CN104835885A - Led外延层结构及其制备方法和具有该结构的led器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种LED外延层结构及其制备方法和具有该结构的LED器件，LED外延层结构，包括依序叠置于衬底上的缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，MQW层包括周期性依次彼此叠置的InGaN层和GaN层，MQW层最后一个周期中的InGaN层顶面上生长掺Al封顶层，掺Al封顶层为AlGaN层或超晶格形式的AlGaN/GaN层；掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层。本发明提供的外延层结构增加该层内局部电阻，增强电流的扩展，来增加MQW区域的发光面积。

Description

LED外延层结构及其制备方法和具有该结构的LED器件
技术领域
本发明涉及LED器件领域，特别地，涉及一种LED外延层结构及其制备方法和具有该结构的LED器件。
背景技术
氮化镓基材料，包括InGaN、GaN和AlGaN合金，为直接带隙半导体，其带隙为从0.7～6.2eV连续可调，具有宽直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是生产短波长高亮度发光器件、紫外光探测器和高温高频微电子器件的理想材料，已被广泛应用于全彩大屏幕显示器、LCD背光源、信号灯或照明等领域。参见图1示意了一种现有的LED结构，其结构从下至上依次为：基板1'、GaN缓冲层2'，U型GaN层3'、n型GaN层4'、MQW(量子阱层)发光层5'、p型AlGaN层6'和高温p型GaN层7'。其中MQW发光层5'中包括交替彼此叠置的InGaN层(QW层)51'和GaN层(Qb)52'。依次叠置的MQW发光层5'、p型AlGaN层6'和高温p型GaN层7'的一侧区域为刻蚀区，经过刻蚀后该区域的顶面形成于n型GaN层4'内。刻蚀区的顶面上设置N型电极9'。高温p型GaN层7'的顶面上设置P电极8'。制成外延片，该外延片可以作为LED器件的制备基础。
LED工作时，载流子在其内部的输运及复合决定了焦耳热和复合热的分布。由于GaN基半导体材料存在较强的自发极化和压电极化现象，在大电流密度情况下，极化现象会更加严重，导致电子泄露，减小了量子阱中载流子的浓度及辐射复合的几率。研究表明，引入AlGaN电子阻挡层后，效率下垂效应会得到明显改善，发光功率显著提高，原因是P型区和活性区间有效势垒的提高，消弱了漏电流效应，使量子阱中载流子浓度及辐射复合率增强。为了提高电子阻挡层中Al元素的掺杂，电子阻挡层必须在低压下生长，但低压下电子阻挡层中有效空穴的浓度就会大大减小，所以电子阻挡层的生长条件就受到了很大的限制。
发明内容
本发明提供一种LED外延层结构及其制备方法和具有该结构的LED器件，以解决现有技术中外延片亮度较低的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种LED外延层结构，包括依序叠置于衬底上的缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，所述MQW层包括至少一个周期的InGaN/GaN层，一个周期的所述InGaN/GaN层包括依次叠置的InGaN层和GaN层，所述MQW层最后一个周期中的所述InGaN层顶面上生长掺Al封顶层，所述掺Al封顶层为AlGaN层或至少一个周期的超晶格形式的AlGaN/GaN层；所述掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层。
进一步地，掺Al封顶层厚度为13～15nm。
进一步地，一个周期的所述AlGaN/GaN层包括依次叠置的AlGaN层与GaN层，一个周期中所述AlGaN层与所述GaN层的厚度比为1:1。
进一步地，掺Al封顶层中所述AlGaN/GaN层的周期数为4。
进一步地，掺Al封顶层中Al掺杂浓度为3E+19～8E+19atom/cm3。
本发明另一方面还提供了一种如上述的LED外延层结构的制备方法，包括以下步骤：依序在衬底上生长缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，所述MQW层包括至少一个周期的InGaN/GaN层，一个周期的所述InGaN/GaN层包括依次叠置的InGaN层和GaN层，还包括以下步骤：在MQW层最后一个周期中的所述InGaN层上生长掺Al封顶层，所述掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层；所述掺Al封顶层的生长条件为800～850℃。
进一步地，缓冲GaN层的生长条件为在530～560℃下生长厚度为20～30nm的所述缓冲GaN层；所述U型GaN层的生长条件为在1100～1200℃下生长厚度为3～4um的所述U型GaN层；所述N型GaN层的生长条件为在1100～1200℃下生长厚度为2.5～3μm掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为8E+18～1E+19atom/cm3。
