CN105679907B - 高亮度发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

高亮度发光二极管外延片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高亮度发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。该高亮度发光二极管外延片包括：衬底，以及依次覆盖在衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN层，所述N型GaN层包括依次覆盖在所述u型GaN层上的第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层，本发明中第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，且每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂，这种方式生长出的第二N型GaN子层的载流子浓度较高，因而横向电阻较小，另外发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层上，所以电流由N电极传输下来时横向扩展较为容易，大大提高发光二极管的亮度。

Description

高亮度发光二极管外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及发光二极管(英文Light Emitting Diode，简称LED)领域，特别涉及一种高亮度发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
LED作为一种高效、绿色环保的新型固态照明光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高及使用功耗低等优点，因而在照明领域得到了广泛的应用，同时LED在手机、显示屏等背光方面的应用也愈来愈热门。现有的GaN基LED芯片结构包括衬底、缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型GaN层等。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于应用在背光上的发光二极管芯片的特点是细长型的，该特性决定其横向电流扩展能力比其它类型应用的芯片要差很多，所以如何提高背光芯片的横向扩展能力以改善发光分布的均匀性迫在眉睫。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种高亮度发光二极管外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种高亮度发光二极管外延片，所述高亮度发光二极管外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
所述N型GaN层包括依次覆盖在所述u型GaN层上的第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层，其中，所述高亮度发光二极管外延片的台阶面位于所述第二N型GaN子层上，所述第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，在每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向所述GaN中通入Si源进行掺杂。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述第一N型GaN子层、所述第二N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的厚度分别为0.8um、0.4um和0.4um。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的掺Si量m1为：50sccm≤m1≤80sccm，所述第二N型GaN子层的掺Si量m2为：100sccm≤m2≤160sccm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述每个生长周期生长的GaN的厚度d为：5nm≤d≤30nm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述u型GaN层的厚度为1～4um。
第二方面，本发明实施例还提供了一种高亮度发光二极管外延片制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长u型GaN层；
在所述u型GaN层上生长N型GaN层，所述N型GaN层包括依次覆盖在所述u型GaN层上的第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层，其中，所述高亮度发光二极管外延片的台阶面位于所述第二N型GaN子层上，所述第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，在每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向所述GaN中通入Si源进行掺杂；
在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
在所述多量子阱有源层上生长P型GaN层。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述第一N型GaN子层、所述第二N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的厚度分别为0.8um、0.4um和0.4um。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的掺Si量m1为：50sccm≤m1≤80sccm，所述第二N型GaN子层的掺Si量m2为：100sccm≤m2≤160sccm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述每个生长周期生长的GaN的厚度d为：5nm≤d≤30nm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述u型GaN层的厚度为1～4um。