CN105070797B - 一种led外延生长方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了LED芯片外延生长方法，LED芯片包括：自下而上顺序设置的衬底、低温GaN缓冲层、高温GaN缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、N型接触层、浅量子阱层、有源层MQW、AlGaN/GaN超晶格、低温P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格结构、高温P型GaN层及P型接触层。方法包括：在衬底上从下而上顺序生长低温GaN缓冲层、高温GaN缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、N型接触层及浅量子阱层；在浅量子阱层上生长出有源层MQW，有源层MQW为低温多量子阱结构；在有源层MQW上生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构；在AlGaN/GaN超晶格结构上生长低温P型GaN层；在低温P型GaN层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构；在P型AlGaN/InGaN超晶格结构上生长高温P型GaN层；在高温P型GaN层上生长P型接触层；以及降温得到LED芯片外延结构。

Description

一种LED外延生长方法
技术领域
本申请涉及发光二极管领域，具体地说，是涉及一种发光二极管外延生长方法。
背景技术
发光二极管(LED)是二十一世纪备受全球瞩目的新一代光源，因其高亮度、低功耗、长寿命以及可回收利用等优点，LED已经成为最有发展前景的绿色照明光源。随着LED制造技术的不断发展进步，LED不断向大功率、低功耗及高亮度方向发展。而氮化镓基材料，包括InGaN、GaNAl和GaN合金，作为直接带隙半导体，且带隙从1.8-6.2eV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，广泛应用于全彩大屏幕显示、LCD背光源、信号灯、照明等领域。20世纪90年代以来，由于异质外延技术以及GaN材料P型掺杂技术取得突破性进展，以GaN为代表的第Ш族氮化物宽带隙直接跃迁型半导体材料，因其光谱范围广、电子饱和迁移率高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定、抗辐射、耐高温等优点被广泛应用于高亮度蓝绿及篮紫发光器件的研制，成为目前国内外半导体研究的一大热点。
然而，根据材料显示，要想取代荧光灯，白光LED的发光效率必须要达到150-2001m/W。而如何提升LED的亮度和发光效率是亟待解决的问题。
并且，随着对LED基蓝光的深入研究发现，LED的输出光波长将随着注入电流、温度和时间的影响而变化。这给GaN基LED的实际应用带来了两个问题：(1)在全彩色显示应用中，波长的漂移会引起发光颜色变化，导致色彩不纯，影响显示屏的视觉效果；(2)在半导体照明领域，蓝光LED峰值波长的变化将引起色度坐标的漂移，造成白光的颜色或色温发生变化。由此，获得高波长稳定性的LED器件是材料外延研究的重点。
随注入电流的增加，GaN基蓝光LED的峰值波长向短波长方向移动，即发生了蓝移。蓝移：有机化合物的谱带常常因取代基的变化和改变溶剂量使最大波长λmax和吸收强度发生改变。当λmax向最短波方向移动时称为蓝移。结果就会导致LED器件亮度和发光效率不佳的问题。
有源层(MQW)：半导体制造工艺进行扩散和注入,形成IC有源器件的部分。这种结构由三层不同类型半导体材料构成，中间层通常为厚度为0.1～0.3μm的窄带隙P型半导体，称为有源层，作为工作介质，两侧分别为具有较宽带隙的N型和P型半导体，称为限制层。具有不同带隙宽度的两种半导体单晶之间的结构称为异质结。有源层与右侧的N层之间形成的是P-N异质结，而与左侧的P层之间形成的是P-P异质结,故这种结构又称N-P-P双异质结构，简称DH结构。
为此，本发明提供了一种LED外延生长方法，通过有源层(MQW)在高压环境下进行氮化镓基LED外延生长的方法，提升量子阱的发光能力，降低极化效应以及开启电压，从而提高发效率。
发明内容
为了解决在上述现有技术中出现的问题，本发明的目的是提供一种LED外延生长方法，以解决LED器件亮度和发光效率不佳的问题。
本发明提供了一种LED芯片外延生长方法，所述LED芯片包括：自下而上顺序设置的衬底、低温GaN缓冲层、高温GaN缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、N型接触层、浅量子阱层、有源层MQW、AlGaN/GaN超晶格、低温P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格结构、高温P型GaN层及P型接触层，所述方法：