进一步地，MQW层的生长条件为在700～750℃下生长掺杂In的厚度为2.5～3nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.20～0.22，之后在800～850℃下生长厚度为11～12nm的GaN层，所述MQW层以InxGa(1-x)N层和GaN层依次叠置生长作为一个周期，所述MQW层中的周期数为14～15个。
进一步地，P型AlGaN层的厚度为30～50nm，所述P型AlGaN层的生长条件为在940～950℃下Al掺杂浓度2E+20～3E+20，Mg掺杂浓度为3E+19～4E+19；所述P型GaN层的厚度为150～200nm，生长条件为在1000～1100℃下持续掺镁，Mg掺杂浓度1E+19～1E+20。
根据本发明的另一方面还提供了一种LED器件，LED器件中的外延层结构如上。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的外延层结构从材料生长方面着手，研究电流扩展对亮度的影响。通过在MQW层的最后一层中掺入Al元素，增加该层内局部电阻，增强电流的扩展，来增加的发光面积，通过掺入Al改变所得LED器件内部的电流扩展效果，增加MQW的发光面积；掺入Al后所得MQW最后一层，表面粗化，从而增强出光效率。同时可以有效的填补V型缺陷，提高外延片的抗静电能力。
2.本发明另一方面还提供了上述外延层结构的制备方法，通过在MQW层中的最后一层中掺入掺杂浓度为3E+19～8E+19atom/cm3的Al，在800～850℃下进行生长，可以制得具有较高质量的Al掺杂层，提高了所得外延层结构的质量。
3.本发明另一方面还提供了采用上述方法制备得到的具有该外延层结构的LED器件，该器件的发光效率相比现有的LED器件，发光效率提高3.5％～5％。
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LED外延层结构的示意图；
图2是本发明优选实施例LED外延层结构的示意图；
图3是本发明优选实施例1～3和对比例1所得LED外延层结构制成LED芯片后亮度测试结果的示意图；以及
图4是本发明优选实施例1～3和对比例1所得LED外延层结构制成LED芯片后抗静电能力测试结果的示意图。
图例说明：
1、衬底；2、缓冲GaN层；3、U型GaN层；4、N型GaN层；5、MQW层；51、InGaN层；52、GaN层；53、掺Al封顶层；6、P型AlGaN层；7、P型GaN层；8、P电极；9、N电极。
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。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本文中中涉及到的百分号“％”，若未特别说明，是指质量百分比；但溶液的百分比，除另有规定外，是指溶液100m1中含有溶质若干克；液体之间的百分比，是指在20℃时容量的比例。
本发明提供的LED外延层结构，包括依序叠置于衬底上的缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，所述MQW层包括周期性依次彼此叠置的InGaN层和GaN层，所述MQW层最后一个周期中的所述InGaN层顶面上生长掺Al封顶层，所述掺Al封顶层为AlGaN层或超晶格形式的AlGaN/GaN层；所述掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层。
采用上述结构，一方面利用了MQW层的超晶格结构，通过将MQW层周期中最后一个周期中的GaN层替换为掺Al封顶层。掺Al封顶层为AlGaN层或超晶格形式的AlGaN/GaN层。可以达到改变整体LED电流扩展效果的目的。使得电流在掺Al封顶层的作用下，在LED外延层结构中达到纵向和横向双向的电流扩展作用。从而增加了MQW层中的发光面积，从而提高了所得LED器件的发光效率。同时将MQW层与P型AlGaN层相接处的一层设置为掺Al封顶层，可以使该层表面粗糙化，从而达到提高出光效率的目的。而在MQW层中的最后一个QB中掺入Al元素不仅可以起到电子阻挡层的部分作用，还可以增加局部电阻起到电流扩展的作用，增大MQW的发光面积，提高光效。同时增强电流扩展后还可以适当的减小电流密度，减小MQW中的极化效应，增加电子及空穴的复合几率，从而提高了亮度。
优选的掺Al封顶层厚度为13～15nm。按此厚度设置掺Al封顶层可以使电子在其中扩散路径最短，且电流浓度最高，达到最优的发光效率。更优选厚度为14nm，此时各项效果达到最优。
优选的所述AlGaN/GaN层由依次叠置的AlGaN层与GaN层组成，所述AlGaN层与所述GaN层的厚度比为1:1。按此厚度比例设置可以提高掺Al封顶层中电流的扩散效率，使其本身作为超晶格结构发挥作用，所发挥效果与MQW层中的超晶格结构发挥的效果叠加，更有利于电流的扩散。