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明提供的外延片包括：衬底，和依次覆盖在衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层以及P型GaN层，其中，第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，且每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂，这种方式生长出的第二N型GaN子层的载流子浓度较高，因而横向电阻较小，另外发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层上，所以电流由N电极传输下来时横向扩展较为容易，即N型GaN层的电流横向扩展能力到明显的改善，使得发光二极管的发光均匀性得到改善，大大提高发光二极管的亮度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的高亮度发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的高亮度发光二极管外延片制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种高亮度发光二极管外延片的结构示意图，适用于蓝绿光波的GaN基LED，参见图1，该高亮度发光二极管外延片包括：衬底100，以及依次覆盖在衬底100上的u型GaN层101、N型GaN层102、多量子阱有源层103以及P型GaN层104，该多量子阱有源层103包括：交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层。
其中，N型GaN层102包括依次覆盖在u型GaN层101上的第一N型GaN子层112、第二N型GaN子层122和第三N型GaN子层132，其中，高亮度发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层122上，第二N型GaN子层122采用多个生长周期生长而成，在每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂。
在该发光二极管外延片中，第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，且每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂，这种方式生长出的第二N型GaN子层的载流子浓度较高，因而横向电阻较小，另外发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层上，所以电流由N电极传输下来时横向扩展较为容易，即N型GaN层的电流横向扩展能力到明显的改善，使得发光二极管的发光均匀性得到改善，大大提高发光二极管的亮度。
可选地，第一N型GaN子层112、第二N型GaN子层122和第三N型GaN子层132的厚度之和为1um-3um。
优选地，第一N型GaN子层112、第二N型GaN子层122和第三N型GaN子层132的厚度分别为0.8um、0.4um和0.4um。上述各层的厚度分配可以很好的配合芯片的刻蚀深度(如1.3um)，保证N电极能够刻蚀在第二N型GaN子层122上，从而实现电流横向扩展能力的提升。
可选地，第一N型GaN子层112和第三N型GaN子层132的掺Si量m1为：50sccm≤m1≤80sccm，第二N型GaN子层122的掺Si量m2为：100sccm≤m2≤160sccm。采用上述掺杂Si的量，既可以避免由于掺Si量太小引起的电压高、亮度低的负面效应，又可以避免由于掺Si量太大引起表面黑点的问题。
优选地，m1的优选值为70sccm，m2的优选值为140sccm，从而可提高载流子浓度、降低材料电阻、改善发光分布的均匀性。
可选地，每个生长周期生长的GaN的厚度d为：5nm≤d≤30nm。采用上述厚度d，既可以避免由于厚度太小引起vf高电压过低，又可以避免由于厚度太大会引起表面黑点的问题。
优选地，GaN的厚度d为5nm。
其中，InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6。
进一步地，u型GaN层101的厚度为1～4μm(优选2μm)，N型GaN层102的厚度为1～4μm(优选1.6μm)，InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，GaN垒层的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，P型GaN层104为100～500nm(优选200nm)。
在本实施例中，衬底100包括但不限于蓝宝石衬底。
本发明提供的外延片包括：衬底，和依次覆盖在衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、P型AlGaN层以及P型GaN层，其中，第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，且每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂，这种方式生长出的第二N型GaN子层的载流子浓度较高，因而横向电阻较小，另外发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层上，所以电流由N电极传输下来时横向扩展较为容易，即N型GaN层的电流横向扩展能力到明显的改善，使得发光二极管的发光均匀性得到改善，大大提高发光二极管的亮度。
图2是本发明实施例提供的一种高亮度发光二极管外延片制备方法的流程图，该方法用于制备图1所示的发光二极管外延片，适用于蓝绿光波的GaN基LED，参见图2，该方法包括：
步骤200：提供一衬底。
在本实施例中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底。
具体地，步骤200可以包括：将放置在石墨盘中蓝宝石衬底送入反应腔中，并加热反应腔至1000～1100℃，增大反应腔内压强至500torr，对蓝宝石衬底进行5min的预处理。
步骤201，在衬底上依次生长u型GaN层。
具体地，步骤201可以包括：加热反应腔至1100～1200℃，降低反应腔内压强至200torr，在蓝宝石衬底上生长一层1～4μm(优选2μm)厚的u型GaN层；
步骤202，在u型GaN层上生长N型GaN层，N型GaN层包括依次覆盖在u型GaN层上的第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层，其中，高亮度发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层上，第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，在每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂。
具体地，步骤202可以包括：保持反应腔内温度为1100～1200℃，保持反应腔内压强为200torr，在u型GaN层上生长一层1～4μm(优选1.6μm)厚掺Si的N型GaN层。