在衬底上从下而上顺序生长低温GaN缓冲层、高温GaN缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、N型接触层及浅量子阱层；
在浅量子阱层上生长出有源层MQW，所述有源层MQW为低温多量子阱结构；
在所述有源层MQW上生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构；
在所述AlGaN/GaN超晶格结构上生长低温P型GaN层；
在所述低温P型GaN层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构；
在所述P型AlGaN/InGaN超晶格结构上生长高温P型GaN层；
在所述高温P型GaN层上生长P型接触层；以及
降温、冷却得到LED芯片外延结构。
进一步地，其中，所述在浅量子阱层上生长出有源层MQW，进一步包括：
在温度为750℃-920℃、压力为250torr-350torr、通入N2量为80000sccm-90000sccm及通入NH3量为50000-70000sccm的条件下，在所述浅量子阱层上生长有源层MQW。
进一步地，其中，所述有源层MQW包括：量子阱和量子垒，所述在浅量子阱层上生长出有源层MQW，进一步包括：
在温度为750℃-770℃、压力为250torr-350torr的条件下，生长量子阱；在温度为880℃-920℃、压力为250torr-350torr下，生长量子垒，其中，单个量子阱和量子垒的总厚度为12nm-15nm。
进一步地，其中，所述在浅量子阱层上生长出有源层MQW，进一步包括：
在通入N2量为90000sccm、通入NH3量为50000-70000sccm的条件下，生长有源层MQW，其中，在转速为500RPM-550RPM的条件下，生长量子垒。
进一步地，其中，所述在浅量子阱层上生长出有源层MQW，进一步包括：
在通入N2量为90000sccm、通入NH3量为50000-70000sccm的条件下，生长有源层MQW，其中，在转速为550RPM的条件下，生长量子垒。
进一步地，其中，所述在有源层MQW上生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构，进一步包括：
在温度为810℃-850℃，压力100torr-200torr、Al浓度为1020atom/cm3的条件下，生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构，所述非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构的厚度为8nm-12nm。
进一步地，其中，所述在AlGaN/GaN超晶格结构上生长低温P型GaN层，进一步包括：
在温度为700℃-800℃、压力150torr-250torr的条件下，生长低温P型GaN层，所述低温P型GaN层的厚度为50nm-80nm。
进一步地，其中，所述在低温P型GaN层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构，进一步包括：
在温度为900℃-1000℃、压力100torr-150torr、Al浓度为1020atom/cm3、Mg浓度为1019-1020atom/cm3的条件下，生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构，所述P型AlGaN/InGaN超晶格结构的厚度为60nm-100nm。
进一步地，其中，所述在P型AlGaN/InGaN超晶格结构上生长高温P型GaN层，进一步包括：
在温度为900℃-1000℃、压力150torr-250torr的条件下，生长高温P型GaN层，所述高温P型GaN层的厚度为40nm-80nm。
进一步地，其中，所述在高温P型GaN层上生长P型接触层，进一步包括：
在温度为900℃-1000℃、压力150torr-250torr的条件下，生长P型接触层，所述P型接触层的厚度为6nm-10nm。
与现有技术相比，本申请所述的LED外延生长方法，具有以下优点：
(1)本发明的LED外延生长方法通过多量子阱高压高铟生长，提高了InGaN和GaN多量子阱的结晶质量，减少了非辐射复合，提高了LED芯片的发光效率。
(2)本发明的LED外延生长方法通过提升低温有源层MQW的生长压力以及减慢生长速率提升了量子阱和量子垒的结晶质量，并且通过提高量子阱中In和Ga的摩尔比提高了LED芯片量子阱中In的组分，保证了LED芯片内量子效率，进而提升了量子阱的发光能力。
