CN111341888B - 户外照明光源光效提高方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种户外照明光源光效提高方法，包括提供一基板；依次在基板上形成半结晶性层、未掺杂层、隔离层、第一类型掺杂层、有源层、第二类型掺杂层。本发明通过在未掺杂层与第一类型掺杂层设置隔离层，第一类型掺杂层中的第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加逐渐降低，使得材料禁带宽度随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层掺杂浓度高于所述第一类型低浓度掺杂层掺杂浓度，避免了电子向未掺杂层迁移，同时第一类型高浓度掺杂层中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低可以优化自身晶体质量及接触界面质量，第一类型低浓度掺杂层有利于结晶质量的提高，共同作用于第一类型掺杂层提高光源光效及电学性能。
Description
技术领域
本发明涉及汽车照明技术领域，具体涉及一种户外照明光源光效提高方法。
背景技术
构建智慧城市，推动绿色照明，可实现城市可持续发展。近年来，在政府的推动下，LED户外照明行业获得更大的发展空间，尤其是在道路照明和景观照明领域。LED户外照明经过多年的探索发展，在应用过程中的技术不断革新突破，水平不断进步，已经完成了质的积累，价格有所下降，市场持续稳定增长。
由于LED户外照明市场潜力巨大，国内外大小厂商纷纷争相进入，同质化产品层出不穷，导致产品质量参差不齐，性能不稳定，成为目前LED产业格局的困惑点。考虑到户外产品特殊使用条件，户外LED专业灯具必须更注重光效提升与产品质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种户外照明光源光效提高方法，能够有效提高户外照明光源光效及性能。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种户外照明光源光效提高方法，包括以下步骤：
提供一基板；
在所述基板上形成半结晶性层；
在所述半结晶性层上形成未掺杂层；
在所述未掺杂层上形成隔离层；
在所述隔离层上形成第一类型掺杂层；
在所述第一类型掺杂层上形成有源层；
在所述有源层上形成第二类型掺杂层；
所述隔离层为氮化铝层，所述第一类型掺杂层依次包括第一类型高浓度掺杂层和第一类型低浓度掺杂层，第一类型高浓度掺杂层、第一类型低浓度掺杂层依次位于所述隔离层上，第一类型高浓度掺杂层掺杂浓度高于所述第一类型低浓度掺杂层，第一类型高浓度掺杂层含有铝元素，第一类型低浓度掺杂层不含有铝元素，第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低；负电极位于所述第一类型高浓度掺杂层中，正电极位于所述第二类型掺杂层中。
可选的，所述隔离层厚度为10～50nm。
可选的，所述第一类型高浓度掺杂层与第一类型低浓度掺杂层厚度比为(2～5):1。
可选的，所述第一类型高浓度掺杂层厚度为3～7.5um，第一类型低浓度掺杂层厚度1.5um。
可选的，所述第一类型高浓度掺杂层厚度为5.25um，第一类型低浓度掺杂层厚度为1.5um。
可选的，所述第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加其摩尔比从1降低至0。
可选的，形成所述第一类型高浓度掺杂层生长速率是形成所述第一类型低浓度掺杂层生长速率的0.1～0.9倍。
可选的，形成所述第一类型低浓度掺杂层生长速率为2～10um/h。
可选的，形成所述第一类型高浓度掺杂层温度高于形成所述第一类型低浓度掺杂层温度。
可选的，形成所述第一类型高浓度掺杂层温度高于形成所述第一类型低浓度掺杂层温度10～50℃。
本发明的有益效果是：本发明通过在未掺杂层与第一类型掺杂层设置隔离层，第一类型掺杂层中的第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加逐渐降低，使得材料禁带宽度随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层掺杂浓度高于所述第一类型低浓度掺杂层掺杂浓度并将负电极设置在第一类型高浓度掺杂层中形成浓度梯度，避免了电子向未掺杂层迁移，同时第一类型高浓度掺杂层中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低可以优化自身晶体质量及接触界面质量，第一类型低浓度掺杂层有利于结晶质量的提高，共同作用于第一类型掺杂层提高光源光效及电学性能。
附图说明
图1为本发明提供的方法流程图；
图2为本发明提供的基板结构示意图；
图3为本发明提供的另一种基板结构示意图；
图4为与图3对应的俯视图；
图5至图11为与流程图对应的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提供的户外照明光源光效提高方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
