CN114497302A - 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外延片包括由第一折射率层和第二折射率层依次交替生长而成的布拉格反射镜层,第一折射率层为AlAs层,第二折射率层为AlGaAs层,且第一折射率层和第二折射率层皆掺杂Si,其中,第一折射率层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,第二折射率层包括依次层叠的第四子层、第五子层和第六子层,第二子层和第五子层中掺杂Si的浓度较高。本发明旨在解决现有技术中,由于掺杂浓度较高,AlAs/AlGaAs界面切换时,不利于形成陡峭的掺杂界面,导致布拉格反射镜层的反射率下降的问题。
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高亮度发光二极管已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。
传统的正装LED芯片需要生长一层布拉格反射镜层来对多量子阱层发出的光进一步进行反射,从而提高出光效率,其中,布拉格反射镜层的通常为低折射率的AlAs层与高折射率的AlGaAs层组成的混合层,且掺杂浓度较高。在布拉格反射镜层生长过程中,由于掺杂浓度较高,AlAs/AlGaAs界面切换时,不利于形成陡峭的掺杂界面,导致布拉格反射镜层的反射率下降。
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,在布拉格反射镜层生长过程中,由于掺杂浓度较高,AlAs/AlGaAs界面切换时,不利于形成陡峭的掺杂界面,导致布拉格反射镜层的反射率下降的问题。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片,包括包括布拉格反射镜层,所述布拉格反射镜层是由第一折射率层和第二折射率层依次交替生长而成的周期性结构,所述第一折射率层为AlAs层,所述第二折射率层为AlGaAs层,且所述第一折射率层和第二折射率层皆掺杂Si;
其中,所述第一折射率层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,所述第二折射率层包括依次层叠的第四子层、第五子层和第六子层,所述第二子层中掺杂Si的浓度大于所述第一子层和所述第三子层中掺杂Si的浓度,所述第五子层中掺杂Si的浓度大于所述第四子层和所述第六子层中掺杂Si的浓度,所述第一子层的厚度、所述第二子层的厚度以及所述第三子层的厚度的比值为1:4:1,所述第四子层的厚度、所述第五子层的厚度以及所述第六子层的厚度的比值为1:4:1。
优选地,所述LED外延片还包括衬底、缓冲层、n型AlInP限制层、多量子阱层、p型AlInP限制层、窗口层;
所述缓冲层、所述布拉格反射镜层、所述n型AlInP限制层、所述多量子阱层、所述p型AlInP限制层以及所述窗口层依次外延生长在所述衬底上。
优选地,所述第一子层和第三子层的厚度皆为70Å~100Å,第二子层的厚度为280Å~400Å。
优选地,所述第四子层和第六子层的厚度皆为70Å~100Å,第五子层的厚度为280Å~400Å。
优选地,所述缓冲层的厚度为100nm~500nm,所述n型AlInP限制层的厚度为300nm~400nm,所述多量子阱层的厚度为100nm~300nm,所述p型AlInP限制层的厚度为400nm~500nm,所述窗口层的厚度为3000nm~6000nm。
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:
生长布拉格反射镜层时,控制第一折射率层和第二折射率层交替生长;
在生长所述第一折射率层时,依次外延生长第一子层、第二子层和第三子层,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增长至第二通入量,当生长第三子层时,控制Si组分的通入量由所述第二通入量减少至所述第一通入量;
在生长所述第二折射率层时,依次外延生长第四子层、第五子层和第六子层,其中,在生长第四子层时,控制Si组分的通入量为第三通入量,当生长第五子层时,控制Si组分的通入量由所述第三通入量增长至第四通入量,当生长第三子层时,控制Si组分的通入量由所述第四通入量减少至所述第三通入量。
优选地,所述第一子层、所述第三子层、所述第四子层以及所述第六子层中掺杂Si的浓度为5E17atoms/cm3~1E18atoms/cm3,所述第二子层和所述第五子层中掺杂Si的浓度为2E18atoms/cm3~1E19atoms/cm3。
优选地,所述布拉格反射镜层的生长压力为50mbar,所述布拉格反射镜层的生长温度为650℃~700℃。
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:通过在布拉格反射镜层设置依次交替层叠的第一折射率层和第二折射率层,且第一折射率层为AlAs层,第二折射率层为AlGaAs层,其中,第一折射率层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,第二折射率层包括依次层叠的第四子层、第五子层和第六子层,且第二子层中掺杂Si的浓度比第一子层和第三子层中掺杂Si的浓度高,第五子层中掺杂Si的浓度比第四子层和第六子层中掺杂Si的浓度高,从而实现了AlAs层和AlGaAs层的Si掺杂渐变,更容易形成陡峭的掺杂界面,有效提升了布拉格反射镜层的反射率。
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布拉格反射镜层的结构示意图;
