CN104157745B - Led外延层结构、生长方法及具有该结构的led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED外延层结构、生长方法及具有该结构的LED芯片，LED外延层结构，包括依次叠置的掺Si‑N型GaN层、MQW层和P型AlGaN层，所述MQW层包括多个依次叠置的MQW单元，所述MQW单元包括叠置的InXGa(1‑X)N层和GaN层，由所述掺Si‑N型GaN层向P型AlGaN层方向，各所述InXGa(1‑X)N层中的X由0.05～0.3匀速渐变至0.3～0.05。本发明提供的LED芯片从In组分渐变出发，通过调整多量子阱层中In组分分布的起伏，增加发光层准量子点的数目，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED(发光二极光)领域，特别地，涉及一种LED外延层结构、生长方法及具有该结构的LED芯片。
背景技术
LED市场上现在要求LED芯片驱动电压低，特别是大电流下驱动电压越小越好、光效越高越好；LED市场价值的体现为(光效)/单价，光效越好，价格越高，所以LED高光效一直是LED厂家和院校LED研究所所追求的目标。参见图1，现有技术中所用LED外延层结构包括衬底1’和依次叠置于衬底1’顶面上的缓冲GaN层2’、U型GaN层3’、掺Si-N型GaN层4’、MQW层5’、P型AlGaN层8’、掺镁P型GaN层9’层。其中MQW层5’包括多个依次叠置的MQW单元。MQW单元包括依次叠置的InXGa(1-X)N51’层和GaN层52’。其中X的含量在MQW单元中恒定。该结构的LED外延层结构中MQW层5’发光效率较低，无法在相同电压条件下，获得较高的发光效率。
LED的光效很大程度和发光层材料特性相关，所以制作优良的发光层成为提高LED光效的关键；目前已知的方法例如：(1)阶梯阱；(2)势磊应力释放层等等；
发明内容
本发明目的在于提供一种LED外延层结构和生长方法，以解决现有技术中LED芯片电压不变的情况下，亮度无法进一步提高的技术问题。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种LED外延层结构，包括依次叠置的掺Si-N型GaN层、MQW层和P型AlGaN层，所述MQW层包括多个依次叠置的MQW单元，所述MQW单元包括叠置的InXGa(1-X)N层和GaN层，由所述掺Si-N型GaN层向P型AlGaN层方向，各所述InXGa(1-X)N层中的X由0.05～0.3匀速渐变至0.3～0.05。
进一步地，所述MQW单元的个数为14～16个。
进一步地，各所述InXGa(1-X)N层的厚度为2.5～3nm。
进一步地，各所述GaN层的厚度为11～12nm。
进一步地，P型AlGaN层的厚度为20～30nm。
进一步地，掺Si-N型GaN层厚度为3～4μm。
本发明的另一方面还提供了一种如上述LED外延层结构的生长方法，包括在衬底顶面上方依次生长掺Si-N型GaN层，MQW层和P型AlGaN层，生长所述MQW层的步骤包括依次叠置生长多个MQW单元，生长各所述MQW单元的步骤包括依次叠置生长InXGa(1-X)N层和GaN层，生长各所述InXGa(1-X)N层的步骤中，所述InXGa(1-X)N层的生长温度为700～750℃，In的流速由700～2000sccm匀速渐变至2000～700sccm。
进一步地，各所述GaN层的生长温度为800～850℃。
进一步地，生长所述掺Si-N型GaN层的步骤中，Si掺杂浓度为1E+19-2E+19；优选生长所述P型AlGaN层的步骤中，生长温度为900～930℃，Al的掺杂浓度为1E+20～2E+20。
根据本发明的另一方面还提供了一种具有如上述的LED外延层结构的LED芯片。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的LED芯片从In组分渐变出发，通过调整多量子阱层中In组分分布的起伏，增加发光层准量子点的数目，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率。
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是现有技术中LED外延层结构的示意图；
图2是现有技术中LED外延层结构能带示意图；
图3是本发明优选实施例的LED外延层结构示意图；
图4是本发明优选实施例的LED外延层结构能带示意图；
图5是本发明优选实施例的亮度结果示意图；以及
图6是本发明优选实施例的亮度结果示意图。
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，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本文中渐变是指每个MQW单元中的InXGa(1-X)N层中X以相同的速率改变至最终值。X值的改变是从靠近掺Si-N型GaN4向着P型AlGaN层8进行的。例如以(0.05-0.3)/14的速度来进行改变。其中14是指MQW层的单元数。
参见图3，本发明提供的LED外延层结构，包括依次叠置的掺Si-N型GaN4、MQW层5和P型AlGaN层8，MQW层包括多个依次叠置的MQW单元，MQW单元包括叠置的InXGa(1-X)N层51和GaN层52，InXGa(1-X)N层51中的X由0.05～0.3渐变至0.3～0.05。
参见图2，现有技术中MQW层5’含有14-16个周期的势阱InGaN510’和势磊GaN520’，其中参与发光的是靠近P型AlGaN层8’的4～6个周期的势阱InGaN510’和势磊GaN520’。通过分析其能带图可知，靠近掺Si-N型GaN4’的势阱InGaN510’和势磊GaN520’空穴浓度非常低，因而MQW层5’中靠近掺Si-N型GaN4’的区域内的电子和空穴无法复合发光。该区域内的MQW层5’无法有效发挥提高亮度的作用。
