CN110970533B - 一种led倒装芯片的紫光外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED倒装芯片的紫光外延结构，自下而上依次包括：衬底、高温AlGaN缓冲层、N型AlGaN电子阻挡层、超晶格N型AlGaN层、超晶格AlGaN/AlInGaN层、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层、P型AlGaN层和接触层；其中，Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区包括多个交错层叠设置的AlInGaN量子阱层和AlInGaN量子垒层，且AlInGaN量子阱层和AlInGaN量子垒层均为Al组分渐变层。本发明还公开了一种LED倒装芯片的紫光外延结构的制备方法。本发明既能减少由材料不同带来的应力及极化电场影响，又能降低GaN材料在365～370nm波段的吸光，提高发光效率。
Description
技术领域
本发明属于倒装LED芯片技术领域，特别是涉及一种LED倒装芯片的紫光外延结构及其制备方法。
背景技术
随着科技进步和新型能源发展，固态LED照明将成为未来世界发光的趋势，由于LED具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热等优点，已经大面积地应用于交通指示灯、交通信号灯、景观装饰灯、显示屏、汽车尾灯、手机背光源等领域。目前市场上的LED等主要以蓝绿光为主，红黄光次之，紫光及紫外的LED产品比较少，主要由于紫光的LED制造难度大、光效低。随着LED应用的发展，紫光LED的市场需求越来越大，普遍应用于医疗器械、医学测量、卫生消毒、验钞点钞检验设备、防伪行业、生物统计安全性检测，涵盖医疗、卫生、金融、生物、检测、公共安全等各个方面。
目前紫光LED外延生长技术还不够成熟，一方面受制于紫光生长材料特性，另一方面是由于紫光LED能带结构的影响，导致了目前紫光LED芯片的发光效率较低，制备成本高，难度大，成品率低等。因此，如何制备高功率的紫光LED芯片成为非常迫切的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种既能减少由材料不同带来的应力及极化电场影响，又能降低GaN材料在365～370nm波段的吸光，提高发光效率的LED倒装芯片的紫光外延结构及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其自下而上依次包括：衬底、高温AlGaN缓冲层、N型AlGaN电子阻挡层、超晶格N型AlGaN层、超晶格AlGaN/AlInGaN层、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层、P型AlGaN层和接触层；其中，所述Alx1Iny1Ga1－x1－ y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区包括多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层，多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层交错层叠设置，使得第一个所述AlInGaN量子垒层靠近超晶格AlGaN/AlInGaN层设置，最后一个所述AlInGaN量子阱层靠近所述最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层设置，且所述AlInGaN量子阱层和所述AlInGaN量子垒层均为Al组分渐变层。
优选的，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N的周期数为5～7。
优选的，所述AlInGaN量子阱层中Al组分渐变为5％～10％～20％～10％～5％的先递增再递减渐变。
优选的，所述AlInGaN量子垒层中Al组分渐变为10％～20％的递增渐变。
优选的，所述超晶格N型AlGaN层的周期数为50～100。
优选的，所述超晶格AlGaN/AlInGaN层的周期数为3～10。
优选的，所述超晶格N型AlGaN层为Si掺杂的超晶格N型AlGaN层，其中，Si为delta掺杂。
优选的，所述P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层为Mg掺杂的P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层，其中，Mg为delta掺杂。
优选的，所述衬底由图形化蓝宝石以及在其上镀一层10nm－30nm厚的AlN构成。
同时，本发明还提供了一种LED倒装芯片的紫光外延结构的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将图形化蓝宝石镀一层10nm－30nm厚的AlN作为衬底置于MOCVD(金属有机化合物气相外延)反应室中；
(2)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长高温AlGaN缓冲层；
(3)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长N型AlGaN电子阻挡层；
(4)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长多周期Si掺杂的超晶格N型AlGaN层，其中，所述超晶格N型AlGaN层的周期数为50～100，Si为delta掺杂；
(5)在温度为880～920℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟、H2载气下生长多周期的超晶格AlGaN/AlInGaN层，其中，所述超晶格AlGaN/AlInGaN层的周期数为3～10；
(6)在温度为880～920℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟，H2载气下生长多周期的Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区，其中，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区的为5～7，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区包括多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层，多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层交错层叠设置，使得第一个所述AlInGaN量子垒层靠近超晶格AlGaN/AlInGaN层设置，最后一个为AlInGaN量子阱，且所述AlInGaN量子阱层中Al组分渐变为5％～10％～20％～10％～5％的先递增再递减渐变，所述AlInGaN量子垒层中Al组分渐变为10％～20％的递增渐变；
(7)在温度为900～950℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟、H2载气下生长最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层；