图3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和图2,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布拉格反射镜层的结构示意图,其中,LED外延片包括砷化镓衬底1、以及在砷化镓衬底1上依次外延生长的缓冲层2、布拉格反射镜层3、n型AlInP限制层4、多量子阱层5、p型AlInP限制层6以及窗口层7。
在本实施例当中,布拉格反射镜层3是由第一折射率层31和第二折射率层32依次交替生长而成的周期性结构,第一折射率层31为AlAs层,第二折射率层32为AlGaAs层,且第一折射率层31和第二折射率层32皆掺杂Si,需要说明的是,AlAs材料具有较低的折射率,AlGaAs材料具有较高的折射率,另外,第一折射率层31包括依次层叠的第一子层311、第二子层312和第三子层313,第二子层312中掺杂Si的浓度大于第一子层311和第三子层313中掺杂Si的浓度,具体的,由于布拉格反射镜层3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,可以控制第一折射率层31和第二折射率层32生长过程当中的通入Si组分。
在生长第一折射率层31中的第一子层311时,通入Si组分,当第一子层311生长结束后,在第一子层311上生长第二子层312上时,增加Si组分的通入,生长得到第二子层312,再在第二子层312上生长第三子层313时,减少Si组分的通入,继而制备得到第二子层312中掺杂Si浓度比第一子层311和第三子层313中掺杂Si浓度高的第一折射率层31。
可以理解的,在第一折射率层31上生长第二折射率层32时,生长第四子层321的过程中通入Si组分,当第四子层321生长结束后,在第四子层321上生长第五子层322上时,增加Si组分的通入,生长得到第五子层322,再在第五子层322上生长第六子层323时,减少Si组分的通入,继而制备得到第五子层322中掺杂Si浓度比第四子层321和第六子层323中掺杂Si浓度高的第二折射率层32。
示例而非限定,在本实施例一些较佳实施例当中,缓冲层2的厚度为100nm~500nm,例如为200nm、300nm、400nm等;n型AlInP限制层4的厚度为300nm~400nm,例如为320nm、340nm、360nm等;多量子阱层5的厚度为100nm~300nm,例如为150nm、200nm、250nm等;p型AlInP限制层6的厚度为400nm~500nm,例如为420nm、440nm、460nm等;窗口层7的厚度为3000nm~6000nm,例如为3500nm、4000nm、5000nm等;单个周期第一折射率层31的厚度为420Å~600Å,例如为420Å、450Å、500Å等;单个周期第二折射率层32的厚度为420Å~600Å,例如为420Å、450Å、500Å等。
在本实施例当中,布拉格反射镜层3由15到40个周期交替生长的第一折射率层31和第二折射率层32组成,例如为20个,即第一折射率层31共生长20层,其中,第一折射率层31中第一子层311的厚度、第二子层312的厚度以及第三子层313的厚度的比值为1:4:1,具体的,单层第一子层311和单层第三子层313的厚度为70Å~100Å,单层第二子层312的厚度为280Å ~400Å,可以理解的,第一子层311的厚度为70Å时,第二子层312的厚度为280Å,第三子层313的厚度为70Å。
进一步的,第二折射率层32中第四子层321的厚度、第五子层322的厚度以及第六子层323的厚度的比值为1:4:1,具体的,单层第四子层321和单层第六子层323的厚度为70Å~100Å,单层第五子层322的厚度为280Å~400Å,可以理解的,第四子层321的厚度为70Å时,第五子层322的厚度为280Å,第六子层323的厚度为70Å。
实施例二
请参阅图3,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S207,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,另外,砷化镓衬底与AlGaInP材料晶格系数匹配,可以生长出较好的外延层。
步骤S202,生长缓冲层。
在本实施例当中,在砷化镓衬底上生长缓冲层,该缓冲层为砷化镓层,生长温度为650℃~700℃,生长压力为50mbar,其生长厚度为100nm~500nm。
步骤S203,生长布拉格反射镜层。
需要说明的是,生长缓冲层结束后,在缓冲层上依次周期性的交替生长第一折射率层和第二折射率层,第一折射率层为AlAs层,第二折射率层为AlGaAs层,在生长过程中掺杂Si,其中,生长温度为650℃~700℃,生长压力为50mbar,第一折射率层和第二折射率层依次交替生长15个到40个周期。
步骤S204,生长n型AlInP限制层。
其中,n型AlInP限制层在生长过程中掺杂Si,生长温度为700℃~750℃,生长压力为50mbar,掺杂浓度为5E17atoms/cm3~1E19atoms/cm3,n型AlInP限制层生长的厚度为300nm~400nm。
步骤S205,生长多量子阱层。
需要说明的是,在生长多量子阱层的过程中无掺杂,多量子阱层包括交替层叠的GaInP层和AlGaInP层,其中,GaInP层为阱层,AlGaInP层为垒层,Al组分为60%~80%,生长温度为680℃~730℃,生长压力为50mbar,其厚度为100nm~300nm。
步骤S206,生长p型AlInP限制层。
其中,在生长p型AlInP限制层的过程中掺杂Mg,掺杂浓度为5E17atoms/cm3~1E19atoms/cm3,其生长温度为700℃~750℃,生长压力为50mbar,其厚度为400nm~500nm。
步骤S207,生长窗口层。
其中,窗口层为GaP窗口层,在生长过程中掺杂Mg,掺杂浓度为1E18atoms/cm3~3E18atoms/cm3,其生长温度750℃~830℃,生长压力为50mbar,其生长厚度为3000nm~6000nm。
