CN113451458A - 一种超晶格层、led外延结构、显示装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种超晶格结构、LED外延结构、显示装置及其生产方法，该超晶格结构包括：至少两个依次层叠生长的超晶格单元；每个超晶格单元均包括依次层叠生长的第一n型GaN层、第二n型GaN层、第一n型GaInN层以及第二n型GaInN层；其中，第一n型GaN层沿生长方向的掺杂浓度固定，第二n型GaN层沿生长方向的掺杂浓度逐渐增大，第一n型GaInN层沿生长方向的掺杂浓度逐渐减小，第二n型GaInN层沿生长方向的掺杂浓度固定；本发明外延结构中的应力能在生产过程中得到有效地释放，故其能减少因应力的作用而导致n型GaN层与衬底之间的位错，有效地保证了LED的发光性能。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，具体涉及一种超晶格层、一种具有该超晶格层的LED外延结构、一种具有该LED外延结构的显示装置以及一种对该超晶格层的生产方法和一种对该LED外延结构的制造方法。
背景技术
随着科学技术的发展，发光二极管(Light Emitting Diode，LED)由于其具有良好的稳定性，寿命，以及具有低功耗、色彩饱和度、反应速度快、对比度强等优点,故其被广泛地应用于显示器件中。现有的LED芯片中均包含有LED外延结构，LED外延结构是指在一块加热至适当温度的衬底基片上所生长出的特定单晶薄膜。LED外延结构衬底材料是LED技术发展的基石；衬底材料决定了LED后续的发展路线。
现有蓝光LED外延结构主要为在蓝宝石衬底上依次生长氮化镓(GaN)缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型掺杂氮化镓层等结构，并制成LED器件；但是由于氮化镓与蓝宝石之间存在较大的晶格失配；其中，该晶格失配是指由于衬底和外延层的晶格常数不同而产生的失配现象；而在现有的LED外延结构的生长过程中，其n型掺杂氮化镓层是一次生成的，故其在生成时所产生的应力较大，使得n型掺杂氮化镓层会在应力的作用下而发生移位，造成n型掺杂氮化镓层与衬底之间存在较大的位错，且其穿透位错会到达多量子阱(multiplequantum well，MQW)区形成V型缺陷从而影响其发光特性。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种能减少生长时所产生的应力的超晶格层、一种能减少因应力而导致位错的LED外延结构、一种能提升显示效果的显示装置，以及该LED外延结构的制造方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明是一种超晶格层，包括：
至少两个依次层叠生长的超晶格单元；
每个所述超晶格单元均包括依次层叠生长的第一n型GaN层、第二n型GaN层、第一n型GaInN层以及第二n型GaInN层；
其中，所述第一n型GaN层沿生长方向的掺杂浓度固定，所述第二n型GaN层沿生长方向的掺杂浓度逐渐增大，所述第一n型GaInN层沿生长方向的掺杂浓度逐渐减小，所述第二n型GaInN层沿生长方向的掺杂浓度固定。
在本发明中，所述所述超晶格单元的数量为20-50个，且所有所述超晶格单元的总厚度为50-200nm。
在本发明中，所述第一n型GaN层的厚度大于所述第二n型GaN层的厚度。
基于同样的构思，本发明还提供一种LED外延结构，其包括：依次层叠生长的GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层、超晶格层、多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层和p型GaN层；
所述超晶格层为如上所述的超晶格层。
在本发明中，所述GaN缓冲层的厚度为20-30nm，所述GaN层的厚度为1500-3000nm，所述底层n型GaN层的厚度为2000-2500nm，所述多量子阱发光层的厚度为80-240nm，所述低温p型GaN层的厚度为30-60nm，所述p型AlGaN限制层的厚度为40-80nm，所述p型GaN层的厚度为40-100nm。
基于同样的构思，本发明还提供一种LED外延结构的制造方法，其包括：
