CN104701428B - 一种降低led二极管电压的外延方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降低LED二极管电压的外延方法，至少包括以下步骤：S1：提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层及N型GaN层；S2：在所述N型GaN层上生长浅量子阱周期性结构，其中，所述浅量子阱周期性结构为InGaN/GaN周期性结构，周期为3~30；每一InGaN层中，In组分范围是1~10%，且自下而上位于不同周期的多个InGaN层中，In组分不同；S3：在所述浅量子阱周期性结构上生长多量子阱发光层；S4：在所述多量子阱发光层表面依次生长P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层。本发明可以降低LED二极管的工作电压，从而降低LED二极管的发热，提升LED芯片的光效及寿命。
Description
技术领域
本发明属于LED发光领域，涉及一种降低LED二极管电压的外延方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体发光器件，利用半导体P-N结电致发光原理制成。LED具有能耗低，体积小、寿命长，稳定性好，响应快，发光波长稳定等好的光电性能，目前已经在照明、家电、显示屏、指示灯等领域有很好的应用。
LED芯片电压是衡量LED品质的一个重要参数，相同大小的LED芯片在相同电流条件下LED芯片电压较高时说明芯片的等效电阻值较高，电能在转化为光能的过程中也会产生更多的热能，对于LED芯片尤其在大电流长时间的驱动下大量热量的产生对LED芯片的老化品质会产生很大的影响，因此有效降低LED芯片电压对提升LED品质有重要的影响。而在芯片制程条件一定的情况下通过外延工艺调整降低芯片电压就是唯一的方法。
传统外延改善电压的方法多对外延材料及结构进行优化，如n型掺杂、p型掺杂及内部电流扩展等结构设计，这些方法所涉及的参数较多，调整也较为复杂和耗时较久，且容易造成LED芯片其他性能受到影响。
因此，提供一种降低LED二极管电压的外延方法以减少LED芯片工作时产生的热量，提高LED发光品质及寿命实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低LED二极管电压的外延方法，用于解决现有技术中LED二极管电压较高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种降低LED二极管电压的外延方法，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层及N型GaN层；
S2：在所述N型GaN层上生长浅量子阱周期性结构，其中，所述浅量子阱周期性结构为InGaN/GaN周期性结构，周期为3～30；每一InGaN层中，In组分范围是1～10％，且自下而上位于不同周期的多个InGaN层中，In组分不同；
S3：在所述浅量子阱周期性结构上生长多量子阱发光层；
S4：在所述多量子阱发光层表面依次生长P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层。
可选地，于所述步骤S4中，首先在所述多量子阱发光层表面依次生长非掺杂AlGaN层及低温P型层，再在所述低温P型层表面依次生长所述P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层；所述低温P型层的生长温度范围是700～800℃。
可选地，于所述步骤S1中，所述缓冲层的生长温度范围是450～650℃，生长厚度范围是15～50nm；所述非掺杂GaN层及所述N型GaN层的生长温度范围是1000～1200℃，所述非掺杂GaN层及所述N型GaN层的总厚度范围是1.5～4.5μm；所述N型GaN层中，Si掺杂浓度范围是5E18～3E19cm-3。
可选地，所述InGaN/GaN周期性结构的生长温度范围是700～900℃；所述InGaN/GaN周期性结构中，每一InGaN层的厚度范围是1.0～4.0nm，每一GaN层的厚度范围是1.0～9.0nm。
可选地，所述InGaN/GaN周期性结构中，六角晶体缺陷在表面的直径小于150nm。
可选地，所述InGaN/GaN周期性结构中，六角晶体缺陷的密度范围是5.0E8～1.0E10cm-2。
可选地，所述多量子阱发光层为InGaN/GaN复合结构，包含5～18对势垒势阱周期；所述InGaN/GaN复合结构的生长温度范围是700～900℃；所述InGaN/GaN复合结构中，每一InGaN层的In组分范围是15～20％，每一InGaN层的厚度范围是2.0～4.0nm，每一GaN层的厚度范围是3～15nm。
可选地，所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的厚度范围是30～80nm；所述P型电子阻挡层中，Mg掺杂浓度范围是5E18～3.5E19cm-3。
可选地，所述P型GaN层的厚度为30～150nm；所述P型GaN层中，Mg掺杂浓度范围是5E18～1E20cm-3。
可选地，所述衬底为蓝宝石、GaN、Si或SiC衬底。