请参考图1与图11，本发明的核心在于提供一种户外照明光源光效提高方法，该方法包括图1中所示的步骤，使用该方法得到的产品结构示意图如图11所示，该方法包括：
步骤S101，提供一基板1；步骤S102，在基板1上形成半结晶性层2；步骤S103，在半结晶性层2上形成未掺杂层3；步骤S104，在未掺杂层3上形成隔离层4；步骤S105，在隔离层4上形成第一类型掺杂层5；步骤S106，在第一类型掺杂层5上形成有源层6；步骤S107，在有源层6上形成第二类型掺杂层7。其中，隔离层4为氮化铝层，第一类型掺杂层5依次包括第一类型高浓度掺杂层51和第一类型低浓度掺杂层52，第一类型高浓度掺杂层51、第一类型低浓度掺杂层52依次位于隔离层4上，第一类型高浓度掺杂层51掺杂浓度高于第一类型低浓度掺杂层52，第一类型高浓度掺杂层51含有铝元素，第一类型低浓度掺杂层52不含有铝元素，第一类型高浓度掺杂层51中铝含量随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层51中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低；在第一类型高浓度掺杂层51上形成负电极8，在第二类型掺杂层7上形成正电极9。
III-V族化合物中氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)是直接带隙半导体材料，其室温禁带宽度依次为3.39eV、6.28eV，现有技术发光二极管在形成未掺杂层之后直接形成第一类型掺杂层，负电极、正电极分别设置在第一类型掺杂层、第二类型掺杂层中，当负电极、正电极与电源接通时，第一类型掺杂层、第二类型掺杂层分别产生电子、空穴并在有源层中复合发光，形成负电极时由于不同批次刻蚀深度不一及电极底部表面不平整导致负电极在第一类型掺杂层中位置不同，产生的电子并不是从同一位置集中向有源层中迁移，同时部分电子朝向未掺杂层迁移使得电性能变差，降低了光源光效，在未掺杂层与第一类型掺杂层设置隔离层，第一类型掺杂层中的第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加逐渐降低，使得材料禁带宽度随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层掺杂浓度高于所述第一类型低浓度掺杂层掺杂浓度并将负电极设置在第一类型高浓度掺杂层中形成浓度梯度，避免了电子向未掺杂层迁移，同时第一类型高浓度掺杂层中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低可以优化自身晶体质量及接触界面质量，第一类型低浓度掺杂层有利于结晶质量的提高，共同作用于第一类型掺杂层提高光源光效及电学性能。
本实施例中，隔离层4厚度范围为10～50nm(nm代表长度单位纳米)。例如可以为11nm、13nm、15nm、17nm、19nm、21nm、23nm、25nm、27nm、29nm、31nm、33nm、35nm、37nm、39nm、41nm、43nm、45nm、47nm或49nm，或者10～12nm、12～14nm、14～16nm、16～18nm、18～20nm、20～22nm、22～24nm、24～26nm、26～28nm、28～30nm、30～32nm、32～34nm、34～36nm、36～38nm、38～40nm、40～42nm、42～44nm、44～46nm、46～48nm、48～50nm任一区间段的任一厚度。
如果隔离层厚度过厚容易使得接触界面产生大量的缺陷进而导致质量变差，如果隔离层厚度过薄难以有效起到阻止电子向未掺杂层迁移。
本实施例中，作为更加优选，隔离层4厚度为30nm。
本实施例中，第一类型高浓度掺杂层51与第一类型低浓度掺杂层52厚度比为(2～5):1。
适宜的第一类型高浓度掺杂层与第一类型低浓度掺杂层厚度比是必须的，如果两者厚度比过大，造成第一类型高浓度掺杂层偏厚而第一类型低浓度掺杂层偏薄，会使得高掺杂浓度层过厚影响整体即第一类型掺杂层结晶质量，漏电性能变差，如果两者厚度比过小，造成第一类型高浓度掺杂层偏薄而第一类型低浓度掺杂层偏厚，尽管从整体上有利于第一类型掺杂层结晶质量提高并改善漏电，但是这使得刻蚀负电极窗口变小，甚至会刻蚀到第一类型低浓度掺杂层上，而这是我们所不愿意看到的。
本实施例中，第一类型高浓度掺杂层51厚度为2～10um(um代表长度单位微米)，第一类型低浓度掺杂层52厚度为1～2um。
在一具体实施例中，第一类型高浓度掺杂层51厚度为2.25um、2.75um、3.25um、3.75um、4.25um或4.75um，或者2.0～2.5um、2.5～3.0um、3.0～3.5um、3.5～4.0um、4.0～4.5um、4.5～5.0um任一区间段的任一厚度，第一类型低浓度掺杂层52厚度为1.0um。
在另一具体实施例中，第一类型高浓度掺杂层厚度为3.4um、4.15um、4.9um、5.65um、6.4um或7.15um，或者3.0～3.75um、3.75～4.5um、4.5～5.25um、5.25～6.0um、6.0～6.75um、6.75～7.5um任一区间段的任一厚度，第一类型低浓度掺杂层厚度为1.5um。