提供一衬底，将所述衬底置入反应室中，并在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层；
往所述反应室中通入Ga源和SiH4，在所述底层n型GaN层的上方生长第一n型GaN层；
在所述第一n型GaN层的生长完成后，停止通入SiH4，在所述第一n型GaN层上生长GaN层；
在所述GaN层的生长完成后，停止通入Ga源，并再次通入预定量的SiH4，使所述GaN层成为第二n型GaN层；
往所述反应室中通入Ga源、In源，形成第一n型GaInN层；
再次通入SiH4，形成第二n型GaInN层；所述第一n型GaN层、所述第二n型GaN层、所述第一n型GaInN层和所述第二n型GaInN层构成了超晶格单元；
在所述超晶格单元上重复生长预定数量的超晶格单元，使所有的所述超晶格单元的总厚度达到预定值，形成超晶格层；
在所述超晶格层的上方上依次生长多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层、p型GaN层。
在本发明中，所述在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层之后包括：
将所述反应室温度调整至800-950℃。
在本发明中，所述在所述超晶格单元上重复生长预定数量的超晶格单元，使所有的所述超晶格单元的总厚度达到预定值包括：
在所述超晶格单元上重复生长20-50个超晶格单元，使所有的所述超晶格单元的总厚度达到50-200nm。
在本发明中，所述将所述衬底置入反应室中之后包括：
将所述反应室的温度升高至1000-1200度，并通入氢气，烘烤所述衬底2到6分钟。
基于同样的构思，本发明还提供一种显示装置，其包括：显示背板，所述显示背板上安装有一个以上的LED芯片，所述LED芯片中均设有如上所述的LED外延结构。
本发明LED外延结构中的超晶格层由多个超晶格单元构成，且超晶格层中的n型GaN层以间歇性生长的方式进行生长，故在n型GaN层暂停生长时，外延结构中的应力可得到有效地释放，故其能减少因应力的作用而导致n型GaN层与衬底之间的位错，从而使得LED外延结构中的多量子阱区中的V型缺陷大幅减少，有效地保证了LED的发光性能。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。
图1为本发明超晶格层的剖视结构示意图；
图2为本发明LED外延结构的剖视结构示意图；
图3为本发明中的LED外延结构的制造方法的工作流程示意图；
图4为本发明中的步骤S1的工作流程示意图；
图5为本发明中的步骤S8的工作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面以一个实施例对本发明的一种超晶格层进行具体描述，请参阅图1所示：
该超晶格层500由20-50个超晶格单元510以层叠生长的方式构成，且上下相邻的所述超晶格单元510之间相互对准，所有超晶格单元510在水平面上的正投影面相互重合；该超晶格层500的总厚度为50-200nm。其中，超晶格是指由一组多层薄膜周期重复排列而成的单晶。多层薄膜中各层厚度从几个到几十个原子层范围。各层的主要半导体性质如带隙和掺杂水平可以独立地控制。多层薄膜的周期可以在生长时人为控制,因而得到了人造的晶体结构即超晶格。
每个所述超晶格单元510均包括：第一n型GaN层511，该第一n型GaN层511的厚度为1-4nm；所述第一n型GaN层511上方生长有第二n型GaN层512，该第二n型GaN层512的厚度不大于所述第一n型GaN层511的厚度，该第二n型GaN层512的厚度为0.25-1nm；且第一n型GaN层511与第二n型GaN层512之间的掺杂浓度不相同；其中，GaN具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、化学稳定性好等性质和强的抗辐照能力，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景；所述第二n型GaN层512上方生长有第一n型GaInN(氮化镓铟)层513，该第一n型GaInN层513的厚度为0.25-1nm；所述第一n型GaInN层513的上方生长有第二n型GaInN层514，该第二n型GaInN层514的厚度为0.5-2nm。
