CN104157760A - 发光二极管的外延片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了发光二极管的外延片及其制作方法，该发光二极管的外延片包括：掺杂Si的GaN层；组分恒定发光层，位于所述掺杂Si的GaN层之上；组分渐变发光层，位于所述组分恒定发光层之上；以及P型AlGaN层，位于所述组分渐变发光层之上；其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN层的In掺杂浓度不同。本申请相比现有技术，可调整发光层的电子填充状态的分布，调节发光层的能带，从而提高空穴和电子的复合效率。
Description
技术领域
本申请涉及发光二极管芯片制造技术，更具体地，涉及一种具有渐变式能带的外延片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，简称LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光。LED照明已广泛应用于家居、装饰、办公、招牌甚至路灯用途。LDE的芯片结构设计是一项非常复杂的系统工程，其内容涉及以提高注入效率和光效为目的电致发光结构设计、以提高学出光效率为目的的光引出结构设计和与光效密相关的电极设计等。
LED的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在PN结注入的电子跃迁至空穴的位置，带系的能带差能量以光子的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。因此，LED的复合效率决定LED的光效。
随着金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延、掺杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，处延片的内量子效率已有很大提高。使用传统的LED MOCVD外延生长技术来生长外延片的发光层一般需要生长14-16个周期(所谓周期是重复生长一个单元的次数，单元一把包括两种材料构成，周期性生长就是不做任何改变的重复生长单元材料)，而空穴填充的周期为5-6个位置靠近P层，电子在14-16周期有填充，从N层向P层的电子的填充浓度是递减的，靠近靠近N层的周期数达9-10个不参与发光(靠近N层的9-10个周期单元材料因为没有空穴，所以不发光，是材料不参与发光)，因为空穴浓度(空穴的浓度不是电子浓度，空穴 是电性和电子相反的一种物理定义粒子，请参考半导体物理)几乎为零，复合效率几乎为零。
因此，需要一种新的发光二极管的外延片及其制作方法以解决上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种发光二极管的外延片及其制作方法以解决上述问题。
本申请公开了一种发光二极管的外延片，其特征在于，包括：
掺杂Si的GaN层；
组分恒定发光层，位于所述掺杂Si的GaN层之上；
组分渐变发光层，位于所述组分恒定发光层之上；以及
P型AlGaN层，位于所述组分渐变发光层之上；
其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN层的In掺杂浓度不同。
优选地，其中，所述InGaN层是通过在低温700～750℃生长掺杂In的1.5～3.5nm的InxGa(1-x)N层得到，所述InxGa(1-x)N层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
优选地，其中，所述GaN层是通过在高温800～850℃生长6～12nm的GaN层得到，所述GaN层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
优选地，其中，在所述InGaN层和/或所述GaN层中掺杂Mg、In或Al。
优选地，其中，掺杂浓度为1E+17atom/cm^3。
本申请还公开了一种发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，包括：
生长掺杂Si的GaN层；
在所述掺杂Si的GaN层之上生长组分恒定发光层；
在所述组分恒定发光层之上生长组分渐变发光层；以及
在所述组分渐变发光层之上生长P型AlGaN层；
其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN层的In掺杂浓度不同。
优选地，其中，通过在低温700～750℃生长掺杂In的1.5～3.5nm的InxGa (1-x)N层得到所述InGaN层，其中所述InxGa(1-x)N层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
优选地，其中，通过在高温800～850℃生长6～12nm的GaN层得到所述GaN层，其中所述GaN层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
优选地，其中，在所述InGaN层和/或所述GaN层中掺杂Mg、In或Al。
优选地，其中，掺杂浓度为1E+17atom/cm^3。
本申请提出的发光二极管的外延片及其制作方法，相比现有技术，可调整发光层的电子填充状态的分布，调节发光层的能带，从而提高空穴和电子的复合效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为现有的LED外延片生长方法的流程示意图。
图2为利用图1现有的LED外延片生长方法生产出的LED外延片结构。
图3为依据本发明一实施例的LED外延片生长方法的流程示意图。
图4为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片结构。
图5为利用图1现有的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带示意图。
图6为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带示意图。
图7为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片亮度的对比示意图。
图8为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片电压的对比示意图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技 术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