在另一具体实施例中，第一类型高浓度掺杂层厚度为4.5um、5.5um、6.5um、7.5um、8.5um或9.5um，或者4.0～5.0um、5.0～6.0um、6.0～7.0um、7.0～8.0um、8.0～9.0um、9.0～10.0um任一区间段的任一厚度，第一类型低浓度掺杂层厚度为2.0um。
在其他实施例中，第一类型低浓度掺杂层厚度为1～2um区间段的任一厚度。
本实施例中，第一类型高浓度掺杂层51中铝含量随厚度增加其摩尔比从1降低至0。
含有铝的第一类型高浓度掺杂层分子式为AlXGa(1-X)N，当X＝1时，即AlN,当X＝0时，即GaN,第一类型高浓度掺杂层下表面、上表面分别与隔离层、第一类型低浓度掺杂层接触，当第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加摩尔比从1降低至0，接触面分别为同种材料，具有更好的兼容性，质量更好，形成的材料禁带宽度连续变化。
为了与形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率相匹配，在一具体实施例中，第一类型高浓度掺杂层51中铝含量随厚度增加其摩尔比降低速率为1～5％每分钟。例如可以是以每分钟1.1％、1.3％、1.5％、1.7％、1.9％、2.1％、2.3％、2.5％、2.7％、2.9％、3.1％、3.3％、3.5％、3.7％、3.9％、4.1％、4.3％、4.5％、4.7％或4.9％，或者1.0％～1.2％、1.2％～1.4％、1.4％～1.6％、1.6％～1.8％、1.8％～2.0％、2.0％～2.2％、2.2％～2.4％、2.4％～2.6％、2.6％～2.8％、2.8％～3.0％、3.0％～3.2％、3.2％～3.4％、3.4％～3.6％、3.6％～3.8％、3.8％～4.0％、4.0％～4.2％、4.2％～4.4％、4.4％～4.6％、4.6％～4.8％、4.8％～5.0％任一区间段的任一速率降低。
本实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率是形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率的0.1～0.9倍。
较低的生长速率有利于掺杂和铝镓氮的形成，尤其是硅原子取代镓原子形成电子，第一类型高浓度掺杂层靠近未掺杂层，未掺杂层生长结束表面形貌差，尤其是平整度，快速生长条件下容易累积大量的位错缺陷，降低结晶质量。
在一具体实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率可以是形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率的0.15、0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75或0.85倍，或者0.1～0.2、0.2～0.3、0.3～0.4、0.4～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.8、0.8～0.9任一区间段的任一倍率。
本实施例中，形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率为2～10um/h。
在一具体实施例中，当形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率为2um/h时，形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率为0.3um/h、0.5um/h、0.7um/h、0.9um/h、1.1um/h、1.3um/h、1.5um/h或1.7um/h，或者0.2～0.4um/h、0.4～0.6um/h、0.6～0.8um/h、0.8～1.0um/h、1.0～1.2um/h、1.2～1.4um/h、1.4～1.6um/h、1.6～1.8um/h任一区间段的任一生长速率。
在另一具体实施例中，当形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率为6um/h时，形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率为0.9um/h、1.2um/h、2.1um/h、2.7um/h、3.3um/h、3.9um/h、4.5um/h或5.1um/h，或者0.6～1.2um/h、1.2～1.8um/h、1.8～2.4um/h、2.4～3.0um/h、3.0～3.6um/h、3.6～4.2um/h、4.2～4.8um/h、4.8～5.4um/h任一区间段的任一生长速率。