优选AlGaN/GaN层以一层AlGaN层上设置一层GaN层为一个周期，所述AlGaN/GaN层的周期数为4。按此周期数设置AlGaN/GaN层可以在阻挡电子溢出的同时提高电流的扩散效率，从而将所得LED器件的亮度提到更高。
优选掺Al封顶层中Al掺杂浓度在3E+19～8E+19atom/cm3。按此浓度进行掺杂可以在所得掺Al封顶层表面形成可以填补V型缺陷的晶型结构，从而提高所得LED器件的抗静电能力。
参见图1，为具有以上结构的LED外延层结构的实例。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、N型GaN层4、MQW层5、P型AlGaN层6和P型GaN层7.其中MQW层5中包括多个周期的InGaN层51和GaN层52。一个周期中包括InGaN层51和设置于InGaN层51顶面上的GaN层52。在最后一个周期中由InGaN层51和设置于InGaN层51顶面上的掺Al封顶层53组成。掺Al封顶层53的顶面上设置P型AlGaN层6。P型GaN层7的顶面上设置P电极8.MQW层5、P型AlGaN层6和P型GaN层7的一侧区域刻蚀至N型GaN层4内，形成电极面。N电极9设置于该电极面上。
本发明的另一方面还提供了一种如上述的LED外延层结构的制备方法，包括以下步骤：依序在衬底上的生长缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，MQW层包括周期性依次叠置的InGaN层和GaN层，还包括以下步骤：在MQW层最后一个周期中的InGaN层上生长掺Al封顶层，掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层；掺Al封顶层的生长条件为800～850℃。在该温度下生长掺Al封顶层可以提高所得掺Al封顶层的表面V型缺陷数量，提高所得外延片的抗静电能力。
进一步地，缓冲GaN层的生长条件为在530～560℃下生长厚度为20～30nm的缓冲GaN层；U型GaN层的生长条件为在1100～1200℃下生长厚度为3～4um的U型GaN层；N型GaN层的生长条件为在1100～1200℃下生长厚度为2.5～3μm掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为8E+18～1E+19atom/cm3。在此条件下生长各层可以提高设置掺Al封顶层后，所得LED器件中电流的整体扩散性能。
进一步地，MQW层的生长条件为在700～750℃下生长掺杂In的厚度为2.5～3nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.20～0.22，之后在800～850℃下生长厚度为11～12nm的GaN层，MQW层以InxGa(1-x)N层和GaN层叠置生长作为一个周期，MQW层中的周期数为14～15个。按此条件生长InxGa(1-x)N层和GaN层，GaN层的质量更好。从而提高在GaN层上设置掺Al封顶层后，电流的扩展效果更好。
进一步地，P型AlGaN层的厚度为30～50nm，P型AlGaN层的生长条件为在940～950℃下Al掺杂浓度2E+20～3E+20，Mg掺杂浓度为3E+19～4E+19；P型GaN层的厚度为150～200nm，生长条件为在1000～1100℃下持续掺镁，Mg掺杂浓度1E+19～1E+20。按此条件进行生长，可以提高所得P型AlGaN层与掺Al封顶层表面的V型缺陷的匹配作用，从而能更有效的提高所得外延片的抗静电能力。
根据本发明的另一方面还提供了一种LED器件，LED器件中的外延层结构如上。按此条件生长得到的的LED外延层结构，按现有方法制备得到LED器件后，可以有效提高所得LED器件的亮度，相对现有结构的LED器件，亮度可以提高3～5％。
具体生长方式如下：
1、在980℃的的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底4.5分钟；
2、降温至550℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1120℃下，持续生长厚度为3.5um的不掺杂GaN；
4、在1120℃下，生长厚度为3μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度9E+18atom/cm3；
5、周期性生长有发光层MQW，低温740℃生长掺杂In的厚度为2.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.21，高温840℃生长厚度为11nm的GaN层。InxGa(1-x)N(QW)/GaN(QB)的周期数为14个；其中在最后一个周期中的QB中掺入Al元素得到掺Al封顶层，掺Al封顶层为超晶格结构的AlGaN/GaN层，掺Al封顶层的厚度为13～15nm。AlGaN层与所述GaN层的厚度比为1:1。AlGaN/GaN层的周期数为4。Al掺杂浓度在5E+19atom/cm3。
