CN104332544A - 一种提高led发光效率的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新的LED外延生长方法，能有效提升LED外延的发光效率。该方法包括生长N-GaN层的环节、生长多量子阱层的环节、以及生长P-GaN层的环节，所述多量子阱层为若干对AlxGa1-xN/InyGa1-yN的结构，0＜x＜1，0＜y＜1；生长多量子阱层的环节依次分为以下三个生长阶段：第一阶段对AlxGa1-xN量子垒进行p型掺杂；第二阶段对AlxGa1-xN量子垒不做掺杂；第三阶段对AlxGa1-xN量子垒进行n型掺杂；然后生长掺杂p型AlGaN阻挡层，再进行所述生长P-GaN层的环节。
Description
技术领域：
本发明属于半导体电子器件制备技术，特别涉及一种新的生长LED外延生长方法。
背景技术：
LED照明以其发光效率高，使用寿命长，安全可靠性强，节能环保等优势，成为继白炽灯、节能灯之后的第三代高效光源。目前，LED已广泛应用到交通灯，汽车尾灯，广告显视屏，手机电视背光源和白光照明灯领域。一颗可正常使用的LED灯珠的生产一般经历以下环节：外延生长段，芯片段和封装段。其中外延生长段决定了LED超过80％的亮度，是整个产业链的核心技术。外延生长是在蓝宝石衬底上用MOCVD技术设计生长LED的PN结构，一般分为缓冲层，U-GaN层，N-GaN层，多量子阱层和P-GaN层。其中多量子阱层是发光核心，一般而言，多量子阱层主要的出光层是靠近P-GaN的一对或两对量子阱，其余量子阱对出光的贡献都不大，其主要原因是空穴的迁移能力不高，不能有效地从P-GaN中迁移到量子阱中与电子复合，使得远离P-GaN的量子阱因缺乏足够的复合空穴而导致发光效率降低。
发明内容：
本发明提供一种新的LED外延生长方法，能有效提升LED外延的发光效率。
本发明的技术方案如下：
一种提高LED发光效率的外延生长方法，包括生长N-GaN层的环节、生长多量子阱层的环节、以及生长P-GaN层的环节，所述多量子阱层为若干对AlxGa1-xN/InyGa1-yN的结构，0＜x＜1，0＜y＜1；其特殊之处在于，生长多量子阱层的环节依次分为以下三个生长阶段：
第一阶段，在N-GaN层的基础上，生长至少一对AlxGa1-xN/InyGa1-yN，生长过程中对AlxGa1-xN量子垒进行p型掺杂；
第二阶段，生长至少一对AlxGa1-xN/InyGa1-yN，生长过程中对AlxGa1-xN量子垒不做掺杂；
第三阶段，生长至少一对AlxGa1-xN/InyGa1-yN，生长过程中对AlxGa1-xN量子垒进行n型掺杂；
然后生长掺杂p型AlGaN阻挡层，再进行所述生长P-GaN层的环节。
本发明进一步对以上各阶段的周期数以及相应的掺杂浓度作出如下优化限定：
第一阶段量子阱周期数为1-5对，对其量子垒掺杂的Mg的掺杂浓度为1.0×1016cm-3～9.9×1016cm-3。
第二阶段量子阱周期数为1-5对，对量子垒不做掺杂；
第三阶段量子阱周期数为1-5对，对其量子垒掺杂时Si的掺杂浓度为1.0×1015cm-3～9.9×1015cm-3。
本发明还提供一种利用上述外延生长方法制备的LED外延片，其包括在蓝宝石衬底上依次生长的低温GaN层、无掺杂u-GaN层、掺杂硅烷的n-GaN层、AlxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱层、p型AlGaN阻挡层以及掺杂Mg的p型GaN层；所述AlxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱层依次分为三个阶段层，其中第一个阶段层的AlxGa1-xN/InyGa1-yN具有p型掺杂，第二个阶段层的AlxGa1-xN/InyGa1-yN无掺杂，第三个阶段层的AlxGa1-xN/InyGa1-yN具有n型掺杂。
本发明的有益效果如下：
对于传统方案来说，由于空穴的迁移率远小于电子的迁移率，导致本发明所述第一阶段的量子阱中严重缺乏从p-GaN中迁移来的空穴，使空穴电子的复合发光效率降低；未能与空穴复合发光的盈余电子在向p-GaN迁移的过程中，会以释放热量的方式降低自身能量，使LED的温度上升，热稳定性变差。
本发明第一阶段量子阱周期数为1-5对，并对其量子垒进行Mg掺杂，Mg的掺杂浓度为1.0×1016cm-3——9.9×1016cm-3，为第一阶段量子阱提供更多的空穴。不仅增加了与电子的复合率，提高了第一阶段量子阱的发光效率，而且能有效俘获盈余电子，减少盈余电子的发热效应，提高LED的热稳定性。由于掺杂Mg会影响晶体质量，所以在此处的Mg掺杂为微量掺杂。
第二阶段量子阱周期数为1-5对，对量子垒不做掺杂。由于第一阶段的量子阱中掺杂了Mg，使晶体表面缺陷增多，不利于后续晶体的生长，此阶段生长周期性的量子阱能起到过渡层的作用，弛豫表面应力，修复表面缺陷，为后续的第三阶段生长提供平整表面。
第三阶段量子阱最靠近p-GaN，空穴浓度很大，由于空穴的迁移率较差，容易在第三阶段富集，从而降低p-GaN中空穴向量子阱的注入效率，降低LED亮度。本发明第三阶段量子阱周期数为1-5对，对其量子垒掺杂时Si的掺杂浓度为1.0×1015cm-3——9.9×1015cm-3。对第三阶段的量子垒掺杂Si，可以提供更多电子，不仅可以提高电子空穴的复合量，还能大量消耗第三阶段中富集的空穴，使量子阱区和P-GaN区的空穴浓度差增大，从而增强p-GaN中空穴向量子阱的注入效率。使LED发光效率得到提升。由于过多掺杂Si会影响晶体质量，所以在此处的Si掺杂为微量掺杂。
附图说明：
图1为本发明的LED的外延整体结构图。
图2为图1中第5层AlxGa1-xN/InyGa1-yN量子阱层的掺杂结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述。