(3)本发明的LED外延生长方法降低了极化效应和开启电压，从而提升了发光效率。
当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
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是现有技术LED芯片的结构示意图；
图2是本发明LED外延生长得到LED芯片的结构示意图；
图3是本发明的LED外延生长方法的流程图；
图4是本发明MQW高压生长的氮化镓基LED与原方法生长的氮化镓基LED的封装亮度的对比结果图；
图5是本发明MQW高压生长的氮化镓基LED与原方法生长的氮化镓基LED的发光效率的对比结果图。
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。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。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。
以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
实施例1：
图1为现有技术的LED外延生长方法所得到LED芯片的结构示意图，其中，8为按照传统方法制备出的低温量子阱层。
图2为本发明LED外延生长方法所得到LED芯片的结构示意图，其中，本发明所涉及的LED芯片包括：衬底1、低温GaN缓冲层2、高温GaN缓冲层3、N型GaN层4、N型AlGaN层5、N型接触层6、浅量子阱层7、有源层MQW8、AlGaN/GaN超晶格9、低温P型GaN层10、P型AlGaN/InGaN超晶格结构11、高温P型GaN层12、P型接触层13、P电极14及N电极15。
所述衬底1优选为蓝宝石衬底PSS，在所述衬底1上，低温GaN缓冲层2、高温GaN缓冲层3、N型GaN层4、N型AlGaN层5、N型接触层6、浅量子阱层7依次生长，以实现降低蓝移的目的。生长得到浅量子阱层7后，在所述浅量子阱层7上继续生长出有源层16，该有源层16为低温多量子阱结构，其生长温度为750℃-920℃。
生长得到有源层8之后，在810℃-850℃的温度下，在有源层16上生长出非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构9。接着，在700℃-800℃的温度下，在非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构9上生长出低温P型GaN层10。然后，在900℃-1000℃的温度下，在低温P型GaN层10上生长出P型AlGaN/InGaN超晶格结构11。之后，在900℃-1000℃的温度下，在所述P型AlGaN/InGaN超晶格结构11上生长出高温P型GaN层12。最后，维持在900℃-1000℃的温度下，在所述高温P型GaN层12上生长出P型接触层13。
本发明生长得到的LED芯片的N型接触层6为台阶状结构，在台阶的下层阶面上设置有N型电极15，台阶的上层阶面上生长出所述浅量子阱层7。并且在所述P型接触层上设置有P型电极14。
实施例2：
本实施例中，如图3所示，为本发明的LED外延生长方法的流程图。具体地，本发明LED外延生长方法的步骤如下：
步骤301、在衬底上生长出低温GaN缓冲层。
在温度550℃-650℃、压力为600-900mbar下，在衬底上生长低温GaN缓冲层。
步骤302、在低温GaN缓冲层上生长出高温缓冲层。
在温度900℃-1100℃、压力为100-600torr下，在低温GaN缓冲层上生长出高温缓冲层。
步骤303、在高温缓冲层上生长出N型GaN层。
在温度1050℃-1100℃、压力为150-250torr下，在高温缓冲层上生长出N型GaN层。
步骤304、在N型GaN层上生长出N型AlGaN层。
在温度950℃-1050℃、压力为100torr下，在N型GaN层上生长出N型AlGaN层。
步骤305、在N型AlGaN层上生长出N型接触层。
在温度1050℃-1100℃、压力为150-250torr下，在N型AlGaN层上生长出N型接触层。
步骤306、在N型接触层上生长出浅量子阱层。
在温度830℃-880℃、压力为150-250torr下，在N型接触层上生长出浅量子阱层。
步骤307、在浅量子阱层上生长出有源层MQW。