6、升高温度到950℃持续生长40nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度2.5E+20，Mg掺杂浓度3.5E+19；
7、升高温度到1050℃持续生长170nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度8E+19。
实施例
以下实施例中运用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600mbar之间。所得外延结构参考图2。
实施例1
具体生长方式如下：
1、在900℃的的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底4分钟；
2、降温至530℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为20nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1100℃下，持续生长厚度为3um的不掺杂GaN；
4、在1100℃下，生长厚度为2.5μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度8E+18atom/cm3；
5、周期性生长有发光层MQW，低温700℃生长掺杂In的厚度为2.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.20，高温800℃生长厚度为11nm的GaN层。InxGa(1-x)N(QW)/GaN(QB)的周期数为14个；其中在最后一个周期中的QB中掺入Al元素得到掺Al封顶层(AlGaN)，掺Al封顶层的厚度为13nm。Al掺杂浓度在3E+19atom/cm3。
6、升高温度到940℃持续生长30nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度2E+20，Mg掺杂浓度3E+19；
7、升高温度到1000℃持续生长150nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+19。
实施例2
具体生长方式如下：
1、在1000℃的的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底5分钟；
2、降温至560℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为30nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1200℃下，持续生长厚度为4um的不掺杂GaN；
4、在1200℃下，生长厚度为3μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度1E+19atom/cm3；
5、周期性生长有发光层MQW，低温750℃生长掺杂In的厚度为3nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.22，高温850℃生长厚度为12nm的GaN层。InxGa(1-x)N(QW)/GaN(QB)的周期数为15个；其中在最后一个周期中的QB中掺入Al元素得到掺Al封顶层(AlGaN)，掺Al封顶层的厚度为15nm。Al掺杂浓度在3E+19～8E+19atom/cm3。
6、升高温度到950℃持续生长50nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度3E+20，Mg掺杂浓度4E+19；
7、升高温度到1100℃持续生长200nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度1E+20。
实施例3
具体生长方式如下：
1、在980℃的的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底4.5分钟；
2、降温至550℃下，在蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到1120℃下，持续生长厚度为3.5um的不掺杂GaN；
4、在1120℃下，生长厚度为3μm持续掺杂Si的N型GaN，Si掺杂浓度9E+18atom/cm3；
5、周期性生长有发光层MQW，低温740℃生长掺杂In的厚度为2.5nm的InxGa(1-x)N层，x＝0.21，高温840℃生长厚度为11nm的GaN层。InxGa(1-x)N(QW)/GaN(QB)的周期数为14个；其中在最后一个周期中的QB中掺入Al元素得到掺Al封顶层，掺Al封顶层为超晶格结构的AlGaN/GaN层，掺Al封顶层的厚度为13～15nm。AlGaN层与所述GaN层的厚度比为1:1。AlGaN/GaN层的周期数为4。Al掺杂浓度在5E+19atom/cm3。
6、升高温度到950℃持续生长40nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度2.5E+20，Mg掺杂浓度3.5E+19；