可选地，第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层的厚度之和为1um-3um。
优选地，第一N型GaN子层112、第二N型GaN子层122和第三N型GaN子层132的厚度分别为0.8um、0.4um和0.4um。上述各层的厚度分配可以很好的配合芯片的刻蚀深度(如1.3um)，保证N电极能够刻蚀在第二N型GaN子层122上，从而实现电流横向扩展能力的提升。
可选地，第一N型GaN子层和第三N型GaN子层的掺Si量m1为：50sccm≤m1≤80sccm，第二N型GaN子层的掺Si量m2为：100sccm≤m2≤160sccm。采用上述掺杂Si的量，既可以避免由于掺Si量太小引起的电压高、亮度低的负面效应，又可以避免由于掺Si量太大引起表面黑点的问题。
优选地，m1的优选值为70sccm，m2的优选值为140sccm，从而可提高载流子浓度、降低材料电阻、改善发光分布的均匀性。
可选地，每个生长周期生长的GaN的厚度d为：5nm≤d≤30nm。采用上述厚度d，既可以避免由于厚度太小引起vf高电压过低，又可以避免由于厚度太大会引起表面黑点的问题。
优选地，GaN的厚度d为5nm。
步骤203，在N型GaN层上生长多量子阱有源层，该多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层。
具体地，步骤203可以包括：保持反应腔内压强为200torr，同时降低反应腔内温度，在N型GaN层上生长一层多量子阱有源层，该多量子阱有源层包括6个InGaN阱层、和6个与InGaN阱层交替生长的GaN垒层，其中，InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，生长温度为750～780℃；GaN垒层的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，生长温度为900℃。
步骤204，在多量子阱有源层上生长P型GaN层。
具体地，步骤204可以包括：加热反应腔至940～970℃，反应腔内压强保持为200torr，在多量子阱有源区层上生长一层100～500nm(优选200nm)厚的掺Mg的P型GaN层。
本发明提供的外延片通过在衬底上依次生长u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层、以及P型GaN层，其中，第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，且每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向GaN中通入Si源进行掺杂，这种方式生长出的第二N型GaN子层的载流子浓度较高，因而横向电阻较小，另外发光二极管外延片的台阶面位于第二N型GaN子层上，所以电流由N电极传输下来时横向扩展较为容易，即N型GaN层的电流横向扩展能力到明显的改善，使得发光二极管的发光均匀性得到改善，大大提高发光二极管的亮度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种高亮度发光二极管外延片，所述高亮度发光二极管外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
其特征在于，所述N型GaN层包括依次覆盖在所述u型GaN层上的第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层，其中，所述高亮度发光二极管外延片的台阶面位于所述第二N型GaN子层上，所述第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，在每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向所述GaN中通入Si源进行掺杂。
2.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管外延片，其特征在于，所述第一N型GaN子层、所述第二N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的厚度分别为0.8μ m、0.4μ m和0.4μ m。
3.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管外延片，其特征在于，所述第一N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的掺Si量m1为：50sccm≤m1≤80sccm，所述第二N型GaN子层的掺Si量m2为：100sccm≤m2≤160sccm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高亮度发光二极管外延片，其特征在于，所述每个生长周期生长的GaN的厚度d为：5nm≤d≤30nm。
5.根据权利要求1-3任一项所述的高亮度发光二极管外延片，其特征在于，所述u型GaN层的厚度为1～4μ m。
6.一种高亮度发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长u型GaN层；
在所述u型GaN层上生长N型GaN层，所述N型GaN层包括依次覆盖在所述u型GaN层上的第一N型GaN子层、第二N型GaN子层和第三N型GaN子层，其中，所述高亮度发光二极管外延片的台阶面位于所述第二N型GaN子层上，所述第二N型GaN子层采用多个生长周期生长而成，在每个生长周期中，先生长一定厚度的GaN，然后再向所述GaN中通入Si源进行掺杂；
在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
在所述多量子阱有源层上生长P型GaN层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一N型GaN子层、所述第二N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的厚度分别为0.8μ m、0.4μ m和0.4μ m。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一N型GaN子层和所述第三N型GaN子层的掺Si量m1为：50sccm≤m1≤80sccm，所述第二N型GaN子层的掺Si量m2为：100sccm≤m2≤160sccm。
9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述每个生长周期生长的GaN的厚度d为：5nm≤d≤30nm。
10.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，所述u型GaN层的厚度为1～4μm。
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