CN105185885A - Led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及其制备方法，LED芯片从下向上依次包括，衬底、成核层、氮化物缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlGaN层、P型GaN层、P型InGaN接触层，还包括与P型InGaN接触层电性导通的P电极，与N型GaN层电性导通的N电极，P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向递增。本发明中与金属接触的是P型InGaN接触层，P型InGaN接触层中掺杂有高浓度的Mg，In的摩尔浓度为逐渐递增的渐变层结构并在接触面上达到最高值，P型InGaN接触层的空穴浓度较高，减少了与金属接触电阻率，增加了载流子通过隧穿穿越金属与半导体接触势垒区的几率，可以降低大功率LED芯片的工作电压，同时减少吸光，从而提高了大功率LED芯片的发光效率。
Description
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LED芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(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，要提升大功率LED芯片发光效率，一方面要提高大功率LED芯片的亮度，另外一方面要降低大功率LED芯片在高电流密度下的工作电压。
LED芯片工作电压主要是受电压最小理论值、接触电阻、低载流子浓度和低迁移率材料的体电阻、载流子注入量子阱在导带和价带带阶处造成的能量损失等方面影响。因此，通过减小接触电阻来降低工作电压是降电压的重要方式之一。
P型GaN(GaN即为氮化镓)材料的接触电阻率很难达到等于或小于10-3Ω·cm2。低阻P型GaN材料欧姆接触主要是受到两个方面的制约：一方面是缺乏合适的的接触金属材料，另外一方面是很难获得高浓度P型掺杂GaN基材料。
金属与半导体接触时，若半导体一侧的掺杂浓度很高，则势垒区宽度将会变薄，载流子可以通过隧穿效应穿越势垒，产生相当大的隧穿电流，形成欧姆接触。另外，掺杂浓度越高，产生的空穴浓度越高，其电阻率越低。因此如何获得高掺杂浓度的P型GaN层是减小接触阻值，增加载流子穿越金属与半导体接触势垒区几率，是半导体发光器件技术领域的难题之一。
此外，现有LED芯片在P型GaN层上设有P型GaN接触层和N型InGaN接触层，设置N型InGaN接触层虽然可以与芯片ITO工艺形成良好的接触，起到降低工作电压的作用，但N型InGaN接触层本身也是吸光的，影响发光亮度。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种LED芯片及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED芯片及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种LED芯片，所述LED芯片从下向上依次包括：
衬底；
位于衬底上的成核层；
位于成核层上的氮化物缓冲层；
位于氮化物缓冲层上的非掺杂GaN层；
位于非掺杂GaN层上的N型GaN层；
位于N型GaN层上的多量子阱层；
位于多量子阱层上的P型AlGaN层；
位于P型AlGaN层上的P型GaN层；
位于P型GaN层上的P型InGaN接触层，所述P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向递增；
位于P型InGaN接触层上且与P型InGaN接触层电性导通的P电极，位于N型GaN层上且与N型GaN层电性导通的N电极。
作为本发明的进一步改进，所述P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向线性递增。
作为本发明的进一步改进，所述P型InGaN接触层中Ga的摩尔浓度恒定且In和Ga的摩尔浓度比在0.6-2的区间内递增。
作为本发明的进一步改进，所述P型InGaN接触层为Mg掺杂。
作为本发明的进一步改进，所述P型InGaN接触层的Mg掺杂浓度为2~4×1E20atoms/cm3。
作为本发明的进一步改进，所述P型InGaN接触层的厚度为5-10nm。
作为本发明的进一步改进，所述氮化物缓冲层的厚度为0.5-1um。
作为本发明的进一步改进，所述P型InGaN接触层与P电极之间设有透明导电层。
相应地，一种LED芯片的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在衬底上生长成核层；
在成核层上生长氮化物缓冲层；
在氮化物缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱层；
在多量子阱层上生长P型AlGaN层；
在P型AlGaN层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型InGaN接触层，所述P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向递增；