图1为现有的LED外延片生长方法的流程示意图。如图1所示，包括以下步骤。
步骤101，处理蓝宝石衬底。
现有技术中可在1000～1200℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底3～5分钟。
步骤102，生长低温缓冲层GaN。
可降温至530～560℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为20～30nm的低温缓冲层GaN。
步骤103，生长不掺杂GaN。
可升高温度到1000～1100℃，持续生长3～4um的不掺杂GaN。
步骤104，生长掺杂Si的N型GaN。
可生长3～4μm持续掺杂Si的N型GaN，其中Si掺杂浓度为1E+19～2E+19。
步骤105，生长发光层MQW。
可周期性生长发光层MQW，其中低温700～750℃生长掺杂In的2.5～3nm的InxGa(1-x)N层，高温800～850℃生长11～12nm的GaN层。其中，InxGa(1-x)N或GaN的周期数为14-16个，每个周期的InxGa(1-x)N的In组分恒定，其中x＝0.20～0.25。InGaN/GaN为一个周期，一个周期里有InGaN材料叫做每个周期的InGaN。
步骤106、生长P型AlGaN层。
升高温度到900～930℃，持续生长20～30nm的P型AlGaN层，其中Al的掺杂浓度为1E+20～2E+20，Mg的掺杂浓度为8E+18～1E+19。
步骤107，生长掺镁的P型GaN层。
升高温度到930～1000℃，持续生长100～150nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度为5E+18～1E+19。
步骤108，冷却。
降温至700～750℃，保温20～30min，接着炉内冷却。
图2为利用图1现有的LED外延层生长方法生产出的LED外延片结构。如图2所示，201为蓝宝石衬底，202为依据上述步骤102生长的低温缓冲层GaN，203为依据上述步骤103生长的不掺杂Si的GaN，204为依据上述步骤104生长的掺杂Si的GaN，205为发光层，其中205-1依据上述步骤105生长的InGaN，205-2为依据步骤105生长的GaN，206为依据上述步骤106生长的掺杂Al的P型GaN，207为依据上述步骤107生长的掺杂Mg的P型GaN。
图3为依据本发明一实施例的LED外延片生长方法的流程示意图。在本发明的一实施例中，运用Aixtron MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。在本发明的一实施例中，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。具体生长方式如下述步骤。
步骤301，处理蓝宝石衬底。
在本发明的一实施例中，可在1000～1200℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底3～5分钟。
步骤302，生长低温缓冲层GaN。
在本发明的一实施例中，可降温至530～560℃，在蓝宝石衬底上生长厚 度为20～30nm的低温缓冲层GaN；
步骤303，生长不掺杂GaN。
在本发明的一实施例中，可升高温度到1000～1100℃，持续生长3～4um的不掺杂GaN；
步骤304，生长掺杂Si的N型GaN。
在本发明的一实施例中，可生长3～4μm持续掺杂Si的N型GaN，其中Si掺杂浓度为1E+19～2E+19。
步骤305，生长发光层MQW。
在本发明的一实施例中，步骤305又包括步骤305-1和305-2。
其中在步骤305-1中，低温700～750℃生长掺杂In的2.5-3nm的InxGa(1-x)N层，高温800～850℃生长11-12nm的GaN层。其中，InxGa(1-x)N和GaN周期数为9-10个，每个周期的InxGa(1-x)N的In组分恒定(In掺杂浓度相同)，x＝0.20～0.25。因此，步骤305-1生长的发光层，又可称作组分恒定的发光层。
然后，在步骤305-2中，低温700～750℃生长掺杂In的1.5～3.5nm的InxGa(1-x)N层，高温800～850℃生长6～12nm的GaN层。其中，InxGa(1-x)N或GaN周期数为3～6个，每个周期的InxGa(1-x)N的In组分不恒定(In掺杂浓度不相同)，x＝0.1～0.25，x由0.25逐渐减少至0.1，或者x由0.1逐渐减少至0.25。因此，步骤305-2生长的发光层，又可称作组分渐变的发光层。在本发明的一实施例中，在步骤305-2中，适当地在InGaN/GaN中轻度掺杂Mg、In、Al(上述三种均有)，浓度约1E+17atom/cm^3。掺杂Mg有利于空穴的注入；掺杂Al有利于阻挡电子的泄露，增加发光层的电子空穴复合效率；掺杂In可以适当地减缓GaN对InGaN材料的应力影响，还有利于空穴的注入。由于步骤305-2中生长的InGaN/GaN是不参与发光的，其作用是防止电子的外溢和增加发光层的空穴浓度，而适当地添加Mg、Al或In则上述效果更好。需要说明的是，在步骤305-2中不能掺杂Si元素，如果掺杂了Si整个LED将不能正常工作。
步骤306、生长P型AlGaN层。
在本发明的一实施例中，升高温度到900～930℃，持续生长20～30nm的P型AlGaN层，其中Al的掺杂浓度为1E+20～2E+20，Mg的掺杂浓度为8E+18～1E+19。
步骤307，生长掺镁的P型GaN层。
在本发明的一实施例中，升高温度到930～1000℃，持续生长100～150nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度为5E+18～1E+19。
步骤308，冷却。
在本发明的一实施例中，降温至700～750℃，保温20～30min，接着炉内冷却。
图4为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片结构。如图4所示，401为蓝宝石衬底，402为依据上述步骤302生长在蓝宝石衬底之上的低温缓冲层GaN，403为依据上述步骤303生长在低温缓冲层GaN之上的不掺杂Si的GaN，404为依据上述步骤304生长在不掺杂Si的GaN之上的掺杂Si的GaN，405为发光层，生长在掺杂Si的GaN之上，包括405-1和生长在405-1之上的405-2，其中405-1为组分恒定发光层，405-2为组分渐变发光层。405-1包括405-1-1和405-1-2，其中405-1-1依据上述步骤305-1生长的InGaN，405-1-2为依据步骤305-1生长的GaN。405-2包括405-2-1和405-2-2，其中405-2-1依据上述步骤305-2生长的InGaN，405-2-2为依据步骤305-2生长的GaN。需说明的是，本发明并不限制组分恒定发光层和组分渐变发光层的InGaN和GaN的排列顺序，也就是说，InGaN可位于GaN之上，也可位于GaN之下。406为依据上述步骤306生长在发光层405之上的掺杂Al的P型GaN，407为依据上述步骤307生长在掺杂Al的P型GaN之上的掺杂Mg的P型GaN。