此外,所述外延生长方法还包括:
在生长所述第一折射率层时,依次外延生长第一子层、第二子层和第三子层,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增长至第二通入量,当生长第三子层时,控制Si组分的通入量由所述第二通入量减少至所述第一通入量,可以理解的,通过该方法可以制备得到Si浓度高、厚度大的第二子层和相对于第二子层来说Si浓度较低、厚度较小的第一子层和第三子层。
在生长所述第二折射率层时,依次外延生长第四子层、第五子层和第六子层,其中,在生长第四子层时,控制Si组分的通入量为第三通入量,当生长第五子层时,控制Si组分的通入量由所述第三通入量增长至第四通入量,当生长第三子层时,控制Si组分的通入量由所述第四通入量减少至所述第三通入量,可以理解的,通过该方法可以制备得到Si浓度高、厚度大的第五子层和相对于第五子层来说Si浓度较低、厚度较小的第四子层和第六子层。
通过第一折射率层和第二折射率层周期性的依次交替生长,得到布拉格反射镜层,具体的,第一子层、第三子层、第四子层以及第六子层中掺杂Si的浓度为5E17atoms/cm3~1E18atoms/cm3,第二子层和第五子层中掺杂Si的浓度为2E18atoms/cm3~1E19atoms/cm3。
综上,本发明实施例当中的LED外延片及其外延生长方法,通过在布拉格反射镜层设置依次交替层叠的第一折射率层和第二折射率层,且第一折射率层为AlAs层,第二折射率层为AlGaAs层,其中,第一折射率层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,第二折射率层包括依次层叠的第四子层、第五子层和第六子层,且第二子层中掺杂Si的浓度比第一子层和第三子层中掺杂Si的浓度高,第五子层中掺杂Si的浓度比第四子层和第六子层中掺杂Si的浓度高,从而实现了AlAs层和AlGaAs层的Si掺杂渐变,更容易形成陡峭的掺杂界面,有效提升了布拉格反射镜层的反射率。
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 (9)
1.一种LED外延片,其特征在于,包括布拉格反射镜层,所述布拉格反射镜层是由第一折射率层和第二折射率层依次交替生长而成的周期性结构,所述第一折射率层为AlAs层,所述第二折射率层为AlGaAs层,且所述第一折射率层和第二折射率层皆掺杂Si;
其中,所述第一折射率层包括依次层叠的第一子层、第二子层和第三子层,所述第二折射率层包括依次层叠的第四子层、第五子层和第六子层,所述第二子层中掺杂Si的浓度大于所述第一子层和所述第三子层中掺杂Si的浓度,所述第五子层中掺杂Si的浓度大于所述第四子层和所述第六子层中掺杂Si的浓度,所述第一子层的厚度、所述第二子层的厚度以及所述第三子层的厚度的比值为1:4:1,所述第四子层的厚度、所述第五子层的厚度以及所述第六子层的厚度的比值为1:4:1。
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、缓冲层、n型AlInP限制层、多量子阱层、p型AlInP限制层、窗口层;
所述缓冲层、所述布拉格反射镜层、所述n型AlInP限制层、所述多量子阱层、所述p型AlInP限制层以及所述窗口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,所述第一子层和第三子层的厚度皆为70Å~100Å,第二子层的厚度为280Å ~400Å。
4.根据权利要求1所述的LED外延片,其特征在于,所述第四子层和第六子层的厚度皆为70Å~100Å,第五子层的厚度为280Å ~400Å。
5.根据权利要求2所述的LED外延片,其特征在于,所述缓冲层的厚度为100nm~500nm,所述n型AlInP限制层的厚度为300nm~400nm,所述多量子阱层的厚度为100nm~300nm,所述p型AlInP限制层的厚度为400nm~500nm,所述窗口层的厚度为3000nm~6000nm。
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:
生长布拉格反射镜层时,控制第一折射率层和第二折射率层交替生长;
在生长所述第一折射率层时,依次外延生长第一子层、第二子层和第三子层,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增长至第二通入量,当生长第三子层时,控制Si组分的通入量由所述第二通入量减少至所述第一通入量;
在生长所述第二折射率层时,依次外延生长第四子层、第五子层和第六子层,其中,在生长第四子层时,控制Si组分的通入量为第三通入量,当生长第五子层时,控制Si组分的通入量由所述第三通入量增长至第四通入量,当生长第三子层时,控制Si组分的通入量由所述第四通入量减少至所述第三通入量。
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,所述第一子层、所述第三子层、所述第四子层以及所述第六子层中掺杂Si的浓度为5E17atoms/cm3~1E18atoms/cm3,所述第二子层和所述第五子层中掺杂Si的浓度为2E18atoms/cm3~1E19atoms/cm3。
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,所述布拉格反射镜层的生长压力为50mbar,所述布拉格反射镜层的生长温度为650℃~700℃。
9.一种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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