CN105023978A - 低吸收led外延结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低吸收LED外延结构及其制备方法，所述低吸收LED外延结构从下向上依次包括：衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型层；所述P型层从下到上依次包括：P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层；其中，所述P型层的厚度取值范围为50nm~100nm。本发明的低吸收LED外延结构及其制备方法，其P型层的厚度取值范围降为50nm~100nm，降低了P型层对光的吸收，从而提高LED芯片的发光亮度；同时，由于P型层厚度减薄，相比旧的LED外延片制造工艺，其单炉生长时间减少，产能提升10%以上。

Description

低吸收LED外延结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种低吸收LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）作为一种高效、环保和绿色新型固态照明光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高及使用功耗低等优点，使其得以广泛应用。特别地，随着LED 行业的迅猛发展，LED在照明领域的应用所占比例越来越高。随着大功率LED芯片在照明领域广泛应用，对大功率LED芯片发光效率要求与日俱增。
传统的LED芯片其P型层的厚度一般在200nm~300nm，因此，其发光效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低吸收LED外延结构及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明一实施方式提供一种低吸收LED外延结构，所述低吸收LED外延结构从下向上依次包括：
衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型层；
所述P型层从下到上依次包括：P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层；
其中，所述P型层的厚度取值范围为50nm~100nm。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型层的厚度为65nm。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型电子阻挡层的厚度取值范围为：30nm~60nm，所述P型GaN层的厚度取值范围为：15nm~30nm，所述P型InGaN接触层的厚度取值范围为：5nm~10nm。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层的厚度比为8：4：1。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层的厚度分别为40nm，20nm，5nm。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型电子阻挡层为P型超晶格GaN/p-InAlGaN电子阻挡层，所述GaN与InAlGaN的厚度比为1：2。
为了实现上述发明目的之一，本实施方式的一种低吸收LED外延结构的制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长MQW有源层；
在所述MQW有源层上生长P型层；所述P型层的厚度取值范围为50nm~100nm；
其中，“在所述MQW有源层上生长P型层；”具体包括：
在所述MQW有源层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层；
在所述P型GaN层上P型InGaN接触层。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型电子阻挡层的生长温度的取值范围为760℃~820℃，所述P型电子阻挡层的厚度取值范围为：30nm~60nm。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型GaN层的生长温度的取值范围为930℃~960℃，所述P型GaN层的厚度取值范围为：15nm~30nm。
作为本实施方式的进一步改进，所述P型InGaN接触层的生长温度的取值范围为890℃~930℃，其Mg原子掺杂浓度大于1E21cm-3，所述P型InGaN接触层的厚度取值范围为：5nm~10nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的低吸收LED外延结构及其制备方法，其P型层的厚度取值范围降为50nm~100nm，降低了P型层对光的吸收，从而提高LED芯片的发光亮度；同时，由于P型层厚度减薄，相比旧的LED外延片制造工艺，其单炉生长时间减少，产能提升10%以上。
附图说明
图1是本发明一实施方式中低吸收LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明另一实施方式中低吸收LED外延结构的结构示意图；
图3是本发明一实施方式中低吸收LED外延结构的制备方法的流程示意图；
图4为本发明一实施方式的低吸收LED外延结构与现有技术的低吸收LED外延结构的亮度对比芯片测试数据。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