如上所述，本发明的降低LED二极管电压的外延方法，具有以下有益效果：本发明通过优化缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层及浅量子阱周期性结构的外延生长条件，使得浅量子阱周期性结构中出现的六角晶体缺陷(V-pits)尺寸更小(直径小于150nm)、密度更高(5.0E8～1.0E10cm-2)。这些尺寸较小密度较高的六角晶体缺陷可以产生“微漏电”效应，在相同的工作电流下，可以降低LED二极管的工作电压，从而降低LED二极管的发热，提升LED芯片的光效。同时，这些位于浅量子阱周期性结构中的尺寸较小密度较高的六角晶体缺陷不会对后续生长的P型GaN层产生不良影响，在降低LED芯片电压的同时，不会造成LED芯片其他性能受到影响。
附图说明
图1显示为本发明的降低LED二极管电压的外延方法的工艺流程图。
图2显示为本发明的降低LED二极管电压的外延方法中在衬底上生长缓冲层、非掺杂GaN层及N型GaN层的示意图。
图3显示为本发明的降低LED二极管电压的外延方法中在所述N型GaN层上生长浅量子阱周期性结构的示意图。
图4显示为本发明的降低LED二极管电压的外延方法中在所述浅量子阱周期性结构上生长多量子阱发光层的示意图。
图5显示为本发明的降低LED二极管电压的外延方法中在所述多量子阱发光层表面依次生长P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层的示意图。
元件标号说明
S1～S4 步骤
1 衬底
2 缓冲层
3 非掺杂GaN层
4 N型GaN层
5 浅量子阱周期性结构
6 多量子阱发光层
7 非掺杂AlGaN层
8 低温P型层
9 P型电子阻挡层
10 P型GaN层
11 P型接触层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种降低LED二极管电压的外延方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层及N型GaN层；
S2：在所述N型GaN层上生长浅量子阱周期性结构，其中，所述浅量子阱周期性结构为InGaN/GaN周期性结构，周期为3～30；每一InGaN层中，In组分范围是1～10％，且自下而上位于不同周期的多个InGaN层中，In组分不同；
S3：在所述浅量子阱周期性结构上生长多量子阱发光层；
S4：在所述多量子阱发光层表面依次生长P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层。
首先请参阅图2，执行步骤S1：提供一衬底1，在所述衬底1上依次生长缓冲层2、非掺杂GaN层3及N型GaN层4。
具体的，所述衬底1包括但不限于蓝宝石、GaN、Si、SiC衬底等适合GaN及其半导体外延材料生长的材料。所述缓冲层2亦作为成核层，其生长温度范围是450～650℃，生长厚度范围是15～50nm。所述非掺杂GaN层3及所述N型GaN层4的生长温度范围是1000～1200℃，所述非掺杂GaN层3及所述N型GaN层4的总厚度范围是1.5～4.5μm；其中，所述N型GaN层4的厚度范围是1～3μm。所述N型GaN层4中，Si掺杂浓度范围是5E18～3E19cm-3。
然后请参阅图3，执行步骤S2：在所述N型GaN层4上生长浅量子阱周期性结构5，其中，所述浅量子阱周期性结构5为InGaN/GaN周期性结构，周期为3～30；每一InGaN层中，In组分范围是1～10％，且自下而上位于不同周期的多个InGaN层中，In组分不同。
本实施例中，所述InGaN/GaN周期性结构的生长温度范围是700～900℃；所述InGaN/GaN周期性结构中，每一InGaN层的厚度范围是1.0～4.0nm，每一GaN层的厚度范围是1.0～9.0nm。
本步骤中，InGaN/GaN周期性结构中每一层材料的厚度均较薄，并且位于不同周期的多个InGaN层中，In组分不同。
本实施例中，InGaN/GaN周期性结构生长完毕后，从所述InGaN/GaN周期性结构表面的SEM结果显示，其六角晶体缺陷(V-pits)在表面的直径小于150nm。且所述InGaN/GaN周期性结构中，六角晶体缺陷的密度范围是5.0E8～1.0E10cm-2，相比正常生长条件V-pits密度高10～100倍左右，常规生长条件下的V-pits密度通常在1E7～5E8cm-2，且常规生长条件下的V-pits平均直径也更大。大直径的V-pits不利于后续生长外延层的晶体质量，容易导致器件性能劣化。
需要指出的是，所述六角晶体缺陷(V-pits)在表面的直径是指六角晶体缺陷外切圆的直径。本实施例中，所述六角晶体缺陷(V-pits)在表面的直径小于150nm，指的是最大的六角晶体缺陷直径小于150nm，本实施例中，大部分六角晶体缺陷的直径在20～30nm左右。
所述浅量子阱周期性结构5中出现的六角晶体缺陷尺寸更小、密度更高，这些尺寸较小密度较高的六角晶体缺陷可以产生“微漏电”效应，在相同的工作电流下，可以降低LED二极管的工作电压，从而降低LED二极管的发热，提升LED芯片的光效。同时，这些位于浅量子阱周期性结构中的尺寸较小密度较高的六角晶体缺陷不会对后续生长的P型GaN层产生不良影响，在降低LED芯片电压的同时，不会造成LED芯片其他性能受到影响。
再请参阅图4，执行步骤S3：在所述浅量子阱周期性结构5上生长多量子阱发光层6。
具体的，所述多量子阱发光层6为InGaN/GaN复合结构，包含5～18对势垒势阱周期；所述InGaN/GaN复合结构的生长温度范围是700～900℃；所述InGaN/GaN复合结构中，每一InGaN层的In组分范围是15～20％，每一InGaN层的厚度范围是2.0～4.0nm，每一GaN层的厚度范围是3～15nm。
最后请参阅图5，执行步骤S4：在所述多量子阱发光层6表面依次生长P型电子阻挡层9、P型GaN层10及P型接触层11。
