CN114420814A - 一种led外延片、外延生长方法及led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片，LED外延片包括n型电流扩展层和p型电流扩展层，n型电流扩展层是由第一子层和第二子层交替生长而成的周期性结构，p型电流扩展层由第三子层和第四子层交替生长而成的周期性结构，其中，n型电流扩展层为掺杂Si的磷化铝镓铟层，p型电流扩展层为掺杂Mg的磷化镓层，第一子层中掺杂Si的浓度高于第二子层中掺杂Si的浓度，第三子层中掺杂Mg的浓度低于第四子层中掺杂Mg的浓度。本发明旨在解决现有技术中，电流扩展层恒定掺杂，导致芯片抗静电能力差的问题，而在电流扩展层中采用高低掺杂浓度的方式，便于更精确的控制掺杂浓度，可有效提高芯片的抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件，由于其体积小、亮度高、能耗低等特点，吸引了越来越多研究者的注意。其中，四元系AlGaInP是一种具有宽带隙的化合物半导体材料，此材料发光波段可以覆盖可见光的红光到黄绿光波段，由其制成的可见光高亮度发光二极管受到广泛关注。
四元系AIGaInP高亮度发光二极管己大量应用于户外显示、交通灯、汽车用灯、指示等许多方面。为了满足不断变化的需求，进一步改进和提高器件的性能，因此需对此材料体系进行深入研究，设计具有更高性能的材料结构和器件工艺。
对于红黄光LED外延结构衬底是砷化镓，外延层是AlGaInP的四元系化合物，其电压和抗静电主要由掺杂浓度决定，特别是电流扩展层的掺杂浓度，如果掺杂控制不得当，就会造成电压高，抗静电差，亮度低等问题，传统的在电流扩展层的掺杂方式为恒定浓度的掺杂，这种掺杂方式很难达到预期的结果。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种LED外延片、外延生长方法及LED芯片，旨在解决现有技术中，电流扩展层恒定掺杂，导致芯片抗静电能力差的问题。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片，包括电流扩展层，所述电流扩展层包括n型电流扩展层和p型电流扩展层，所述n型电流扩展层是由第一子层和第二子层交替生长而成的周期性结构，所述p型电流扩展层由第三子层和第四子层交替生长而成的周期性结构；
其中，所述n型电流扩展层为掺杂Si的磷化铝镓铟层，所述p型电流扩展层为掺杂Mg的磷化镓层，所述第一子层中掺杂所述Si的浓度高于所述第二子层中掺杂所述Si的浓度，所述第三子层中掺杂所述Mg的浓度低于所述第四子层中掺杂所述Mg的浓度。
优选地，所述LED外延片还包括衬底、腐蚀截止层、第一欧姆接触层、n型限制层、多量子阱层、p型限制层、过渡层以及第二欧姆接触层；
所述腐蚀截止层、所述第一欧姆接触层、所述n型电流扩展层、所述n型限制层、所述多量子阱层、所述p型限制层、所述过渡层、所述p型电流扩展层以及所述第二欧姆接触层依次外延生长在所述衬底上。
优选地，所述n型电流扩展层的厚度为3μm~6μm，所述p型电流扩展层的厚度为4μm~8μm。
优选地，所述腐蚀截止层的厚度为0.2μm~1μm，所述第一欧姆接触层的厚度为0.2μm~1μm，所述n型限制层的厚度为0.3μm~1.5μm，所述多量子阱层的厚度为50nm~80nm，所述p型限制层的厚度为1μm~2μm，所述过渡层的厚度为45nm~60nm，所述第二欧姆接触层的厚度为90nm~150nm。
优选地，所述第一子层的厚度与所述第二子层的厚度的比值范围为4:1~7:1，所述第四子层的厚度与所述第三子层的厚度的比值范围为5:1~7:1。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片的外延生长方法，用于制备上述的LED外延片，所述外延生长方法包括：
生长n型电流扩展层时，控制第一子层和第二子层交替生长，其中，在生长第一子层时，控制Si组分的通入量为第一通入量，当生长第二子层时，控制Si组分的通入量由所述第一通入量减少至第二通入量；