本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源、铟源、铝源、氮源、硅源和镁源。
实施例一(本发明)
1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100℃烘烤10分钟。
2.降温度620℃生长一层厚度为10nm的低温GaN层，生长压力为500torr。
3.升温至1165℃生长一层厚度1.5um的无掺杂u-GaN层，生长压力为200torr。
4.升温至1170℃，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的n-GaN层，生长压力位200torr。
5.切换载气，由氢气变为氮气，压力为200torr，生长AlxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱层。降温至1075℃，生长厚度为3nm的InyGa1-yN量子阱层；再升温至1165℃，生长厚度为10nm的AlxGa1-xN量子垒层，完成一对量子阱的生长。随后降温至1075℃，开始生长下一对的量子阱，如此共生长9对量子阱，其中第1,2,3对量子垒中掺入Mg进行p型掺杂，Mg的掺杂浓度为3.0×1016cm-3；第4,5,6对量子垒不做掺杂，第7,8,9对量子垒掺入Si进行n型掺杂，Si的掺杂浓度为2.5×1015cm-3。
6.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185℃，150torr,生长一层p型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为100torr。
7.温度1080℃，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力位100torr。
8.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200℃中退火20min。
实施例二(传统方案)
1.将清洗后的蓝宝石衬底放入MOCVD设备中，在1100℃烘烤10分钟。
2.降温度620℃生长一层厚度为10nm的低温GaN层，生长压力为500torr。
3.升温至1165℃生长一层厚度1.5um的无掺杂u-GaN层，生长压力为200torr。
4.升温至1170℃，生长一层厚度为2.0um掺杂硅烷的n-GaN层，生长压力位200torr。
5.切换载气，由氢气变为氮气，压力为200torr，生长AlxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱层。降温至1075℃，生长厚度为3nm的InyGa1-yN量子阱层；再升温至1165℃，生长厚度为10nm的AlxGa1-xN量子垒层，完成一对量子阱的生长。随后降温至1075℃，开始生长下一对的量子阱，如此共生长9对量子阱。
6.切换载气，由氮气变为氢气，温度至1185℃，150torr,生长一层p型AlGaN层，厚度20nm，生长压力为100torr。
7.温度1080℃，生长一层厚为150nm掺杂Mg的p型GaN，生长压力位100torr。
8.切换气体，由氢气变为氮气，在氮气氛围下1200℃中退火20min。
对比本发明外延生长方法(实施例一)与传统外延生长方法制备的外延片(实施例二)在同等芯片工艺条件下制备的芯片数据，本发明制备芯片较传统方法制备芯片的光效提升了约15％。明显提高了LED得发光效率。
Claims (4)
1.一种提高LED发光效率的外延生长方法，包括生长N-GaN层的环节、生长多量子阱层的环节、以及生长P-GaN层的环节，所述多量子阱层为若干对AlxGa1-xN/InyGa1-yN的结构，0＜x＜1，0＜y＜1；其特征在于，生长多量子阱层的环节依次分为以下三个生长阶段：
第一阶段，在N-GaN层的基础上，生长至少一对AlxGa1-xN/InyGa1-yN，生长过程中对AlxGa1-xN量子垒进行p型掺杂；
第二阶段，生长至少一对AlxGa1-xN/InyGa1-yN，生长过程中对AlxGa1-xN量子垒不做掺杂；
第三阶段，生长至少一对AlxGa1-xN/InyGa1-yN，生长过程中对AlxGa1-xN量子垒进行n型掺杂；
然后生长掺杂p型AlGaN阻挡层，再进行所述生长P-GaN层的环节。
2.根据权利要求1所述的提高LED发光效率的外延生长方法，其特征在于：
第一阶段量子阱周期数为1-5对，对其量子垒掺杂的Mg的掺杂浓度为1.0×1016cm-3～9.9×1016cm-3；
第二阶段量子阱周期数为1-5对，对量子垒不做掺杂；
第三阶段量子阱周期数为1-5对，对其量子垒掺杂时Si的掺杂浓度为1.0×1015cm-3～9.9×1015cm-3。
3.采用权利要求1所述外延生长方法制备的LED外延片，包括在蓝宝石衬底上依次生长的低温GaN层、无掺杂u-GaN层、掺杂硅烷的n-GaN层、AlxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱层、p型AlGaN阻挡层以及掺杂Mg的p型GaN层；其特征在于：
所述AlxGa1-xN/InyGa1-yN多量子阱层依次分为三个阶段层，其中第一个阶段层的AlxGa1-xN/InyGa1-yN具有p型掺杂，第二个阶段层的AlxGa1-xN/InyGa1-yN无掺杂，第三个阶段层的AlxGa1-xN/InyGa1-yN具有n型掺杂。
4.根据权利要求3所述的LED外延片，其特征在于：
第一阶段量子阱周期数为1-5对，掺杂浓度为1.0×1016cm-3～9.9×1016cm-3；
第二阶段量子阱周期数为1-5对；
第三阶段量子阱周期数为1-5对，掺杂浓度为1.0×1015cm-3～9.9×1015cm-3。
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