在温度为750℃-920℃、压力为250torr-350torr下，在所述浅量子阱层上生长有源层MQW。优选地，在通入N2量为80000sccm-90000sccm、通入NH3量为50000sccm-70000sccm下，生长有源层MQW。更优选地，所述有源层MQW包括：量子阱和量子垒，所述在浅量子阱层上生长出有源层MQW，进一步包括：在温度为750℃-770℃、压力为250torr-350torr下，生长量子阱；在温度为880℃-920℃、压力为250torr-350torr下，生长量子垒，其中，单个量子阱和量子垒的总厚度为12nm-15nm。
步骤308、在有源层MQW上生长出AlGaN/GaN超晶格结构。
在温度为810℃-850℃、压力为100torr-200torr、Al浓度为1020atom/cm3下，生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构，其厚度为8nm-12nm。
步骤309、在AlGaN/GaN超晶格结构上生长出低温P型GaN层。
在温度为700℃-800℃、压力为150torr-200torr下，生长低温P型GaN层，其厚度为50nm-80nm。
步骤310、在低温P型GaN层上生长出P型AlGaN/InGaN超晶格结构。
在温度为900℃-1000℃、压力为100torr-150torr、Al浓度为1020atom/cm3、Mg浓度为1019-1020atom/cm3下，生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构，其厚度为60nm-100nm。
步骤311、在P型AlGaN/InGaN超晶格结构上生长出高温P型GaN层。
在温度为900℃-1000℃、压力为150torr-250torr下，生长高温P型GaN层，其厚度为40nm-80nm。
步骤312、在高温P型GaN层上生长出P型接触层。
在温度为900℃-1000℃、压力为150torr-250torr下，生长P型接触层，其厚度为6nm-10nm。
步骤313、降温、冷却。
本发明的LED外延生长方法制备的LED芯片可以提升封装亮度达3.6％，提高发光效率5％。图4是本发明MQW高压生长的氮化镓基LED与原方法生长的氮化镓基LED的封装亮度的对比结果图，与原工艺相比，本发明工艺封装后光通量提高3.6％；图5是本发明MQW高压生长的氮化镓基LED与原方法生长的氮化镓基LED的发光效率的对比结果图，从测试结果分析，MQW高压高In生长，随注入电流的增大光效明显提高。
实施例3：
如图2所示，本发明LED外延生长方法依次包括：处理衬底，低温GaN缓冲层，高温GaN缓冲层，n型GaN层，n型AlGaN层，n型接触层，浅量子阱层的步骤，还包括：
在所述的浅量子阱层上生长高压低温多量子阱层，该层中量子阱的生长温度在750℃-770℃，量子垒生长温度在880℃-920℃，生长压力从正常生长的200torr升高到250torr-350torr，单个量子阱和量子垒的总厚度在12nm-15nm，生长9-12个循环，量子阱生长时通入In和Ga的mole比从正常生长的1.6-1.8提高到3.0-3.5。
在所述的低温多量子阱层上生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构，生长温度在810℃～850℃之间，总厚度8～12nm。
在所述的AlGaN/GaN电子阻挡层上生长低温P型GaN层，生长温度在700℃～800℃之间，厚度在50～80nm。
在所述的低温P型GaN层上生长AlGaN/InGaN电子阻挡层，生长温度在900℃～1000℃之间，总厚度60nm～100nm。
在所述的AlGaN/InGaN电子阻挡层上生长高温P型GaN层，生长温度在900℃～1000℃之间，厚度在40nm～80nm。
在所述的高温P型GaN层上生长P型接触层，生长温度在900℃～1000℃之间，厚度6nm～10nm。
低温量子阱层16，量子阱垒成厚度会影响出光，垒层越厚对出光的阻碍作用越大，优选地，量子阱生长压力为300torr，通入N2量80000sccm，通入NH3量60000sccm，所生长单个量子垒的总厚度在9nm-11nm，提高多量子阱层8的结晶质量的同时减薄垒层厚度，提高出光效率。
优选地，低温量子阱层16，其中量子阱生长温度在750℃-770℃，生长时通入In与Ga的mole比从1.6-1.8提高到3.2-3.4；量子垒生长温度在880℃-900℃。在减薄量子阱厚度的同时提高In组分比，提高内量子效率。
优选地，低温量子阱层16，量子垒生长时N2通入量从80000sccm增加到90000sccm，量子垒生长时的转速从500RPM提高到550RPM，进一步降量子垒的生长速率，使得量子垒变薄的同时提高了量子垒的结晶质量，有利于提升发光效率。
优选地，低温量子阱层16，量子阱生长时N2通入量从80000sccm增加到90000sccm，增大流场，提高了量子阱生长的均匀性。
与现有技术相比，本申请所述的LED外延生长方法，具有以下优点：