生长p型电流扩展层时，控制第三子层和第四子层交替生长，其中，在生长第三子层时，控制Mg组分的通入量为第三通入量，当生长第四子层时，控制Mg组分的通入量由所述第三通入量增加至第四通入量。
优选地，所述外延生长方法还包括：
提供一生长所需的衬底；
在所述衬底上依次外延生长腐蚀截止层、第一欧姆接触层、所述n型电流扩展层、n型限制层、多量子阱层、p型限制层、过渡层、所述p型电流扩展层以及第二欧姆接触层。
优选地，所述第一子层中掺杂Si的浓度为5E18atoms/cm3~2E19atoms/cm3，所述第二子层中掺杂Si的浓度为9E17atoms/cm3~5E18atoms/cm3，所述第三子层中掺杂Mg的浓度为9E17atoms/cm3~6E18atoms/cm3，所述第四子层中掺杂Mg的浓度为6E18atoms/cm3~6E19atoms/cm3。
优选地，所述n型电流扩展层和所述p型电流扩展层的生长压力为50mbar，所述n型电流扩展层的生长温度为720℃~760℃，所述p型电流扩展层的生长温度为770℃~810℃。
根据本发明实施例当中的一种LED芯片，包括上述的LED外延片。
与现有技术相比：通过在n型电流扩展层设置第一子层和第二子层，在p型电流扩展层设置第三子层和第四子层，其中，n型电流扩展层为掺杂Si的磷化铝镓铟层，p型电流扩展层为掺杂Mg的磷化镓层，由于n型电流扩展层是由第一子层和第二子层交替生长而成的周期性结构，且第一子层中掺杂Si的浓度高于第二子层中掺杂Si的浓度，又由于p型电流扩展层由第三子层和第四子层交替生长而成的周期性结构，且第三子层中掺杂Mg的浓度低于第四子层中掺杂Mg的浓度，在电流扩展层中采用这种高低掺杂浓度的方式，便于更精确的控制掺杂浓度，提高芯片的抗静电能力。
附图说明
图1为本发明实施例一当中的LED外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例一中的n型电流扩展层的结构示意图；
图3为本发明实施例一中的p型电流扩展层的结构示意图；
图4为本发明实施例二当中的LED外延片的外延生长方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1、图2和图3，图1为本发明实施例一中的LED外延片的结构示意图，图2为本发明实施例一中的n型电流扩展层的结构示意图，图3为本发明实施例一中的p型电流扩展层的结构示意图，其中，LED外延片包括砷化镓衬底10、以及在砷化镓衬底10上依次外延生长的腐蚀截止层20、第一欧姆接触层30、n型电流扩展层40、n型限制层50、多量子阱层60、p型限制层70、过渡层80、p型电流扩展层90以及第二欧姆接触层100。
在本实施例当中，电流扩展层包括n型电流扩展层40和p型电流扩展层90，n型电流扩展层40是由第一子层401和第二子层402交替生长而成的周期性结构，其中，n型电流扩展层40为掺杂Si的磷化铝镓铟层，另外，第一子层401中掺杂Si的浓度高于第二子层402中掺杂Si的浓度，具体的，由于电流扩展层等外延层的生长过程一般都是从衬底一侧向相对的另一侧逐渐生长，因此，可以控制n型电流扩展层40生长第一子层401的过程当中通入Si组分，在生长第二子层402时，减少Si组分的通入，继而制备得到第一子层401中掺杂Si的浓度高于第二子层402中掺杂Si的浓度的n型电流扩展层40。
进一步的，p型电流扩展层90由第三子层901和第四子层902交替生长而成的周期性结构，其中，p型电流扩展层90为掺杂Mg的磷化镓层，另外，第三子层901中掺杂Mg的浓度低于第四子层902中掺杂Mg的浓度，具体的，由于电流扩展层等外延层的生长过程一般都是从衬底一侧向相对的另一侧逐渐生长，因此，可以控制p型电流扩展层90生长第三子层901的过程当中通入Mg组分，在生长第四子层902时，增加Mg组分的通入，继而制备得到第三子层901中掺杂Mg的浓度低于第四子层902中掺杂Mg的浓度的p型电流扩展层90。
