CN115347093B - 一种led外延结构生长方法及该方法制备的芯片 - Google Patents
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Abstract
一种LED外延结构生长方法,在衬底表面依次层叠生长的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层、P型半导体层,所述低温多量子发光层的生长方法为:循环生长n个多量子阱发光层;n个多量子阱发光层包含n对多量子阱层和多量子垒层,且n个多量子阱层和多量子垒层的温度递减生长。本发明在生长低温多量子发光层时,设置依次生长多量子阱层的每个阱温依次递减0.5~1度,该阱温条件下生长的多量子阱层,会使靠前的阱能带高,靠后的能带低,从而后面的能隙较小,使得电子空穴更易复合;并且电子和空穴集中于最后3‑8个阱复合,可有效改善结晶质量,降低半波宽,提高芯片的发光纯度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明技术领域,具体涉及一种LED外延结构生长方法及该方法制备的芯片。
背景技术
氮化镓基在大功率高效率的发光二极管中由于其波长涉及蓝光、绿光备受瞩目。GaN基LED中的多量子阱(MQWs)结构是实现电-光转换的核心,其晶体质量直接决定了LED的光电性能,MQWs结构是指将两种禁带宽度不同的超薄半导体单晶材料交替生长。
通过调整In组分会使能带发生变化, 进而调控多量子阱的发光特性。目前GaN基发光二极管芯片结构为:蓝宝石图形化衬底,AlN/AlGaN缓冲层,非掺杂GaN层,掺Si的n型GaN层,FB层,多量子阱发光层包括高温MQW(后为 Q2层)、低温MQW (后为Q3层)和掺Mg的p型GaN层。主流Q3即发光阱层生长方法为同一温度下生长,如图1所示,使得多量子发光阱层在生长过程中会伴随较大缺陷产生,且能带变化也大,会影响外延片结晶质量和发光效率。
发明内容
针对上述的技术问题,本技术方案提供了一种LED外延结构生长方法及该方法制备的芯片,在生长低温多量子发光层时,设置生长多量子阱层的每个阱温依次递减0.5~1度,该阱温条件下生长的多量子阱层,会使靠前的阱能带高,靠后的能带低,则后面阱的能隙较小,从而使电子和空穴集中于最后3-8个阱复合;可有效改善结晶质量,降低半波宽,提高芯片的发光纯度。能有效的解决上述问题。
本发明通过以下技术方案实现:
一种LED外延结构生长方法,在衬底表面依次层叠生长的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层、P型半导体层,所述低温多量子发光层的生长方法为:循环生长n个多量子阱发光层;n个多量子阱发光层包含n对低温势阱层和低温势垒层,且n对低温势阱层和低温势垒层的生长温度递减。
进一步的,所述低温多量子发光层的生长方法包括步骤:在770~850℃下生长发光层,循环生长n对QW量子阱层和QB量子垒层,其中,在770~790℃下生长QW量子阱层,在825~860℃下生长QB量子垒层;在进行n次循环生长QW层和QB层时,每一次QW层和QB层的生长温度递减0.5~1.0℃。
进一步的,所述低温多量子发光层的生长方法包括具体步骤:
第一步:在HTQW层长完最后一个QB后,将温度降温至780~790℃,生长第一层LTQW;然后将温度升温至850~860℃,生长第一层LTQB;
第二步:生长第二层LTQW和LTQB,温度较上个生长LTQW和LTQB时降0.5~1.0度;具体的为:将温度约降温至779~789℃,生长第二层LTQW;然后将温度升温至849~859℃,生长第二层LTQB;
第三步:生长第三层LTQW和LTQB,温度较上个生长LTQW和LTQB时降0.5-1.0度;具体的为:将温度约降温至778~788℃,生长第三层LTQW;然后将温度升温至848~858℃,生长第三层LTQB;
第四步:重复第三步,直至第n对LTQW和LTQB循环,n的取值范围为8~15。
进一步的,所述每一层LTQW的生长时间为1~2min;每一层LTQB的生长时间为2~3min。
进一步的,所述的衬底采用表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底。
一种LED外延结构,由上述的一种LED外延结构生长方法制备得到,包括衬底,以及在衬底表面依次层叠设置的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层和P型半导体层,所述的低温多量子发光层包括层叠设置的多个低温势阱层和低温势垒层,其特征在于:每个所述低温势阱层中的In组分均不相同。
进一步的,所述低温势阱层中In组分由少渐增,能带由大变小。
进一步的,所述低温势阱层中靠近N型半导体层的能带高,靠近P型半导体层的能带低。
进一步的,所述的低温多量子发光层设置有8~15对势垒层和势阱层。