其中，所述第一n型GaN层511沿生长方向的掺杂浓度固定，所述第二n型GaN层512沿生长方向的掺杂浓度逐渐增大，所述第一n型GaInN层513沿生长方向的掺杂浓度逐渐减小，所述第二n型GaInN层514沿生长方向的掺杂浓度固定。
在本实施例中，第一n型GaN层511或第一n型GaInN层513均是通过在GaN或GaInN中直接掺杂SiH4得到的；第二n型GaN层512及第二n型GaInN层514为在GaN及GaInN之间的SiH4通过扩散进入GaN及GaInN而间接获得的。该第一n型GaN层511、第二n型GaN层512、第一n型GaInN层513和第二n型GaInN层514中均掺杂有Si元素；其掺杂源为SiH4；其中，SiH4作为一种提供硅组分的气体源，可用于制造高纯度多晶硅、单晶硅、微晶硅、非晶硅、氮化硅、氧化硅、异质硅、各种金属硅化物。
在本实施例中，由于超晶格层500由多个超晶格单元510构成，故在生成超晶格层500的过程中，需要多次生成超晶格单元510，其能有效地释放更多在生产过程中所产生的应力、减少位错的堆叠。
下面以一个实施例对本发明的一种LED外延结构进行具体描述，请参阅图2，其包括：
从下到上依次生长的蓝宝石衬底100、GaN缓冲层200、非掺杂GaN层300、底层n型GaN层400、超晶格层500、多量子阱发光层600、低温p型GaN层700、p型AlGaN限制层800、p型GaN层900；在本实施例中，所述GaN缓冲层200的厚度为20-30nm，所述GaN层的厚度为1500-3000nm，所述底层n型GaN层400的厚度为2000-2500nm，所述多量子阱发光层600的厚度为80-240nm，所述低温p型GaN层700的厚度为30-60nm，所述p型AlGaN(铝镓氮)限制层800的厚度为40-80nm，所述p型GaN层900的厚度为40-100nm；其中，该低温p型GaN层700、p型AlGaN限制层800、p型GaN层900均掺杂有Mg。
该超晶格层500由20-50个超晶格单元510以上下层叠生长的方式构成；每个所述超晶格单元510均包括：从下到上顺序生成的第一n型GaN层511、第二n型GaN层512、GaInN层513和n型GaInN层514，其中，该第一n型GaN层511的厚度为1-4nm；该第二n型GaN层512的厚度为0.25-1nm；该GaInN层513的厚度为0.25-1nm；该n型GaInN层514的厚度为0.5-2nm。
下面以一个实施例对本发明的LED外延结构的制造方法进行具体描述，请参阅图3，其包括：
S1.在衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层
提供一衬底，其中，该衬底为蓝宝石衬底；将所述衬底置入反应室中，将反应室的温度升高至1000-1200度，并通入氢气，烘烤所述衬底2到6分钟；并在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层。
S2.通入Ga源和SiH4，生长第一n型GaN层
将所述反应室温度调整至800-950℃，往所述反应室中通入Ga源和SiH4，在所述底层n型GaN层的上方生长第一n型GaN层，使得在GaN层生长的同时，在该GaN层中掺杂SiH4，形成第一n型GaN层，当第一n型GaN层厚度达到1-4nm时，即完成第一n型GaN层的生长；其中，该Ga源为三甲基镓(TMGa)。
S3.停止通入SiH4，生长GaN层
在所述第一n型GaN层的生长完成后，停止通入SiH4，在所述第一n型GaN层上生长GaN层，使得GaN层厚度达到0.25-1nm，即完成GaN层的生长。
S4.将SiH4渗入至GaN层中，形成第二n型GaN层
在所述GaN层的生长完成后，停止通入Ga源，并再次通入SiH4 5到20秒，使得所述SiH4从上到下渗入至所述GaN层中，使所述GaN层形为第二n型GaN层。在本步骤中，通过将SiH4渗透入GaN层中，以形成第二n型GaN层的方式，其能有效地对生长过程中的应力进行释放。
S5.通入Ga源、In源，生长第一n型GaInN层
往所述反应室中通入Ga源、In源，在所述第二n型GaN层上生长GaInN层，在生长GaInN层的同时，其下方的SiH4会渗入进此层从而形成第一n型GaInN层，当第一n型GaInN层的厚度达到0.25-1nm后，完成第一GaInN层的生长。
