，所述电子阻挡层14位于MQW保护层13之上。
在掺Si的GaN层4和MQW有源层5之间，还包括InGaN/GaN应力释放层15，InxGa(1-x)N单层厚度为0.5-10nm，GaN单层厚度控制在20-50nm。
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 (10)
1.一种提高发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，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AlInGaN层、生长P型空穴注入层步骤，
所述生长P型空穴注入层步骤为：
A、在温度为780-900℃，反应腔压力在100-900mbar的反应室内，通入30000-60000sccm的NH3、30-50sccm的TMGa、1500-3000sccm的Cp2Mg、150-200sccm的TMAl，生长低温P型AlGaN/GaN超晶格层，Mg的掺杂浓度1.0E+19-1.0E+20atom/cm3，Al的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3；
AlGaN或GaN的单层厚度是2-5nm，1个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，总厚度为20-50nm；
B、反应腔压力维持在100-900mbar，温度为900-1050℃，通入30000-60000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、1500-3000的Cp2Mg，生长高温P型AlGaN/GaN超晶格层，Mg的掺杂浓度1E+19-2E+20atom/cm3，Al的掺杂浓度1E+19-1E+20atom/cm3；
AlGaN或GaN的单层厚度是2-5nm，1个周期中AlGaN和GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10；高温P型AlGaN/GaN超晶格层的总厚度为30-100nm。
2.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长P型空穴注入层步骤之后包括生长低温掺镁InGaN层：
温度650-680℃，反应腔压力维持在300-500mbar，通入NH3、TMGa、TMIn和Cp2Mg，持续生长5-10nm的低温掺镁InGaN层，Mg的掺杂浓度1E+20-5E+20atom/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长有源层MQW和生长P型AlInGaN层之间包括生长MQW保护层的步骤：
温度750-850℃，压力维持在300-600mbar的反应腔内，通入NH3、TMGa，生长MQW保护层，总厚度控制在10-30nm。
4.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长P型AlInGaN层步骤为：
温度调至780-950℃，通入NH3、TMGa、Cp2Mg、TMAl和TMIn，压力控制在100-500mbar，生长厚度约20-40nm，Al组分浓度控制在：1E+19-3E+20atom/cm3，Mg组分浓度控制在：5E+19-1E+20atom/cm3，In组分浓度控制在：1E+19-1E+20atom/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长低温缓冲GaN层和生长非掺杂GaN层之间包括形成GaN晶核的步骤：
温度升至950-1100℃，高温退火60-300s，在衬底上形成GaN晶核。
6.根据权利要求1所述的一种提高发光效率的LED外延层生长方法，其特征在于，所述生长掺Si的GaN层、生长有源层MQW之间包括生长InGaN/GaN应力释放层的步骤：
压力控制在300mbar-400mbar，温度800℃-850℃条件下，生长InxGa(1-x)N/GaN层，InxGa(1-x)N层的单层厚度控制在1-5nm，其中，0<x<0.5，GaN单层厚度控制在20-50nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的提高发光效率的LED外延层生长方法制得的LED外延层，其特征在于，包括P型空穴注入层，所述P型空穴注入层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AlGaN层和第一GaN层，第一AlGaN层或第一GaN层的单层厚度是2-5nm；1个周期中第一AlGaN层和第一GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，总厚度保持在20-50nm；
第二双层单元包括第二AlGaN层和第二GaN层，第二AlGaN层或第二GaN层的单层厚度是2-5nm；1个周期中第二AlGaN层和第二GaN层的厚度比是1:1-3:1，周期为5-10，第二双层单元的厚度为30-100nm。
8.根据权利要求7所述的LED外延层，其特征在于，所述P型空穴注入层之上还包括接触层，所述接触层为5-10nm厚度的低温掺镁InGaN层，Mg的掺杂浓度是1E+20-5E+20atom/cm3。
9.根据权利要求7所述的LED外延层，其特征在于，在MQW有源层与P型空穴注入层之间包括MQW保护层和电子阻挡层，所述电子阻挡层位于MQW保护层之上。
10.根据权利要求7所述的LED外延层，其特征在于，在掺Si的GaN层和MQW有源层之间，还包括InGaN/GaN应力释放层，InxGa(1-x)N单层厚度为0.5-10nm，其中，0<x<0.5，GaN单层厚度为20-50nm。
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