7、升高温度到1050℃持续生长170nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂浓度8E+19。
对比例1
与实施例3的区别在于未设置掺Al封顶层，而是以GaN层作为MQW层的最顶层与P型AlGaN层相接。
将实施例2、3(样品2～3)和对比例1(样品1)中所得LED外延层结构，按现有方法制备得到LED器件，每组样品中有4个LED器件。对于同一测试项目，对每组样品中的4个器件分别进行测试。测试结果列于图3和4中，图3～4横坐标为测试次数。
并在相同条件下测定各器件的发光亮度，所得结果列于图3中。由图3可见，样品1的亮度在任何一次实验条件下，均低于样品2～3的结果，现有技术所得LED器件的亮度低于样品2～3中所得结果的亮度3～5％。说明在现有LED外延结构中增设掺Al封顶层能提高所得LED器件的发光效率。
对实施例2、3(样品2～3)和对比例1(样品1)所得LED器件的ESD良率进行测试，测试条件为人体模式2000V测试。所得结果列于图4中，可见样品2～3的ESD相对样品1的提升1.5～3％。说明采用该结构得到的LED器件的ESD得到了提高。
在相同条件下对样品1～3进行VF1(LED器件工作电压)的测试，所得结果为三者的VF1无明显变化。通常情况下，如果在LED器件的外延层结构中的某层中掺入Al，会导致外延层结构中的势垒增加，进而导致VF1升高。但由于所得本发明中提供的外延层结构中的电流扩展较好，因而电流密度减少，从而起到减少电阻，阻挡电子溢出的作用。
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LED外延层结构，包括依序叠置于衬底上的缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，所述MQW层包括至少一个周期的InGaN/GaN层，一个周期的所述InGaN/GaN层包括依次叠置的InGaN层和GaN层，其特征在于，所述MQW层最后一个周期中的所述InGaN层顶面上生长掺Al封顶层，所述掺Al封顶层为AlGaN层或至少一个周期的超晶格形式的AlGaN/GaN层；所述掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的LED外延层结构，其特征在于，所述掺Al封顶层厚度为13～15nm。
3.根据权利要求1或2所述的LED外延层结构，其特征在于，一个周期的所述AlGaN/GaN层包括依次叠置的AlGaN层与GaN层，一个周期中所述AlGaN层与所述GaN层的厚度比为1:1。
4.根据权利要求3所述的LED外延层结构，所述掺Al封顶层中所述AlGaN/GaN层的周期数为4。
5.根据权利要求4所述的LED外延层结构，其特征在于，所述掺Al封顶层中Al掺杂浓度为3E+19～8E+19atom/cm3。
6.一种如权利要求1～5中任一项所述的LED外延层结构的制备方法，包括以下步骤：依序在衬底上生长缓冲GaN层、U型GaN层、N型GaN层、MQW层、P型AlGaN层和P型GaN层，所述MQW层包括至少一个周期的InGaN/GaN层，一个周期的所述InGaN/GaN层包括依次叠置的InGaN层和GaN层，其特征在于，还包括以下步骤：在MQW层最后一个周期中的所述InGaN层上生长掺Al封顶层，所述掺Al封顶层的顶面上生长P型AlGaN层；所述掺Al封顶层的生长条件为800～850℃。
7.根据权利要求6所述的LED外延层结构的制备方法，其特征在于，所述缓冲GaN层的生长条件为在530～560℃下生长厚度为20～30nm的所述缓冲GaN层；
所述U型GaN层的生长条件为在1100～1200℃下生长厚度为3～4um的所述U型GaN层；
所述N型GaN层的生长条件为在1100～1200℃下生长厚度为2.5～3μm掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度为8E+18～1E+19atom/cm3。
8.根据权利要求7所述的LED外延层结构的制备方法，其特征在于，所述MQW层的生长条件为在700～750℃下生长掺杂In的厚度为2.5～3nm的InxGa(1-x)N层，其中x＝0.20～0.22，之后在800～850℃下生长厚度为11～12nm的GaN层，所述MQW层以InxGa(1-x)N层和GaN层依次叠置生长作为一个周期，所述MQW层中的周期数为14～15个。
9.根据权利要求7所述的LED外延层结构的制备方法，其特征在于，所述P型AlGaN层的厚度为30～50nm，所述P型AlGaN层的生长条件为在940～950℃下Al掺杂浓度2E+20～3E+20，Mg掺杂浓度为3E+19～4E+19；
所述P型GaN层的厚度为150～200nm，生长条件为在1000～1100℃下持续掺镁，Mg掺杂浓度1E+19～1E+20。
10.一种LED器件，其特征在于，所述LED器件中的外延层结构如权利要求1～5中任一项所述。
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