S6.再次通入SiH4，生长第二n型GaInN层
待所述GaInN层的生长完成后，再次通入SiH4，在所述GaInN层上生长第二n型GaInN层；即在GaInN层生长的同时，在其中掺杂SiH4，使其成为第二n型GaInN层；当第二n型GaInN层的厚度达到0.5-2nm后，完成第二n型GaInN层的生长。
S7.判断超晶格单元的总厚度达到预定值
其中，所述第一n型GaN层、所述第二n型GaN层、所述第一n型GaInN层和所述第二n型GaInN层形成了超晶格单元；在所述超晶格单元上重复生长预定数量的超晶格单元，判断所有的所述超晶格单元的总厚度达到预定值，如果达到预定值，则进行步骤S8.依次生长多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层、p型GaN层；并且，所有的所述所述超晶格单元形成了超晶格层；如果未达到预定值，则进行步骤S2.通入Ga源和SiH4，生长第一n型GaN层；在本实施例中，该预定值为20-50次，即在超晶格层中生长20-50个超晶格单元，从而使完成生长后的超晶格层的总厚度达到50-200nm。
S8.依次生长多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层、p型GaN层
在所述超晶格层生长完成后，在所述超晶格层的上方上依次生长多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层、p型GaN层。
在本实施例中，超晶格层采用中断式生长、中断生长中掺杂、再不掺杂生长、掺杂生长的方式进行生长，使得其超晶格层能释放更多应力、减少位错的堆叠，从而使多量子阱发光层中的V型缺陷大幅减少，同时此种掺杂方式也具更小的缺陷密度，可显著提升LED的发光效率、抗静电性能。
请参看图4，在本实施例中，步骤S1.在衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层具体包括：
S101.生长GaN缓冲层
往所述反应室中通入Ga源、氨气，并将所述反应室温度降至500-600℃，压力调整至400-700mBar，在所述衬底上生长GaN缓冲层，当该GaN缓冲层的厚度达到20-30nm，完成该GaN缓冲层的生长。其中，其Ga源和氨气的比例在1:100-1:1000之间。
S102.生长第一非掺杂GaN层
在所述GaN缓冲层生长完成后，将所述反应室温度上升至1000-1200℃，在所述GaN缓冲层上生长第一非掺杂GaN层，当该第一非掺杂GaN层的厚度达到500-1000nm，完成该第一非掺杂GaN层的生长。
S103.生长第二非掺杂GaN层
在所述第一非掺杂GaN层生长完成后，将所述反应室压力降至200-350mBar，在所述第一非掺杂GaN层上生长第二非掺杂GaN层，当该第二非掺杂GaN层的厚度达到1000-2000nm，完成该第二非掺杂GaN层的生长。在本实施例中，所述第一非掺杂GaN层和第二掺杂GaN层构成了所述非掺杂GaN层。
S104.生长底层n型GaN层
在所述第二非掺杂GaN层生长完成后，往所述反应室中通入SiH4，在所述第二非掺杂GaN层上生长底层n型GaN层，当该n型GaN层的厚度达到2000-2500nm，完成该n型GaN层的生长。
请参看图5，在本实施例中，步骤S8.依次生长多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层、p型GaN层具体包括：
S801.生长多量子阱发光层
所述反应室的温度调整为730-900℃，生长5到15个周期厚度为80-240nm的GaN/GaInN多重量子阱层；
S802.生长低温p型GaN层
在所述多量子阱发光层生长完成后，将所述反应室的温度调整为730-830℃，并通入Ga源、Mg源，在所述多量子阱发光层上生长30-60nm厚的低温p型GaN层；
S803.生长p型AlGaN限制层
在所述低温p型GaN层生长完成后，将所述反应室的温度调整为900-1050℃，且反应室的压力调整为50-150mBar，并通入Al源、Ga源、Mg源，在所述低温p型GaN层上生长40-80nm厚的p型AlGaN层；
S804.生长p型GaN层