由上述可知，本发明提出的LED外延片生长方法与现有的LED结构外延生长方法相比，区别在于步骤305的发光层的生长方法。现有的发光层包括14-16个周期的势阱InGaN和势磊GaN，参与发光的是靠近P层的4-6个周期的势阱InGaN和势磊GaN，靠近N层由于空穴浓度非常低，电子和空 穴不产生发光复合。而本发明提出的发光层的生长方法通过掺杂Mg、In、Al来调整发光层的电子填充状态的分布，调节了发光层的能带，从而提高空穴和电子的复合效率。
图5为利用图1现有的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带示意图。
如图5所示，横坐标EV：GaN材料能带价带，EF：GaN材料能带费米能级，EC：GaN材料能带导带；向下箭头代表名称对应能带区域。
图6为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带示意图。
发光层性能比较
接下来通过实验来说明用本发明提出的LED外延层生长方法生产出的LED外延层的发光层的性能。
根据现有的LED外延层生长方法生制备样品1，根据本发明提出的LED外延层生长方法制备样品2、3、4、5、6；样品1和样品2、3、4、5、6的外延生长方法参数的不同点在于生长发光层势阱的生长条件不一样(如表中粗体参数)，其它外延层生长条件完全一样。请参考表1～表5，样品1和样品2、3、4、5、6在相同的工艺条件下镀ITO层约150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极约70nm，相同的条件下镀保护层SiO2约30nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mil*30mil)的芯片颗粒，然后在相同位置挑选样品1和样品2各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、3、4、5、6的光电性能。
表1
表2
表3
表4
表5
将积分球获得的数据进行分析对比，请参考图7和图8，图7为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片亮度的对比示意图，图8为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片电压的对比示意图。从图7的数据得出样品2、3、4、5、6较样品1光效提升10-12％，从图8的数据得出样品2、3、4、5、6较样品1驱动电压保持不变。
本申请提出的发光二极管的外延片及其制作方法，相比现有技术，通过 掺杂来调整发光层的电子填充状态的分布，调节了发光层的能带，从而提高空穴和电子的复合效率。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者系统中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管的外延片，其特征在于，包括：
掺杂Si的GaN层；
组分恒定发光层，位于所述掺杂Si的GaN层之上；
组分渐变发光层，位于所述组分恒定发光层之上；以及
P型AlGaN层，位于所述组分渐变发光层之上；
其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN层的In掺杂浓度不同。
2.如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述InGaN层是通过在低温700～750℃生长掺杂In的1.5～3.5nm的InxGa(1-x)N层得到，所述InxGa(1-x)N层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
3.如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述GaN层是通过在高温800～850℃生长6～12nm的GaN层得到，所述GaN层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
4.如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，在所述InGaN层和/或所述GaN层中掺杂Mg、In或Al。
5.如权利要求4所述的发光二极管的外延片，其特征在于，掺杂浓度为1E+17atom/cm^3。
6.一种发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，包括：
生长掺杂Si的GaN层；
在所述掺杂Si的GaN层之上生长组分恒定发光层；
在所述组分恒定发光层之上生长组分渐变发光层；以及
在所述组分渐变发光层之上生长P型AlGaN层；
其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN层的In掺杂浓度不同。
7.如权利要求6所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，通过在低温700～750℃生长掺杂In的1.5～3.5nm的InxGa(1-x)N层得到所述InGaN层，其中所述InxGa(1-x)N层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
8.如权利要求6所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，通过在高温800～850℃生长6～12nm的GaN层得到所述GaN层，其中所述GaN层的周期数为3～6，x＝0.1～0.25。
9.如权利要求6所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，在所述InGaN层和/或所述GaN层中掺杂Mg、In或Al。
10.如权利要求9所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，掺杂浓度为1E+17atom/cm^3。
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