(8)在温度为850～900℃、反应室压力为50～100torr、转速为1000转/分钟、H2载气下生长Mg掺杂的P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层，其中，Mg为delta掺杂；
(9)在温度为950～1000℃、反应室压力为100～150torr、转速为1000转/分钟、H2载气下依次生长P型AlGaN层和接触层。
实施本发明提供的一种LED倒装芯片的紫光外延结构及其制备方法，与现有技术相比较，其有益效果在于：
本发明通过自下而上依次设置的衬底、高温AlGaN缓冲层、N型AlGaN电子阻挡层、超晶格N型AlGaN层、超晶格AlGaN/AlInGaN层、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层、P型AlGaN层和接触层；其中，PSS蓝宝石+AlN衬底能有效降低材料的缺陷密度，提高晶体质量；N型AlGaN电子阻挡层和P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层均能有效阻挡电子溢出；超晶格AlGaN/AlInGaN层作为超晶格N型AlGaN层与发光有源区之间的过渡层，缓解由于AlGaN与AlInGaN之间晶格失配导致应力累积，实现了原子级多周期平坦界面；Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区中的量子阱、垒均为AlInGaN材料生长，且阱垒Al组分相对接近，能够减少由材料不同带来的应力及极化电场影响，从而提高了发光效率；另外，N层全部为AlGaN生长，对于以背面发光的倒装芯片，可大幅降低GaN材料在365～370nm波段的吸光，提升发光功率。
附图说明
图1为本发明提供的一种LED倒装芯片的紫光外延结构的结构示意图；
图中所示：
1、衬底，2、高温AlGaN缓冲层，3、N型AlGaN电子阻挡层，4、超晶格N型AlGaN层，5、超晶格AlGaN/AlInGaN层，6、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区，7、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层，8、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层，9、P型AlGaN层，10、接触层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的优选实施例，一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其自下而上依次包括：衬底1、高温AlGaN缓冲层2、N型AlGaN电子阻挡层3、超晶格N型AlGaN层4、超晶格AlGaN/AlInGaN层5、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层7、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层8、P型AlGaN层9和接触层10；其中，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6包括多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层，多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层交错层叠设置，使得第一个所述AlInGaN量子垒层靠近超晶格AlGaN/AlInGaN层5设置，最后一个所述AlInGaN量子阱层靠近所述最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层7设置，且所述AlInGaN量子阱层和所述AlInGaN量子垒层均为Al组分渐变层。
基于上述LED倒装芯片的紫光外延结构的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将图形化蓝宝石镀一层10nm－30nm厚的AlN作为衬底1置于MOCVD(金属有机化合物气相外延)反应室中；
(2)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长高温AlGaN缓冲层2；
(3)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长N型AlGaN电子阻挡层3；
(4)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长多周期Si掺杂的超晶格N型AlGaN层4，其中，所述超晶格N型AlGaN层4的周期数为50～100，Si为delta掺杂；
(5)在温度为880～920℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟、H2载气下生长多周期的超晶格AlGaN/AlInGaN层5，其中，所述超晶格AlGaN/AlInGaN层5的周期数为3～10；
(6)在温度为880～920℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟，H2载气下生长多周期的Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6，其中，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6的为5～7，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6包括多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层，多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层交错层叠设置，使得第一个所述AlInGaN量子垒层靠近超晶格AlGaN/AlInGaN层5设置，最后一个为AlInGaN量子阱，且所述AlInGaN量子阱层中Al组分渐变为5％～10％～20％～10％～5％的先递增再递减渐变，所述AlInGaN量子垒层中Al组分渐变为10％～20％的递增渐变；
(7)在温度为900～950℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟、H2载气下生长最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层；
(8)在温度为850～900℃、反应室压力为50～100torr、转速为1000转/分钟、H2载气下生长Mg掺杂的P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层8，其中，Mg为delta掺杂；
(9)在温度为950～1000℃、反应室压力为100～150torr、转速为1000转/分钟、H2载气下依次生长P型AlGaN层9和接触层10。