在P型InGaN接触层上形成与P型InGaN接触层电性导通的P电极，在N型GaN层上形成与N型GaN层电性导通的N电极。
作为本发明的进一步改进，P型InGaN接触层Ga的摩尔浓度恒定，In和Ga的摩尔浓度比在0.6-2的区间内递增，P型InGaN接触层中Mg掺杂浓度为2~4×1E20atoms/cm3，P型InGaN接触层的生长压强在400torr-600torr之间。
本发明的有益效果是：
本发明中与金属接触的是P型InGaN接触层，P型InGaN接触层中掺杂有高浓度的Mg，In的摩尔浓度为逐渐递增的渐变层结构并在接触面上达到最高值，P型InGaN接触层的空穴浓度较高，减少了与金属接触电阻率，增加了载流子通过隧穿穿越金属与半导体接触势垒区的几率，可以降低大功率LED芯片的工作电压，同时减少吸光，从而提高了大功率LED芯片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明LED芯片的示意图；
图2为现有技术LED芯片的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种LED芯片，从下向上依次包括：
衬底10，衬底材料通常为蓝宝石衬底，也可以为其他衬底材料，如Si、SiC等；
位于衬底10上的成核层20；
位于成核层20上的氮化物缓冲层30，其中氮化物缓冲层30为GaN缓冲层或AlN缓冲层。优选地，GaN缓冲层是高温条件下生长的高温GaN缓冲层，氮化物缓冲层30的厚度优选为0.5-1um；
位于氮化物缓冲层30上的非掺杂GaN层40；
位于非掺杂GaN层40上的N型GaN层50；
位于N型GaN层50上的多量子阱层60；
位于多量子阱层60上的P型AlGaN层70；
位于P型AlGaN层70上的P型GaN层80；
位于P型GaN层80上的P型InGaN接触层90，P型InGaN接触层90的厚度优选为5-10nm，所述P型InGaN接触层90中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层80的方向递增，其中In的摩尔浓度可以是线性递增也可以是非线性递增，例如阶梯式递增；
位于P型InGaN接触层上且与P型InGaN接触层电性导通的P电极91，位于N型GaN层上且与N型GaN层电性导通的N电极51。
P型InGaN接触层90中Ga的摩尔浓度恒定，随着In的摩尔浓度递增，In和Ga的摩尔浓度的比值也呈递增的趋势，优选的，In和Ga的摩尔浓度的比值在0.6-2的区间内。
P型InGaN接触层90的Mg掺杂浓度为2~4×1E20atoms/cm3，高浓度的Mg掺杂可以提升P型InGaN接触层的空穴浓度，减少与金属接触的电阻率。
优选的，所述P型InGaN接触层与P电极之间设有透明导电层（图未示）。
相应地，本发明还公开了一种LED芯片的制备方法，具体包括：
提供一衬底10；
在衬底10上生长成核层20；
在成核层20上生长氮化物缓冲层30；
在氮化物缓冲层30上生长非掺杂GaN层40；
在非掺杂GaN层40上生长N型GaN层50；
在N型GaN层50上生长多量子阱层60；
在多量子阱层60上生长P型AlGaN层70；
在P型AlGaN层70上生长P型GaN层80；
在P型GaN层80上生长P型InGaN接触层90，所述P型InGaN接触层90中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层80的方向递增；
在P型InGaN接触层上形成与P型InGaN接触层电性导通的P电极，在N型GaN层上形成与N型GaN层电性导通的N电极。
其中，P型InGaN接触层Ga的摩尔浓度恒定，In和Ga的摩尔浓度比在0.6-2的区间内递增，P型InGaN接触层中Mg掺杂浓度为2~4×1E20atoms/cm3，P型InGaN接触层的生长压强在400torr-600torr之间，高压下生长出的P型InGaN接触层中Mg、In的活化效率更高，有助于提升P型InGaN接触层中的空穴浓度。
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，LED芯片的制备方法具体包括：
1、提供一衬底。
优选地，该衬底为蓝宝石衬底，将蓝宝石衬底在氢气气氛里进行退火，清洁蓝宝石衬底表面，然后将温度控制在1050-1100℃之间对表面进行1-3分钟的氮化处理。
2、在蓝宝石衬底上生长成核层，本实施方式中成核层是低温GaN成核层。
将温度下降到500-550℃之间，使用TMGa作为Ga源生长15-25nm厚的低温GaN成核层，生长压力控制在500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在80-120之间，石墨盘转速稳定在600转/分钟。
3、在低温GaN成核层上外延生长高温GaN缓冲层(或AlN缓冲层)。
低温GaN成核层生长结束后，进行原位退火处理，生长厚度为0.5-1um厚的高温GaN缓冲层。
4、在高温GaN缓冲层上外延生长高温非掺杂GaN层。
5、在高温非掺杂GaN层上生长高温N型GaN层。
6、在高温N型GaN层上外延生长多量子阱层（发光层）。
7、在多量子阱层上生长P型AlGaN层（电子阻挡层）。
8、在P型AlGaN层上生长高温P型GaN层。