参见图3，本发明提供的LED外延层结构包括衬底1和依次叠置于衬底1顶面上的缓冲GaN层2、U型GaN层3、掺Si-N型GaN层4、MQW层5、P型AlGaN层8、掺镁P型GaN层9层。其中MQW层5包括多个依次叠置的MQW单元。MQW单元包括依次叠置的InXGa(1-X)N51层和GaN层52。
X值的变化过程是指从生长于掺Si-N型GaN层4顶面上的第一个InXGa(1-X)N层51开始向设置于P型AlGaN层8底面上的第N个InXGa(1-X)N层51方向渐变。通过调整MQW层5中的InXGa(1-X)N层51中的X由0.05～0.3渐变至0.3～0.05。获得了具有如图4所示的能带结构的MQW层5。增加MQW层5中准量子点的数目，提高电子和空穴波函数的交叠积分，提高电子和空穴的复合效率，从而实现在相同驱动电压下提高所得LED芯片的发光效率的目的。本文中X由0.05～0.3渐变至0.3～0.05是指X值可以从0.05渐变至0.3。当然也可以为从0.08渐变至0.3。优选为从0.05渐变至0.3或从0.3渐变至0.05。此时能将LED芯片的发光效率相对现有技术中所示LED外延层结构提高10％以上。渐变过程为匀速能带的交叉程度能统一，采用该种方法能有效提高所得LED芯片的发光效率。X值的改变还意味着其中的Ga掺杂量的改变，二者按照X的关系进行调整。
优选MQW单元的个数为14～16个。按此个数进行设置能使得MQW单元个数达到较合理的程度，从而提高所得MQW层的发光效率。
优选InXGa(1-X)N层51的厚度为2.5～3nm。按此厚度设置能减少该层对出射光的阻挡作用。从而提高所得LED芯片的发光亮度。
优选GaN层的厚度为11～12nm。按此厚度设置能减少该层对出射光的阻挡作用。从而提高所得LED芯片的发光亮度。
优选P型AlGaN层的厚度为20～30nm。按此厚度设置能减少该层对出射光的阻挡作用。从而提高所得LED芯片的发光亮度。
优选掺Si-N型GaN层厚度为3～4μm。按此厚度设置能减少该层对出射光的阻挡作用。从而提高所得LED芯片的发光亮度。
本发明的另一方面还提供一种LED外延层结构的生长方法，包括以下步骤：
1)在衬底顶面上依次生长缓冲GaN层、U型GaN层和掺Si-N型GaN层；
2)在掺Si-N型GaN层顶面上生长MQW层；
3)在MQW层上依序生长P型AlGaN层、掺镁P型GaN层；
MQW层包括多个依次叠置的MQW单元，MQW单元包括叠置的InXGa(1-X)N层和GaN层，InXGa(1-X)N层的生长温度为700～750℃，In的流速匀速由700～2000sccm渐变至2000～700sccm。
该方法通过调整生长MQW层5中的In的流速从而调整其中In的掺杂浓度，进而实现对X的调整。例如In的流速由700sccm渐变至1800sccm。优选按此条件进行生长能使得MQW层5中的In的掺杂浓度能从0.05～0.3匀速渐变至0.3～0.05。按此条件进行生长，所得LED芯片所发光的波长能与X值恒定的现有技术中的LED芯片所发光的波长相同。从而使得采用本发明提供的方法制备得到的LED芯片能实现对现有技术中LED芯片的替代作用。按此条件控制生长，能使得所得LED芯片的发光亮度，在电压不变的前提下，提高10％。LED外延层结构中的其他层结构可以按常规方法进行生长。
优选GaN层的生长温度为800～850℃。优选掺Si-N型GaN层的Si掺杂浓度为1E+19-2E+19；优选P型AlGaN层的生长温度为900～930℃，其中Al的掺杂浓度为1E+20～2E+20，Mg的掺杂浓度为8E+18～1E+19。按此条件进行生长，所得LED芯片的各项性能达到最优，发光亮度也能得到有效提高。
本发明另一方面还提供了一种具有上述LED外延层结构的LED芯片。该芯片在3.3V驱动电压下，亮度为510mW。
实施例
以下实施例和对比例中所用仪器和原料均为市售。
将实施例和对比例中所得样品在相同的工艺条件下镀ITO层约150nm、镀Cr、Pt或Au电极约70nm、镀保护层SiO2约30nm。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。从所得样品中，根据所对应的实施例和对比例，分别从每个实施例和每个对比例中所得样品在相同位置所得LED芯粒中各自挑选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条件下测试样品的亮度和电压。
实施例1
1、在1000℃的的氢气气氛下处理蓝宝石衬底3分钟；
2、降温至530℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm的缓冲层GaN；
3、升温到1000℃下，持续生长3um的不掺杂GaN；
4、然后首先生长3μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E+19；
5、周期性生长有发光层MQW，MQW单元周期数为14个，每个周期中的InxGa(1-x)N层在700℃生长掺杂In，厚度为2.5nm。MQW单元中InxGa(1-x)N(其中x从第一InxGa(1-x)N层的0.05匀速渐变至第14InxGa(1-x)N层的0.3，渐变速度为0.017/周期)层，各GaN层的生长温度为800℃，厚度为11nm。
6、再升温到900℃持续生长20nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E+20，Mg掺杂浓度8E+18；
7、再升温到930℃持续生长100nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度5E+18；
8、最后降温至700℃，保温20分钟，接着炉内冷却，得到样品2。
实施例2
1、在1200℃的的氢气气氛下处理蓝宝石衬底5分钟；
2、降温至560℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的缓冲层GaN；
3、升温到1100℃下，持续生长4um的不掺杂GaN；
4、然后首先生长4μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度2E+19；