在另一具体实施例中，当形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率为10um/h时，形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率为1.5um/h、2.5um/h、3.5um/h、4.5um/h、5.5um/h、6.5um/h、7.5um/h或8.5um/h，或者1.0～2.0um/h、2.0～3.0um/h、3.0～4.0um/h、4.0～5.0um/h、5.0～6.0um/h、6.0～7.0um/h、7.0～8.0um/h、8.0～9.0um/h任一区间段的任一生长速率。
在其他实施例中，形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率为2～10um/h区间段的任一生长速率。
本实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51温度高于形成第一类型低浓度掺杂层52温度。
第一类型高浓度掺杂层中较高的掺杂浓度降低了结晶质量，通过生长温度进行补偿使第一类型高浓度掺杂层与第一类型低浓度掺杂层结晶质量趋于一致。
在一具体实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51温度范围为1000～1200℃，形成第一类型高浓度掺杂层51温度高于形成第一类型低浓度掺杂层52温度15℃、25℃、35℃或45℃，或者10～20℃、20～30℃、30～40℃、40～50℃任一区间段的任一温度。
实施例二
以下结合流程图及对应结构示意图进一步详述本发明提供的户外照明光源光效提高方法，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参考图1、图2，首先，进行步骤S101，提供一基板1。
本实施例中，基板1的材料为蓝宝石、碳化硅、硅或氮化镓等。
基板材料是决定光源颜色、亮度、寿命等性能指标的重要因素，基板材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格是否匹配，这些因素与光源发光效率与稳定性密切相关。
本实施例中，基板1为平板，表面为平整状，不含有任何图形。
请参考图3、图4，本实施例中，基板1也可以为图形化基板，在基板1表面均匀分布有图形11，图形11可以为三角状、锥状、柱状或者其他形状。
使用图形化基板可以提高光的散射。图形化基板图案是按六边形密排的尺寸为微米量级的三角状、锥状、柱状或者其他形状阵列，可以将光源光提取效率提高至60％以上，同时利用图形化基板可以控制结晶过程中位错的延伸方向从而有效降低位错密度。
接着，进行步骤S102，如图5所示，在基板1上形成半结晶性层2。
本实施例中，半结晶性层2的材料为氮化镓、氮化铝或铝镓氮，形成半结晶性层2的温度为400℃～700℃，厚度为10nm～50nm。
半结晶性层晶体状态介于单晶与多晶之间，异质外延(基板材料与氮化镓材料不同)中存在较为严重的晶格失配和热应力失配，通过生长一层半结晶性层可以有效的减少两种不同材料之间的晶格失配和热应力失配。在其他实施例中，当为同质外延时可以省却该半结晶性层。
接着，进行步骤S103，如图6所示，在半结晶性层2上形成未掺杂层3。
本实施例中，形成未掺杂层3的温度为900℃～1200℃，厚度为0.5um～5um。
本实施例中，未掺杂层3可以包括以三维模式生长的3D未掺杂层和以二维模式生长的2D未掺杂层，所述3D未掺杂层、2D未掺杂层依次形成在半结晶性层2上，所述3D未掺杂层形成岛状结构，所述2D未掺杂层将岛状结构填平形成平整的表面。
接着，进行步骤S104，如图7所示，在未掺杂层3上形成隔离层4。
本实施例中，隔离层4为氮化铝层。
本实施例中，形成隔离层4的温度为900℃～1200℃，厚度为10nm～50nm。
接着，进行步骤S105，如图8所示，在隔离层4上形成第一类型掺杂层5。
本实施例中，形成第一类型掺杂层5的温度为900℃～1200℃，厚度为4.5um～9um。
本实施例中，第一类型掺杂层5依次包括第一类型高浓度掺杂层51和第一类型低浓度掺杂层52，第一类型高浓度掺杂层51、第一类型低浓度掺杂层52依次位于隔离层4上，第一类型高浓度掺杂层51掺杂浓度高于第一类型低浓度掺杂层52，第一类型高浓度掺杂层51含有铝元素，第一类型低浓度掺杂层52不含有铝元素，第一类型高浓度掺杂层51中铝含量随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层51中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低。
本实施例中，第一类型高浓度掺杂层51与第一类型低浓度掺杂层52厚度比为(2～5):1。
在一具体实施例中，第一类型高浓度掺杂层厚度为3～7.5um，第一类型低浓度掺杂层厚度1.5um。
在另一具体实施例中，第一类型高浓度掺杂层51厚度为5.25um，第一类型低浓度掺杂层52厚度为1.5um。
本实施例中，第一类型高浓度掺杂层51中铝含量随厚度增加其摩尔比从1降低至0。
本实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51生长速率是形成第一类型低浓度掺杂层52生长速率的0.1～0.9倍。