示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，n型电流扩展层40的厚度为3μm~6μm，例如为3μm、4μm、5μm等；p型电流扩展层90的厚度为4μm~8μm，例如为5μm、6μm、7μm等；腐蚀截止层20的厚度为0.2μm~1μm，例如为0.3μm、0.4μm、0.5μm等；第一欧姆接触层30的厚度为0.2μm~1μm，例如为0.3μm、0.4μm、0.5μm等；n型限制层50的厚度为0.3μm~1.5μm，例如为0.3μm、0.4μm、0.5μm等；多量子阱层60的厚度为50nm~80nm，例如为50nm、60nm、70nm等；p型限制层70的厚度为1μm~2μm，例如为1.2μm、1.3μm、1.4μm等；过渡层80的厚度为45nm~60nm，例如为45nm、50nm、55nm等；所述第二欧姆接触层100的厚度为90nm~150nm，例如为100nm、110nm、120nm等。
需要说明的是，n型电流扩展层40由3到10个周期交替生长的第一子层401和第二子层402组成，例如为9个，即第一子层401共生长9层，其中，第一子层401的厚度与第二子层402的厚度的比值范围为4:1~7:1，具体的，单层第二子层402的厚度为0.1μm~0.4μm，可以理解的，当单层第二子层402的厚度为0.2μm时，则单层第一子层401的厚度可以为0.8μm，那么，n型电流扩展层40可由3个周期交替生长的第一子层401和第二子层402组成；若单层第二子层402的厚度为0.2μm时，则单层第一子层401的厚度可以为1μm，那么，n型电流扩展层40交替生长第一子层401和第二子层402的周期不可超过5个。
p型电流扩展层90由8到15个周期交替生长的第三子层901和第四子层902组成，例如为12个，即第三子层901共生长12层，其中，第四子层902的厚度与第三子层901的厚度的比值范围为5:1~7:1，具体的，单层第三子层901的厚度为0.1μm~0.4μm，可以理解的，当单层第三子层901的厚度为0.1μm时，单层第四子层902的厚度可以为0.5μm，那么，p型电流扩展层90可由10个周期交替生长的第三子层901和第四子层902组成。
实施例二
请参阅图4，所示为本发明实施例二提出的一种LED外延片的外延生长方法，用于制备上述实施例一当中的LED外延片，所述方法具体包括步骤S201至步骤S210，其中：
步骤S201，提供一生长所需的衬底。
其中，衬底为砷化镓衬底，砷化镓衬底在目前红黄光LED生产中广泛使用，砷化镓衬底具有成熟的工艺制备条件，且具有很好的化学稳定性和热稳定性等优点。
步骤S202，生长腐蚀截止层，其生长厚度为0.2μm~1μm。
在本实施例当中，在砷化镓衬底上生长腐蚀截止层，该腐蚀截止层为磷化镓铟层，在生长过程中掺杂有Si，其中，生长温度为700℃~740℃，生长压力为50mbar。
步骤S203，生长第一欧姆接触层，其生长厚度为0.2μm~1μm。
需要说明的是，生长腐蚀截止层结束后，在腐蚀截止层上生长第一欧姆接触层，该第一欧姆接触层为砷化镓欧姆接触层，在生长过程中掺杂Si，其中，生长温度为700℃~740℃，生长压力为50mbar。
步骤S204，生长n型电流扩展层，其生长厚度为3μm~6μm。
其中，n型电流扩展层为磷化铝镓铟电流扩展层，在生长过程中掺杂Si，生长温度为720℃~760℃，生长压力为50mbar，其中，n型电流扩展层中包括依次周期层叠的第一子层和第二子层，可以理解的，第一子层生长在第一欧姆接触层上后，第二子层再生长在第一子层上，当第二子层生长结束后，再在第二子层上生长第一子层，以此类推。具体的，第一子层中掺杂Si的浓度为5E18atoms/cm3~2E19atoms/cm3，所述第二子层中掺杂Si的浓度为9E17atoms/cm3~5E18atoms/cm3，需要说明的是，第一子层中掺杂Si的浓度是第二子层中掺杂Si的浓度的3倍，即当第一子层中掺杂Si的浓度为6E18atoms/cm3时，第二子层中掺杂Si的浓度为2E18atoms/cm3。