5、周期性生长有发光层MQW，MQW单元周期数为16个。MQW单元中的每个InxGa(1-x)N层均在750℃下生长掺杂In，每层InxGa(1-x)N层的厚度为3nm。MQW单元中x由第一InxGa(1-x)N层的0.30匀速渐变至第16InxGa(1-x)N层中的0.05，渐变速度为0.017/周期)，各GaN层生长温度850℃下，生长厚度为12nm；
6、再升温到930℃持续生长30nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度1E+19；
7、再升温到1000℃持续生长150nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19；
8、最后降温至750℃，保温30分钟，接着炉内冷却，得到样品3。
实施例3
1、在1100℃的的氢气气氛下处理蓝宝石衬底4分钟；
2、降温至550℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的缓冲层GaN；
3、升温到1150℃下，持续生长3.5um的不掺杂GaN；
4、然后首先生长3.5μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1.5E+19；
5、周期性生长有发光层MQW，MQW单元周期数为15个。MQW单元中的每个InxGa(1-x)N层均在740℃生长掺杂In。每层InxGa(1-x)N层的厚度为2.5nm。MQW单元中x由第一InxGa(1-x)N的0.1匀速渐变至第15InxGa(1-x)N层中的0.3，渐变速度为0.013/周期)层，各GaN层生长温度：840℃，厚度为11nm的。；
6、再升温到920℃持续生长25nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1.5E+20，Mg掺杂浓度9E+18；
7、再升温到930℃持续生长100nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度5E+18；
8、最后降温至700℃，保温20分钟，接着炉内冷却，得到样品4。
对比例1
与实施例1的区别在于：X值恒定为0.02～0.22。得到样品1。
实施例1～3和对比例1中生产条件和所得样品的发光波长列于表1中。
表1实施例1～3和对比例1生产条件和样品的发光波长对比表
由表1可见，按本发明提供的方法制备得到的样品2～4与样品1的区别仅在于掺杂In的量的方式。本发明提供的方法能获得具有与未改变In掺杂量的LED芯片相同的发光波长。样品1～4检测电压和亮度的结果列于图5和6中。由图5可见，通过改变In的掺杂量，能将所得LED芯片的亮度相对未改变In掺杂量的LED芯片提高10％。最高亮度可达510mW。
由图6可见，样品1～4的电压基本相同。说明无需提高所得LED芯片的驱动电压，即可有效提高所得LED芯片的发光亮度。
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 (11)
1.一种LED外延层结构，包括依次叠置的掺Si-N型GaN层、MQW层和P型AlGaN层，所述MQW层包括多个依次叠置的MQW单元，所述MQW单元包括叠置的InXGa(1-X)N层和GaN层，其特征在于，由所述掺Si-N型GaN层向P型AlGaN层方向，所述InXGa(1-X)N层中的X自第一个InXGa(1-X)N层起由A以相同的变化量逐层增大至B，其中0.05≤A≤0.3，A＜B≤0.3，且任一InXGa(1-X)N层的X值固定。
2.根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，所述MQW单元的个数为14～16个。
3.根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，各所述InXGa(1-X)N层的厚度为2.5～3nm。
4.根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，各所述GaN层的厚度为11～12nm。
5.根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，所述P型AlGaN层的厚度为20～30nm。
6.根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，所述掺Si-N型GaN层厚度为3～4μm。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述LED外延层结构的生长方法，包括在衬底顶面上方依次生长掺Si-N型GaN层，MQW层和P型AlGaN层，生长所述MQW层的步骤包括依次叠置生长多个MQW单元，生长各所述MQW单元的步骤包括依次叠置生长InXGa(1-X)N层和GaN层，其特征在于，
生长各所述InXGa(1-X)N层的步骤中，所述InXGa(1-X)N层的生长温度为700～750℃，In的流速由700～2000sccm匀速渐变至2000～700sccm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，各所述GaN层的生长温度为800～850℃。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，生长所述掺Si-N型GaN层的步骤中，Si掺杂浓度为1E+19-2E+19。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，生长所述P型AlGaN层的步骤中，生长温度为900～930℃，Al的掺杂浓度为1E+20～2E+20。
11.一种具有如权利要求1～6中任一项所述的LED外延层结构的LED芯片。
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