9、在高温P型GaN层上生长5-10nm厚的P型InGaN接触层，在P型InGaN接触层上形成与P型InGaN接触层电性导通的P电极，在N型GaN层上形成与N型GaN层电性导通的N电极。
所述高温P型GaN层生长结束后，变压至400torr-600torr之间，线性渐变逐步递增流量通入TMIn源，使用恒定流量TEGa生长P型InGaN接触层，In/Ga比在0.6到2之间递增，P型InGaN接触层中掺杂Mg，Mg浓度为2~4×1E20atoms/cm3。
参见图2，现有LED芯片（样品A）的P型GaN层上依次设有P型GaN接触层92和N型InGaN接触层93，N型InGaN接触层93上设有与P型GaN层电性导通的P电极91，在N型GaN层上设有与N型GaN层电性导通的N电极51。
本发明使用P型InGaN接触层90取代现有技术中的P型GaN接触层92和N型InGaN接触层93，可以消除N型InGaN接触层的吸光损耗，提高了LED的发光亮度。
样品A和样品B采用相同芯片制程，样品B为本发明所提供的样品；在相同的测试条件下（驱动电流150mA），进行测试，具体数据参下表所示。
由上表可得，本发明所提供的样品驱动电压下降0.02V，LED发光亮度提升5.8mW（2.7%）。
由以上技术方案可以看出，本发明中与金属接触的是P型InGaN接触层，P型InGaN接触层中掺杂有高浓度的Mg，In的摩尔浓度为逐渐递增的渐变层结构并在接触面上达到最高值，P型InGaN接触层的空穴浓度较高，减少了与金属接触电阻率，增加了载流子通过隧穿穿越金属与半导体接触势垒区的几率，可以降低大功率LED芯片的工作电压，同时减少吸光，从而提高了大功率LED芯片的发光效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，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，各实施例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。
Claims (10)
1.一种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片从下向上依次包括：
衬底；
位于衬底上的成核层；
位于成核层上的氮化物缓冲层；
位于氮化物缓冲层上的非掺杂GaN层；
位于非掺杂GaN层上的N型GaN层；
位于N型GaN层上的多量子阱层；
位于多量子阱层上的P型AlGaN层；
位于P型AlGaN层上的P型GaN层；
位于P型GaN层上的P型InGaN接触层，所述P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向递增；
位于P型InGaN接触层上且与P型InGaN接触层电性导通的P电极，位于N型GaN层上且与N型GaN层电性导通的N电极。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向线性递增。
3.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述P型InGaN接触层中Ga的摩尔浓度恒定且In和Ga的摩尔浓度比在0.6-2的区间内递增。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P型InGaN接触层为Mg掺杂。
5.根据权利要求4所述的LED芯片，其特征在于，所述P型InGaN接触层的Mg掺杂浓度为2~4×1E20atoms/cm3。
6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P型InGaN接触层的厚度为5-10nm。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述氮化物缓冲层的厚度为0.5-1um。
8.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P型InGaN接触层与P电极之间设有透明导电层。
9.一种LED芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在衬底上生长成核层；
在成核层上生长氮化物缓冲层；
在氮化物缓冲层上生长非掺杂GaN层；
在非掺杂GaN层上生长N型GaN层；
在N型GaN层上生长多量子阱层；
在多量子阱层上生长P型AlGaN层；
在P型AlGaN层上生长P型GaN层；
在P型GaN层上生长P型InGaN接触层，所述P型InGaN接触层中In的摩尔浓度向着远离所述P型GaN层的方向递增；
在P型InGaN接触层上形成与P型InGaN接触层电性导通的P电极，在N型GaN层上形成与N型GaN层电性导通的N电极。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，P型InGaN接触层Ga的摩尔浓度恒定，In和Ga的摩尔浓度比在0.6-2的区间内递增，P型InGaN接触层中Mg掺杂浓度为2~4×1E20atoms/cm3，P型InGaN接触层的生长压强在400torr-600torr之间。
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