可见，本发明的一种LED倒装芯片的紫光外延结构及其制备方法，通过自下而上依次设置的衬底1、高温AlGaN缓冲层2、N型AlGaN电子阻挡层3、超晶格N型AlGaN层4、超晶格AlGaN/AlInGaN层5、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层7、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层8、P型AlGaN层9和接触层10；其中，PSS蓝宝石+AlN衬底1能有效降低材料的缺陷密度，提高晶体质量；N型AlGaN电子阻挡层3和P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层8均能有效阻挡电子溢出；超晶格AlGaN/AlInGaN层5作为超晶格N型AlGaN层4与发光有源区6之间的过渡层，缓解由于AlGaN与AlInGaN之间晶格失配导致应力累积，实现了原子级多周期平坦界面；Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区6中的量子阱、垒均为AlInGaN材料生长，且阱垒Al组分相对接近，能够减少由材料不同带来的应力及极化电场影响，从而提高了发光效率；另外，N层全部为AlGaN生长，对于以背面发光的倒装芯片，可大幅降低GaN材料在365～370nm波段的吸光，提升发光功率。
还需要说明的是，本发明还通过优化温度、反应室压力、转速等工艺参数将外延材料的生产控制在最佳范围内。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，自下而上依次包括：衬底、高温AlGaN缓冲层、N型AlGaN电子阻挡层、超晶格N型AlGaN层、超晶格AlGaN/AlInGaN层、Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区、最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层、P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层、P型AlGaN层和接触层；
其中，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区包括多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层，多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层交错层叠设置，使得第一个所述AlInGaN量子垒层靠近超晶格AlGaN/AlInGaN层设置，最后一个所述AlInGaN量子阱层靠近所述最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层设置，且所述AlInGaN量子阱层和所述AlInGaN量子垒层均为Al组分渐变层；所述AlInGaN量子阱层中Al组分渐变为5％～10％～20％～10％～5％的先递增再递减渐变；所述AlInGaN量子垒层中Al组分渐变为10％～20％的递增渐变。
2.如权利要求1所述的一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N的周期数为5～7。
3.如权利要求1所述的一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，所述超晶格N型AlGaN层的周期数为50～100。
4.如权利要求1所述的一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，所述超晶格AlGaN/AlInGaN层的周期数为3～10。
5.如权利要求1所述的一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，所述超晶格N型AlGaN层为Si掺杂的超晶格N型AlGaN层，其中，Si为delta掺杂。
6.如权利要求1所述的一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，所述P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层为Mg掺杂的P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层，其中，Mg为delta掺杂。
7.如权利要求1所述的一种LED倒装芯片的紫光外延结构，其特征在于，所述衬底由图形化蓝宝石以及在其上镀一层10nm－30nm厚的AlN构成。
8.一种LED倒装芯片的紫光外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将图形化蓝宝石镀一层10nm－30nm厚的AlN作为衬底置于MOCVD(金属有机化合物气相外延)反应室中；
(2)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长高温AlGaN缓冲层；
(3)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长N型AlGaN电子阻挡层；
(4)在温度为1050～1100℃、反应室压力为150～200torr、转速为1200转/分钟、H2载气、V/III摩尔比为100～300下生长多周期Si掺杂的超晶格N型AlGaN层，其中，所述超晶格N型AlGaN层的周期数为50～100，Si为delta掺杂；
(5)在温度为880～920℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟、H2载气下生长多周期的超晶格AlGaN/AlInGaN层，其中，所述超晶格AlGaN/AlInGaN层的周期数为3～10；
(6)在温度为880～920℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟，H2载气下生长多周期的Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区，其中，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区的为5～7，所述Alx1Iny1Ga1－x1－y1N/Alx2Iny2Ga1－x2－y2N发光有源区包括多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层，多个AlInGaN量子阱层和多个AlInGaN量子垒层交错层叠设置，使得第一个所述AlInGaN量子垒层靠近超晶格AlGaN/AlInGaN层设置，最后一个为AlInGaN量子阱，且所述AlInGaN量子阱层中Al组分渐变为5％～10％～20％～10％～5％的先递增再递减渐变，所述AlInGaN量子垒层中Al组分渐变为10％～20％的递增渐变；
(7)在温度为900～950℃、反应室压力为150～200torr、转速为500转/分钟、H2载气下生长最后一个AlX3Ga1－X3N量子垒层；
(8)在温度为850～900℃、反应室压力为50～100torr、转速为1000转/分钟、H2载气下生长Mg掺杂的P型AlGaN/AIInGaN电子阻挡层，其中，Mg为delta掺杂；
(9)在温度为950～1000℃、反应室压力为100～150torr、转速为1000转/分钟、H2载气下依次生长P型AlGaN层和接触层。
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