(1)本发明的LED外延生长方法通过多量子阱高压高铟生长，提高了InGaN和GaN多量子阱的结晶质量，减少了非辐射复合，提高了LED芯片的发光效率。
(2)本发明的LED外延生长方法通过提升低温有源层MQW的生长压力以及减慢生长速率提升了量子阱和量子垒的结晶质量，并且通过提高量子阱中In和Ga的摩尔比提高了LED芯片量子阱中In的组分，保证了LED芯片内量子效率，进而提升了量子阱的发光能力。
(3)本发明的LED外延生长方法降低了极化效应和开启电压，从而提升了发光效率。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种LED芯片外延生长方法，所述LED芯片包括：自下而上顺序设置的衬底、低温GaN缓冲层、高温GaN缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、N型接触层、浅量子阱层、有源层MQW、AlGaN/GaN超晶格、低温P型GaN层、P型AlGaN/InGaN超晶格结构、高温P型GaN层及P型接触层，其特征在于，所述方法：
在衬底上从下而上顺序生长低温GaN缓冲层、高温GaN缓冲层、N型GaN层、N型AlGaN层、N型接触层及浅量子阱层；
在浅量子阱层上生长出有源层MQW，所述有源层MQW为低温多量子阱结构，其中，所述有源层MQW包括：量子阱和量子垒，在浅量子阱层上生长出有源层MQW的具体步骤为：在温度为750℃-770℃、压力为250torr-350torr，通入N2量为90000sccm、通入NH3量为50000-70000sccm的条件下，生长量子阱；在温度为880℃-920℃、压力为250torr-350torr，通入N2量为90000sccm、通入NH3量为50000-70000sccm，转速为550RPM的条件下，生长量子垒，其中，单个量子阱和量子垒的总厚度为12nm-15nm；
在所述有源层MQW上生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构；
在所述AlGaN/GaN超晶格结构上生长低温P型GaN层；
在所述低温P型GaN层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构；
在所述P型AlGaN/InGaN超晶格结构上生长高温P型GaN层；
在所述高温P型GaN层上生长P型接触层；以及
降温、冷却得到LED芯片外延结构。
2.根据权利要求1所述的LED芯片外延生长方法，其特征在于，所述在有源层MQW上生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构，进一步包括：
在温度为810℃-850℃，压力100torr-200torr、Al浓度为1020atom/cm3的条件下，生长非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构，所述非刻意掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构的厚度为8nm-12nm。
3.根据权利要求1所述的LED芯片外延生长方法，其特征在于，所述在AlGaN/GaN超晶格结构上生长低温P型GaN层，进一步包括：
在温度为700℃-800℃、压力150torr-250torr的条件下，生长低温P型GaN层，所述低温P型GaN层的厚度为50nm-80nm。
4.根据权利要求1所述的LED芯片外延生长方法，其特征在于，所述在低温P型GaN层上生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构，进一步包括：
在温度为900℃-1000℃、压力100torr-150torr、Al浓度为1020atom/cm3、Mg浓度为1019-1020atom/cm3的条件下，生长P型AlGaN/InGaN超晶格结构，所述P型AlGaN/InGaN超晶格结构的厚度为60nm-100nm。
5.根据权利要求1所述的LED芯片外延生长方法，其特征在于，所述在P型AlGaN/InGaN超晶格结构上生长高温P型GaN层，进一步包括：
在温度为900℃-1000℃、压力150torr-250torr的条件下，生长高温P型GaN层，所述高温P型GaN层的厚度为40nm-80nm。
6.根据权利要求1所述的LED芯片外延生长方法，其特征在于，所述在高温P型GaN层上生长P型接触层，进一步包括：
在温度为900℃-1000℃、压力150torr-250torr的条件下，生长P型接触层，所述P型接触层的厚度为6nm-10nm。
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