步骤S205，生长n型限制层，其生长厚度为0.3μm~1.5μm。
需要说明的是，n型限制层为n型磷化铝铟限制层，在生长过程中掺杂Si，生长温度为700℃~740℃，生长压力为50mbar。
步骤S206，生长多量子阱层，其生长厚度为50nm~80nm。
其中，在生长多量子阱层的过程中无掺杂，其生长温度为700℃~740℃，生长压力为50mbar。
步骤S207，生长p型限制层，其厚度为1μm~2μm。
其中，p型限制层为p型磷化铝铟限制层，在生长过程中掺杂Mg，其生长温度为700℃~740℃，生长压力为50mbar。
步骤S208，生长过渡层，其厚度为45nm~60nm。
具体的，在p型磷化铝铟限制层上继续生长过渡层，利于形成较好的晶体结构，减少位错，提高晶体质量，其中，过渡层的生长温度为700℃~740℃，生长压力为50mbar，生长过程中掺杂镁。
步骤S209，生长p型电流扩展层，其厚度为4μm~8μm。
在本实施例当中，p型电流扩展层为磷化镓电流扩展层，在生长过程中掺杂Mg，生长温度为770℃~810℃，生长压力为50mbar，其中，p型电流扩展层中包括依次周期层叠的第三子层和第四子层，可以理解的，第三子层生长在过渡层上后，第四子层再生长在第三子层上，当第四子层生长结束后，再在第四子层上生长第三子层，以此类推。具体的，第三子层中掺杂Mg的浓度为5E17atoms/cm3~5E18atoms/cm3，所述第四子层中掺杂Mg的浓度为5E18atoms/cm3~4E19atoms/cm3，需要说明的是，第四子层中掺杂Mg的浓度是第三子层中掺杂Mg的浓度的3倍，即当第四子层中掺杂Mg的浓度为6E18atoms/cm3时，第三子层中掺杂Mg的浓度为2E18atoms/cm3。
步骤S210，生长第二欧姆接触层，其厚度为90nm~150nm。
具体的，第二欧姆接触层为磷化镓欧姆接触层，在生长过程中掺杂C，其生长温度为720℃~760℃，生长压力为50mbar。
此外，所述外延生长方法还包括：
生长n型电流扩展层时，控制第一子层和第二子层交替生长，其中，在生长第一子层时，控制Si组分的通入量为第一通入量，当生长第二子层时，控制Si组分的通入量由第一通入量减少至第二通入量，可以理解的，通过该方法可以制备得到Si浓度高、厚度大的第一子层和相对于第一子层来说Si浓度较低、厚度较小的第二子层，并由上述第一子层和第二子层周期性交替生长，得到n型电流扩展层，在本实施例当中，n型电流扩展层中第一子层和第二子层交替生长的周期为3到10个周期；
生长p型电流扩展层时，控制第三子层和第四子层交替生长，其中，在生长第三子层时，控制Mg组分的通入量为第三通入量，当生长第四子层时，控制Mg组分的通入量由第三通入量增加至第四通入量，可以理解的，通过该方法可以制备得到Mg浓度高、厚度大的第四子层和相对于第四子层来说Mg浓度较低、厚度较小的第三子层，并由上述第三子层和第四子层周期性交替生长，得到p型电流扩展层，在本实施例当中，p型电流扩展层中第三子层和第四子层交替生长的周期为8到15个周期。
综上，本发明实施例当中的LED外延片及其外延生长方法，通过在n型电流扩展层设置第一子层和第二子层，在p型电流扩展层设置第三子层和第四子层，其中，n型电流扩展层为掺杂Si的磷化铝镓铟层，p型电流扩展层为掺杂Mg的磷化镓层，由于n型电流扩展层是由第一子层和第二子层交替生长而成的周期性结构，且第一子层中掺杂Si的浓度高于第二子层中掺杂Si的浓度，又由于p型电流扩展层由第三子层和第四子层交替生长而成的周期性结构，且第三子层中掺杂Mg的浓度低于第四子层中掺杂Mg的浓度，在电流扩展层中采用这种高低掺杂浓度的方式，便于更精确的控制掺杂浓度，提高芯片的抗静电能力。
实施例三
本发明实施例三提供一种LED芯片，包括上述实施例一当中的LED外延片，所述LED外延片可由上述实施例二当中的LED外延片的外延生长方法外延生长得到。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种LED外延片，其特征在于，包括电流扩展层，所述电流扩展层包括n型电流扩展层和p型电流扩展层，所述n型电流扩展层是由第一子层和第二子层交替生长而成的周期性结构，所述p型电流扩展层由第三子层和第四子层交替生长而成的周期性结构；