如图1所示，本发明提供的低吸收LED外延结构，低吸收LED外延结构从下向上依次包括：衬底10，N型GaN层20，MQW有源层30，P型层40。
本发明一实施方式中，衬底10的材料为蓝宝石衬底，当然，在本发明的其他实施方式中，衬底10也可以为其他衬底材料，如Si、SiC等。
本发明一实施方式中，N型GaN层20为高温N型GaN层。
本发明一实施方式中，MQW有源层30为多量子阱发光层。
本发明的P型层40的厚度取值范围为50nm~100nm。本发明优选实施方式中，P型层40的厚度为65nm。
本发明具体示例中，P型层40从下到上依次包括：P型电子阻挡层41，P型GaN层42，P型InGaN接触层43。
其中， P型电子阻挡层41的厚度取值范围为：30nm~60nm， P型GaN层42的厚度取值范围为：15nm~30nm， P型InGaN接触层43的厚度取值范围为：5nm~10nm。
本发明一优选实施方式中，P型电子阻挡层41，P型GaN层42，P型InGaN接触层43的厚度比为8：4：1。
本发明一优选实施方式中， P型电子阻挡层41，P型GaN层42，P型InGaN接触层43的厚度分别为40nm，20nm，5nm。
本发明一具体示例中，P型电子阻挡层41为P型超晶格GaN/p-InAlGaN电子阻挡层，所述GaN与InAlGaN的厚度比为1：2。
本发明一实施方式中，P型GaN层42为高温P型GaN层。
本发明一实施方式中，P型InGaN接触层43为高浓度Mg掺杂P型InGaN接触层，其中，Mg原子掺杂浓度大于1E21cm-3。
上述实施方式中，将所述P型层的厚度取值范围降为50nm~100nm，降低了所述P型层对光的吸收，从而提高LED芯片的发光亮度。
如图2所示，图1所示低吸收LED外延结构的基础上，本发明一实施方式中，所述低吸收LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的成核层51。
其中，成核层51优选低温GaN成核层，并将TMGa作为Ga源。
如图2，图1所示低吸收LED外延结构的基础上，本发明一实施方式中，所述低吸收LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的氮化物缓冲层52。
氮化物缓冲层52可为GaN缓冲层或AlN 缓冲层；当然，在本发明的其他实施方式中，GaN缓冲层还可以包括高温条件下生长的高温GaN缓冲层和低温条件下生长的低温GaN缓冲层，在此不做详细赘述。
如图2所示，图1所示低吸收LED外延结构的基础上，本发明一实施方式中，所述低吸收LED外延结构还包括：生长于衬底10和N型GaN层20之间的非故意掺杂GaN层53。
当然，在本发明的其他实施方式中，上述成核层51、氮化物缓冲层52、非故意掺杂GaN层53还可以任意组合加入到低吸收LED外延结构中，例如：低吸收LED外延结构从下向上依次包括：衬底10、成核层51、氮化物缓冲层52、非故意掺杂GaN层53、N型GaN层20、MQW有源层30、P型层40，在此不做详细赘述。
结合图3所示，本发明一实施方式中，公开一种低吸收LED外延结构的制备方法，所述方法包括：
S1、提供一衬底；
S2、在所述衬底上生长N型GaN层；
S3、在所述N型GaN层上生长MQW有源层；
S4、在所述MQW有源层上生长P型层；
所述步骤S4具体包括：
S41、在所述MQW有源层上生长P型电子阻挡层；
S42、在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层；
S42、在所述P型GaN层上P型InGaN接触层。
其中， 所述P型层的厚度取值范围为50nm~100nm。
本发明优选实施方式中，所述P型层的厚度为65nm。
本发明具体示例中，所述 P型电子阻挡层的厚度取值范围为：30nm~60nm， 所述P型GaN层的厚度取值范围为：15nm~30nm，所述P型InGaN接触层的厚度取值范围为：5nm~10nm。
本发明一优选实施方式中，所述P型电子阻挡层，所述P型GaN层，所述P型InGaN接触层的厚度比为8：4：1。
本发明一优选实施方式中， 所述P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层的厚度分别为40nm，20nm，5nm。
本发明一具体示例中，所述P型电子阻挡层为P型超晶格GaN/p-InAlGaN电子阻挡层，所述GaN与InAlGaN的厚度比为1：2。
本发明一实施方式中，所述P型GaN层为高温P型GaN层。
本发明一实施方式中，所述P型InGaN接触层为高浓度Mg掺杂P型InGaN接触层，其中，Mg原子掺杂浓度大于1E21cm-3。
在本发明一实施方式中，所述步骤S1后，所述方法还包括：
S51、在所述衬底上生长成核层；
S52、在所述成核层上生长氮化物缓冲层；
S53、在所述氮化物缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
当然，本发明一实施方式中，所述步骤S51、S52、S53还可以任意组合：
例如：所述步骤S1后，所述方法还包括：S51、在所述衬底上生长成核层；
或S52、在所述衬底上生长氮化物缓冲层；
或S53、在所述衬底上生长非故意掺杂GaN层，在此不做详细赘述。
需要说明的是，通过上述方法制备出的衬底、成核层、氮化物缓冲层、非故意掺杂GaN层、N型GaN层、MQW有源层、P型层的具体组分可以参考前述低吸收LED外延结构，在此不做详细赘述。                                      
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
在本实施方式中，低吸收LED外延结构的制备方法具体包括：
M1、提供一衬底；