进一步的,所述的N型半导体层包括非掺杂GaN层和掺Si的GaN层。
有益效果
本发明提出的一种LED外延多量子阱结构生长方法及该方法制备的芯片,与现有技术相比较,其具有以下有益效果:
(1)本技术方案通过在生长低温多量子发光层时,设置依次生长多量子阱层的每个阱温依次递减0.5~1度,因在温度递减下,In应力得到更好释放,In组分由少渐增,当In渐增时应力得到释放结晶质量会有所改善。
(2)本技术方案通过在生长低温多量子发光层时,设置依次生长多量子阱层的每个阱温依次递减0.5~1度,该阱温条件下生长的多量子阱层,会使靠前的阱能带高,靠后的能带低,则后面阱的能隙较小,从而使电子和空穴集中于最后3-8个阱复合;可有效改善结晶质量,降低半波宽,提高芯片的发光纯度。
附图说明
图1是原有的低温多量子发光层的生长温度示意图。
图2是本发明中的低温多量子发光层的生长温度示意图。
图3是低温多量子发光层采用原方法生长和本发明中的方法生长后,低温多量子发光层的In组分对比示意图。
图4是低温多量子发光层采用原方法生长和本发明中的方法生长后,低温多量子发光层的能带对比图。
图5是本发明中实施例2的结构示意图。
附图中的标号:1-AlN蒸镀层、2-第一缓冲层、3-非掺杂GaN层、4-n型GaN层、5-第二缓冲层、6-高温量子阱层、7-低温多量子发光层、8-p型GaN层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下,本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进,均应落入到本发明的保护范围。
实施例1:
一种LED外延多量子发光阱结构生长方法,在衬底表面依次层叠生长的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层、P型半导体层;循环生长n个发光层;在循环生长n个发光层时,生长多量子阱层和量子垒层的温度递减。
具体的为:在表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底上依次生长AlN蒸镀层1、第一缓冲层2、非掺杂GaN层3、掺Si的n型GaN层4、第二缓冲层5、高温量子阱层6、低温多量子发光层7和掺Mg的p型GaN层8。所述低温多量子发光层7的生长方法为:所述低温多量子发光层7的生长方法包括步骤:在770~850℃下生长LTQW层,循环生长n个QW层和QB层,其中,在770~790℃下生长QW层,在825~860℃下生长QB层;在进行n次循环生长QW层和QB层时,每一次QW层和QB层的生长温度递减0.5~1.0℃;如图2所示。具体的操作步骤为:
S1:通过PVD方式在表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底上蒸镀,得到AlN层,作为基座。
S2:控制温度为600℃、压力为300torr下,生长厚度为20nm的第一缓冲层。
S3.高温低压条件下(控制温度为1100℃、压力为600torr),在生长好的第一缓冲层上生长3.5~4um的非掺杂uGaN层。
S4.掺杂nGaN层,高温低压条件下(恒温1100℃、控制压力为200torr),通入Si浓度2E19,进行外延生长约20~30min,得到厚度为1.5~2um的掺杂nGaN层。
S5.控制温度为800~900℃,压力为300torr,掺入Si浓度2E18,得到厚度为200~500nm的第二缓冲层(即为LTGaN层)。
S6.生长高温量子阱层:控制温度为800~820℃,压力为300torr下,生长QW层;调整温度为870~890℃,生长QB层,重复生长n对QB/QW循环,n>3。
S7.生长低温多量子发光层:所述低温多量子发光层的生长方法包括具体步骤:
第一步:在HTQW层长完最后一个QB后,将温度降温至780~790℃,生长第一层LTQW,生长时间为1~2min;然后将温度升温至850~860℃,生长第一层LTQB,生长时间为2~3min;
第二步:生长第二层LTQW和LTQB,温度较上个生长LTQW和LTQB时降0.5-1.5度;具体的为:
将温度约降温至779~789℃,生长第二层LTQW,生长时间为1~2min;然后将温度升温至849~859℃,生长第二层LTQB,生长时间为2~3min;
第三步:生长第三层LTQW和LTQB,温度较上个生长LTQW和LTQB时降0.5-1.5度;具体的为:
将温度约降温至778~788℃,生长第三层LTQW,生长时间为1~2min;然后将温度升温至848~858℃,生长第三层LTQB,生长时间为2~3min;
第四步:重复第三步,直至第n层LTQW和LTQB,n的取值范围为8~15。
S8.生长PGaN层:通入TMGa,控制温度为950℃、压力为200torr,在氮气和氢气的混合气氛中生长厚度为0.2um的PGaN层。
实施例2:
一种LED外延多量子阱结构生长方法制备的芯片,由实施例1所述的一种LED外延多量子阱结构生长方法制备得到,包括衬底,以及在衬底表面依次层叠设置的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层和P型半导体层。
如图5所示,本实施例的具体结构为:包括衬底,衬底为表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底;以及在蓝宝石衬底上依次生长的AlN蒸镀层1、第一缓冲层2、非掺杂GaN层3、掺Si的n型GaN层4、第二缓冲层5、高温量子阱层6、低温多量子发光层7和掺Mg的p型GaN层8;所述的低温多量子发光层7由多个层叠设置的QW/QB组成,新发光层设置有8~15对;n个新多量子阱的生长温度递减,每个递减的温度为0.5~1℃。如图2所示。
低温多量子发光层的In组分由少渐增。如图3所示。
低温多量子发光层的能带由大变小。如图4所示。
发明人将产用本发明的方法得到的LED芯片结构和采用原来的方法得到的LED芯片结构结构进行测试,测试得到的结果如表1所示:
备注 | PL量测_波长 | PL量测_HW | 芯片产品型号 | 亮度 | ESD_8K |
原结构 | 455 | 12.6 | BPA0F11C | 80 | 98.50% |
新结构 | 457 | 12.1 | BPA0F11C | 81.3 | 99.30% |
表1
通过表1的数据得到结论:本发明的方法得到的LED芯片结构,可以得到In组分由少渐增,能带由大变小的新的低温多量子发光层结构。在新的低温多量子发光层的结构下,并将低温多量子发光层中的In组分由少渐增,低温多量子发光层的能带由大变小,在有规律的变化下得到的低温多量子发光层结构,并由该结构得到的芯片,半波宽HW更小,亮度更高,ESD更强。
Claims (9)
1.一种LED外延结构生长方法,在衬底表面依次层叠生长的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层、P型半导体层,其特征在于:所述低温多量子发光层的生长方法为:循环生长n个多量子阱发光层;n个多量子阱发光层包含n对低温势阱层和低温势垒层,且n对低温势阱层和低温势垒层的生长温度递减;具体步骤包括:
第一步:在HTQW层长完最后一个QB后,将温度降温至780~790℃,生长第一层LTQW;然后将温度升温至850~860℃,生长第一层LTQB;
第二步:生长第二层LTQW和LTQB,温度较上个生长LTQW和LTQB时降0 .5~1 .0度;具体的为:将温度降温至779~789℃,生长第二层LTQW;然后将温度升温至849~859℃,生长第二层LTQB;
第三步:生长第三层LTQW和LTQB,温度较上个生长LTQW和LTQB时降0.5-1.0度;具体的为:将温度降温至778~788℃,生长第三层LTQW;然后将温度升温至848~858℃,生长第三层LTQB;
第四步:重复第三步,直至第n对LTQW和LTQB循环,n的取值范围为8~15。
2.根据权利要求1所述的一种LED外延结构生长方法,其特征在于:所述每一层LTQW的生长时间为1~2min;每一层LTQB的生长时间为2~3min。
3.根据权利要求1所述的一种LED外延结构生长方法,其特征在于:所述低温多量子发光层的生长方法包括步骤:在770~850℃下生长发光层,循环生长n对QW量子阱层和QB量子垒层,其中,在770~790℃下生长QW量子阱层,在825~860℃下生长QB量子垒层;在进行n次循环生长QW层和QB层时,每一次QW层和QB层的生长温度递减0.5~1.0℃。
4.根据权利要求1所述的一种LED外延结构生长方法,其特征在于:所述的衬底采用表面带有PSS微图形的蓝宝石衬底。
5.一种LED外延结构,由权利要求1-4任一项所述的一种LED外延结构生长方法制备得到,包括衬底,以及在衬底表面依次层叠设置的第一缓冲层、N型半导体层、第二缓冲层、高温量子阱层、低温多量子发光层和P型半导体层,所述的低温多量子发光层包括层叠设置的多个低温势阱层和低温势垒层,其特征在于:每个所述低温势阱层中的In组分均不相同。
6.根据权利要求5所述的一种LED外延结构,其特征在于:所述低温势阱层中In组分由少渐增,能带由大变小。
7.根据权利要求5所述的一种LED外延结构,其特征在于:所述低温势阱层中靠近N型半导体层的能带高,靠近P型半导体层的能带低。
8.根据权利要求5所述的一种LED外延结构,其特征在于:所述的低温多量子发光层设置有8~15对势垒层和势阱层。
9.根据权利要求5所述的一种LED外延结构,其特征在于:所述的N型半导体层包括非掺杂GaN层和掺Si的GaN层。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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