其中，所述n型电流扩展层为掺杂Si的磷化铝镓铟层，所述p型电流扩展层为掺杂Mg的磷化镓层，所述第一子层中掺杂所述Si的浓度高于所述第二子层中掺杂所述Si的浓度，所述第三子层中掺杂所述Mg的浓度低于所述第四子层中掺杂所述Mg的浓度。
2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述LED外延片还包括衬底、腐蚀截止层、第一欧姆接触层、n型限制层、多量子阱层、p型限制层、过渡层以及第二欧姆接触层；
所述腐蚀截止层、所述第一欧姆接触层、所述n型电流扩展层、所述n型限制层、所述多量子阱层、所述p型限制层、所述过渡层、所述p型电流扩展层以及所述第二欧姆接触层依次外延生长在所述衬底上。
3.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述n型电流扩展层的厚度为3μm~6μm，所述p型电流扩展层的厚度为4μm~8μm。
4.根据权利要求2所述的LED外延片，其特征在于，所述腐蚀截止层的厚度为0.2μm~1μm，所述第一欧姆接触层的厚度为0.2μm~1μm，所述n型限制层的厚度为0.3μm~1.5μm，所述多量子阱层的厚度为50nm~80nm，所述p型限制层的厚度为1μm~2μm，所述过渡层的厚度为45nm~60nm，所述第二欧姆接触层的厚度为90nm~150nm。
5.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度与所述第二子层的厚度的比值范围为4:1~7:1，所述第四子层的厚度与所述第三子层的厚度的比值范围为5:1~7:1。
6.一种LED外延片的外延生长方法，其特征在于，用于制备权利要求1-5任一项所述的LED外延片，所述外延生长方法包括：
生长n型电流扩展层时，控制第一子层和第二子层交替生长，其中，在生长第一子层时，控制Si组分的通入量为第一通入量，当生长第二子层时，控制Si组分的通入量由所述第一通入量减少至第二通入量；
生长p型电流扩展层时，控制第三子层和第四子层交替生长，其中，在生长第三子层时，控制Mg组分的通入量为第三通入量，当生长第四子层时，控制Mg组分的通入量由所述第三通入量增加至第四通入量。
7.根据权利要求6所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述外延生长方法还包括：
提供一生长所需的衬底；
在所述衬底上依次外延生长腐蚀截止层、第一欧姆接触层、所述n型电流扩展层、n型限制层、多量子阱层、p型限制层、过渡层、所述p型电流扩展层以及第二欧姆接触层。
8.根据权利要求6所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述第一子层中掺杂Si的浓度为5E18atoms/cm3~2E19atoms/cm3，所述第二子层中掺杂Si的浓度为9E17atoms/cm3~5E18atoms/cm3，所述第三子层中掺杂Mg的浓度为9E17atoms/cm3~6E18atoms/cm3，所述第四子层中掺杂Mg的浓度为6E18atoms/cm3~6E19atoms/cm3。
9.根据权利要求6所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述n型电流扩展层和所述p型电流扩展层的生长压力为50mbar，所述n型电流扩展层的生长温度为720℃~760℃，所述p型电流扩展层的生长温度为770℃~810℃。
10.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的LED外延片。
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