所述衬底为蓝宝石衬底，在氢气气氛里进行退火，清洁蓝宝石衬底表面，温度控制在1050-1100℃之间，然后进行氮化处理1-3min。
M2、在所述衬底上生长成核层；
将温度下降到500~550℃之间，在所述衬底上生长15~25nm厚的低温GaN成核层，生长压力控制在600mbar，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在80~120之间，并将TMGa作为Ga源。
M3、在所述成核层上生长成氮化物缓冲层；
在所述成核层上进行原位退火处理，生长厚度为0.5-1um间的高温GaN 缓冲层。
M4、在所述氮化物缓冲层上生长非故意掺杂GaN层；
在所述氮化物缓冲层上生长非故意掺杂高温u-GaN层。
M5、在所述非故意掺杂GaN层上生长N型GaN层；
M6、在所述N型GaN层上生长MQW有源层；
本实施方式中，在N型GaN层之上，生长多量子阱发光层。
M7、在所述MQW有源层上生长P型电子阻挡层；
本实施方式中，在所述MQW有源层上生长P型超晶格GaN/p-InAlGaN电子阻挡层，其生长温度控制在760℃~820℃，生长出的P型超晶格GaN/p-InAlGaN电子阻挡层的厚度为40nm，其中，所述GaN与InAlGaN的厚度比为1：2。
M8、在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层；
本实施方式中，在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层，其生长温度控制在930℃~960℃，生长出的P型GaN层的厚度为20nm。
M9、在所述P型GaN层上P型InGaN接触层。
本实施方式中，在所述P型GaN层上P型InGaN接触层，其生长温度控制在890℃~930℃，生长出的P型InGaN接触层的厚度为5nm，其中，其生长环境中Mg原子掺杂浓度大于1E21cm-3。
上述实施方式仅仅为一优选实施方式，在本发明的其他实施方式中，所述P型层的厚度，P型层中P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层的厚度占比等均可以根据需求设置为其他数值，在此不再进一步赘述。
结合图4所示，本发明实施方式和现有技术中两种结构采用相同芯片制程，在相同的测试条件下（驱动电流150mA）进行测试，其中，样品A为现有技术的低吸收LED外延结构，样品B为本发明实施方式的低吸收LED外延结构。
由图4可知，本实施方式中低吸收LED外延结构的发光亮度(LOP)较现有技术中低吸收LED外延结构的发光亮度(LOP)提升3.3 mW（1.5%）。
综上所述，本发明的低吸收LED外延结构及其制备方法，其P型层的厚度取值范围降为50nm~100nm，降低了P型层对光的吸收，从而提高LED芯片的发光亮度；同时，由于P型层厚度减薄，相比旧的LED外延片制造工艺，其单炉生长时间减少，产能提升10%以上。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低吸收LED外延结构，其特征在于，所述低吸收LED外延结构从下向上依次包括：
衬底，N型GaN层，MQW有源层，P型层；
所述P型层从下到上依次包括：P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层；
其中，所述P型层的厚度取值范围为50nm~100nm。
2.根据权利要求1所述的低吸收LED外延结构，其特征在于，所述P型层的厚度为65nm。
3.根据权利要求1所述的低吸收LED外延结构，其特征在于，所述P型电子阻挡层的厚度取值范围为：30nm~60nm，所述P型GaN层的厚度取值范围为：15nm~30nm，所述P型InGaN接触层的厚度取值范围为：5nm~10nm。
4.根据权利要求3所述的低吸收LED外延结构，其特征在于，所述P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层的厚度比为8：4：1。
5.根据权利要求4所述的低吸收LED外延结构，其特征在于，所述P型电子阻挡层，P型GaN层，P型InGaN接触层的厚度分别为40nm，20nm，5nm。
6.根据权利要求1所述的低吸收LED外延结构，其特征在于，所述P型电子阻挡层为P型超晶格GaN/p-InAlGaN电子阻挡层，所述GaN与InAlGaN的厚度比为1：2。
7.一种低吸收LED外延结构的制备方法，其特征在于，
提供一衬底；
在所述衬底上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长MQW有源层；
在所述MQW有源层上生长P型层；所述P型层的厚度取值范围为50nm~100nm；
其中，“在所述MQW有源层上生长P型层；”具体包括：
在所述MQW有源层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层；
在所述P型GaN层上P型InGaN接触层。
8.根据权利要求7所述的低吸收LED外延结构的制备方法，其特征在于，
所述P型电子阻挡层的生长温度的取值范围为760℃~820℃，所述P型电子阻挡层的厚度取值范围为：30nm~60nm。
9.根据权利要求7所述的低吸收LED外延结构的制备方法，其特征在于，
所述P型GaN层的生长温度的取值范围为930℃~960℃，所述P型GaN层的厚度取值范围为：15nm~30nm。
10.根据权利要求7所述的低吸收LED外延结构的制备方法，其特征在于，
所述P型InGaN接触层的生长温度的取值范围为890℃~930℃，其Mg原子掺杂浓度大于1E21cm-3，所述P型InGaN接触层的厚度取值范围为：5nm~10nm。
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