本实施例中，形成第一类型低浓度掺杂层51生长速率为2～10um/h。
本实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51温度高于形成第一类型低浓度掺杂层52温度。
在一具体实施例中，形成第一类型高浓度掺杂层51温度高于形成第一类型低浓度掺杂层52温度10～50℃。
接着，进行步骤S106，如图9所示，在第一类型掺杂层5上形成有源层6。
本实施例中，形成有源层6的温度为700℃～900℃，厚度为25nm～320nm。
本实施例中，形成有源层6包括在第一类型掺杂层5上依次周期层叠的量子阱层和量子垒层，有源层6由5～20组周期层叠的量子阱层和量子垒层组成，所述量子阱层厚度为2.0nm～4.0nm，所述量子垒层厚度为3.0nm～12.0nm。
本实施例中，所述量子阱层通过在氮化镓层中掺铟形成铟镓氮，所述量子垒层为氮化镓层，由于过高的温度使铟难以掺入进氮化镓，一般形成所述量子阱层的温度低于形成所述量子垒层的温度，温差大约在60～160℃。
在外界电流作用下，第一类型掺杂层产生的电子与第二类型掺杂层产生的空穴在有源层中复合发光，因而有源层结构对光源发光有着重要的影响。
接着，进行步骤S107，如图10所示，在有源层6上形成第二类型掺杂层7。
本实施例中，第二类型掺杂层7为P型掺杂，例如可以是二价镁原子取代三价镓原子形成空穴，形成第二类型掺杂层7的温度为800℃～1200℃，厚度为50nm～300nm，掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
本实施例中，在第二类型掺杂层7表面部分区域进行刻蚀至第一类型高浓度掺杂层51并暴露出第一类型高浓度掺杂层51，在暴露出的第一类型高浓度掺杂层上51设置负电极8，在第二类型掺杂层7设置正电极9，将正电极9、负电极8与电源接通发光。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种户外照明光源光效提高方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一基板；
在所述基板上形成半结晶性层；
在所述半结晶性层上形成未掺杂层；
在所述未掺杂层上形成隔离层；
在所述隔离层上形成第一类型掺杂层；
在所述第一类型掺杂层上形成有源层；
在所述有源层上形成第二类型掺杂层；
所述隔离层为氮化铝层，所述第一类型掺杂层依次包括第一类型高浓度掺杂层和第一类型低浓度掺杂层，第一类型高浓度掺杂层、第一类型低浓度掺杂层依次位于所述隔离层上，第一类型高浓度掺杂层掺杂浓度高于所述第一类型低浓度掺杂层，第一类型高浓度掺杂层含有铝元素，第一类型低浓度掺杂层不含有铝元素，第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加逐渐降低，第一类型高浓度掺杂层中掺杂浓度随厚度增加逐渐降低；负电极位于所述第一类型高浓度掺杂层中，正电极位于所述第二类型掺杂层中。
2.如权利要求1所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，所述隔离层厚度为10～50nm。
3.如权利要求1或2所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，所述第一类型高浓度掺杂层与第一类型低浓度掺杂层厚度比为(2～5):1。
4.如权利要求3所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，所述第一类型高浓度掺杂层厚度为3～7.5um，第一类型低浓度掺杂层厚度1.5um。
5.如权利要求4所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，所述第一类型高浓度掺杂层厚度为5.25um，第一类型低浓度掺杂层厚度为1.5um。
6.如权利要求1所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，所述第一类型高浓度掺杂层中铝含量随厚度增加其摩尔比从1降低至0。
7.如权利要求1所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，形成所述第一类型高浓度掺杂层生长速率是形成所述第一类型低浓度掺杂层生长速率的0.1～0.9倍。
8.如权利要求7所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，形成所述第一类型低浓度掺杂层生长速率为2～10um/h。
9.如权利要求7或8所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，形成所述第一类型高浓度掺杂层温度高于形成所述第一类型低浓度掺杂层温度。
10.如权利要求9所述的户外照明光源光效提高方法，其特征在于，形成所述第一类型高浓度掺杂层温度高于形成所述第一类型低浓度掺杂层温度10～50℃。
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