在所述p型AlGaN限制层生长完成后，将所述反应室的温度调整为850-1000℃，并通入Ga源、Mg源，在所述p型AlGaN限制层上生长40-100nm厚的p型GaN层。
下面以一个实施例对本发明的显示装置进行具体描述，其包括：
显示背板，所述显示背板上安装有一个以上的LED芯片，所述LED芯片中均设有如上所述的LED外延结构。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超晶格层，其特征在于，包括：
至少两个依次层叠生长的超晶格单元；
每个所述超晶格单元均包括依次层叠生长的第一n型GaN层、第二n型GaN层、第一n型GaInN层以及第二n型GaInN层；
其中，所述第一n型GaN层沿生长方向的掺杂浓度固定，所述第二n型GaN层沿生长方向的掺杂浓度逐渐增大，所述第一n型GaInN层沿生长方向的掺杂浓度逐渐减小，所述第二n型GaInN层沿生长方向的掺杂浓度固定。
2.根据权利要求1所述的超晶格层，其特征在于，所述所述超晶格单元的数量为20-50个，且所有所述超晶格单元的总厚度为50-200nm。
3.根据权利要求2所述的超晶格层，其特征在于，所述第一n型GaN层的厚度大于所述第二n型GaN层的厚度。
4.一种LED外延结构，其特征在于，包括：依次层叠生长的GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层、超晶格层、多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层和p型GaN层；
所述超晶格层为如权利要求1至3任意一项所述的超晶格层。
5.根据权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述GaN缓冲层的厚度为20-30nm，所述GaN层的厚度为1500-3000nm，所述底层n型GaN层的厚度为2000-2500nm，所述多量子阱发光层的厚度为80-240nm，所述低温p型GaN层的厚度为30-60nm，所述p型AlGaN限制层的厚度为40-80nm，所述p型GaN层的厚度为40-100nm。
6.一种LED外延结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供一衬底，将所述衬底置入反应室中，并在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层；
往所述反应室中通入Ga源和SiH4，在所述底层n型GaN层的上方生长第一n型GaN层；
在所述第一n型GaN层的生长完成后，停止通入SiH4，在所述第一n型GaN层上生长GaN层；
在所述GaN层的生长完成后，停止通入Ga源，并再次通入预定量的SiH4，使所述GaN层成为第二n型GaN层；
往所述反应室中通入Ga源、In源，形成第一n型GaInN层；
再次通入SiH4，形成第二n型GaInN层；所述第一n型GaN层、所述第二n型GaN层、所述第一n型GaInN层和所述第二n型GaInN层构成了超晶格单元；
在所述超晶格单元上重复生长预定数量的超晶格单元，使所有的所述超晶格单元的总厚度达到预定值，形成超晶格层；
在所述超晶格层的上方上依次生长多量子阱发光层、低温p型GaN层、p型AlGaN限制层、p型GaN层。
7.根据权利要求11所述的LED外延结构的制造方法，其特征在于，所述在所述衬底上依次生长GaN缓冲层、非掺杂GaN层、底层n型GaN层之后包括：
将所述反应室温度调整至800-950℃。
8.根据权利要求12所述的LED外延结构的制造方法，其特征在于，所述在所述超晶格单元上重复生长预定数量的超晶格单元，使所有的所述超晶格单元的总厚度达到预定值包括：
在所述超晶格单元上重复生长20-50个超晶格单元，使所有的所述超晶格单元的总厚度达到50-200nm。
9.根据权利要求13所述的LED外延结构的制造方法，其特征在于，所述将所述衬底置入反应室中之后包括：
将所述反应室的温度升高至1000-1200度，并通入氢气，烘烤所述衬底2到6分钟。
10.一种显示装置，其特征在于，包括：显示背板，所述显示背板上安装有一个以上的LED芯片，所述LED芯片中均设有如权利要求4至5任意一项所述的LED外延结构。
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