具体的，P型电子阻挡层(EBL)的作用是阻挡量子阱内的电子进入P型区，以增大电子在量子阱区与空穴的复合效率，即可以提高量子阱的内量子效率。本实施例中，所述P型电子阻挡层9可以为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层9的厚度范围是30～80nm；所述P型电子阻挡层9中，Mg掺杂浓度范围是5E18～3.5E19cm-3。
具体的，所述P型接触层11有利于和芯片电极之间形成欧姆接触。所述P型GaN层10的厚度为30～150nm；所述P型GaN层10中，Mg掺杂浓度范围是5E18～1E20cm-3。
为了更好地提升LED二极管的性能，在另一实施例中，可首先在所述多量子阱发光层6表面依次生长非掺杂AlGaN层7及低温P型层8，再在所述低温P型层8表面依次生长所述P型电子阻挡层9、P型GaN层10及P型接触层11。
低温生长P型GaN，有利于空穴向量子阱发光层的注入，获得高发光强度的氮化镓系发光二极管。本实施例中，所述低温P型层8的生长温度范围是700～800℃。所述非掺杂AlGaN层7可起到载流子阻挡层的作用，并有助于载流子在表面扩散。
综上所述，本发明的降低LED二极管电压的外延方法通过优化缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层及浅量子阱周期性结构的外延生长条件，使得浅量子阱周期性结构中出现的六角晶体缺陷(V-pits)尺寸更小(直径小于150nm)、密度更高(5.0E8～1.0E10cm-2)。这些尺寸较小密度较高的六角晶体缺陷可以产生“微漏电”效应，在相同的工作电流下，可以降低LED二极管的工作电压，从而降低LED二极管的发热，提升LED芯片的光效。同时，这些位于浅量子阱周期性结构中的尺寸较小密度较高的六角晶体缺陷不会对后续生长的P型GaN层产生不良影响，在降低LED芯片电压的同时，不会造成LED芯片其他性能受到影响。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
S1：提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层及N型GaN层；
S2：在所述N型GaN层上生长浅量子阱周期性结构，其中，所述浅量子阱周期性结构为InGaN/GaN周期性结构，周期为3～30；每一InGaN层中，In组分范围是1～10％，且自下而上位于不同周期的多个InGaN层中，In组分不同，以在所述InGaN/GaN周期性结构中产生在表面的直径小于150nm，密度范围是5.0E8～1.0E10cm-2的六角晶体缺陷；
S3：在所述浅量子阱周期性结构上生长多量子阱发光层；
S4：在所述多量子阱发光层表面依次生长P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层。
2.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：于所述步骤S4中，首先在所述多量子阱发光层表面依次生长非掺杂AlGaN层及低温P型层，再在所述低温P型层表面依次生长所述P型电子阻挡层、P型GaN层及P型接触层；所述低温P型层的生长温度范围是700～800℃。
3.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：于所述步骤S1中，所述缓冲层的生长温度范围是450～650℃，生长厚度范围是15～50nm；所述非掺杂GaN层及所述N型GaN层的生长温度范围是1000～1200℃，所述非掺杂GaN层及所述N型GaN层的总厚度范围是1.5～4.5μm；所述N型GaN层中，Si掺杂浓度范围是5E18～3E19cm-3。
4.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：所述InGaN/GaN周期性结构的生长温度范围是700～900℃；所述InGaN/GaN周期性结构中，每一InGaN层的厚度范围是1.0～4.0nm，每一GaN层的厚度范围是1.0～9.0nm。
5.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：所述多量子阱发光层为InGaN/GaN复合结构，包含5～18对势垒势阱周期；所述InGaN/GaN复合结构的生长温度范围是700～900℃；所述InGaN/GaN复合结构中，每一InGaN层的In组分范围是15～20％，每一InGaN层的厚度范围是2.0～4.0nm，每一GaN层的厚度范围是3～15nm。
6.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型AlInGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构；所述P型电子阻挡层的厚度范围是30～80nm；所述P型电子阻挡层中，Mg掺杂浓度范围是5E18～3.5E19cm-3。
7.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：所述P型GaN层的厚度为30～150nm；所述P型GaN层中，Mg掺杂浓度范围是5E18～1E20cm-3。
8.根据权利要求1所述的降低LED二极管电压的外延方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、GaN、Si或SiC衬底。
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