CN104037274B - 一种led发光层外延生长方法和结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种LED发光层新外延方法，适用波长外围360‑492nm(近紫外和蓝绿光)，能够改善大功率(大电流)下LED照明器件的发光效率。这种LED发光层的外延生长方法的特点是，在生长若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构的过程中，插入生长一层或者间隔插入生长多层掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层，这样可以有效地增加电子复合发光的几率。与通常只有一层电子阻挡层(量子阱生长结束后)相比，这种外延结构可以有效阻挡电子越过电子阻挡层进入p‑电极(正极)，发光效率会有明显的提高，LED亮度有较大提升。同时，可以减少器件发热，降低结温。
Description
技术领域：
本发明涉及一种LED发光层外延生长方法和结构。
背景技术：
随着科技进步和新型能源发展，固态LED照明将成为未来世界发光的趋势。LED由于具有节能、环保、安全、寿命长、低耗、低热等优点，现已广泛应用于交通指示灯、交通信号灯、景观装饰灯、显示屏、汽车尾灯、手机背光源等领域。
LED照明需要大功率或大电流注入LED。一般而言，LED光效随电流的增大而减小，其中一个原因是注入的部分电子直接穿过电子阻挡层到达正(P)电极，没有参与发光。
发明内容：
为了改善大功率(大电流)下LED照明器件的发光效率，本发明提出一种发光层新外延方法，适用波长外围360-492nm(近紫外和蓝绿光)。
本发明的技术方案如下：
一种LED发光层的外延生长方法，其特殊之处在于：在生长若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构的过程中，插入生长一层或者间隔插入生长多层掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层。
具体可采用以下两种优选方式，分别代表插入一层掺杂p型AlGaN和间隔插入多层掺杂p型AlGaN。
模式一：
1)生长3～7个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构；
2)生长一层掺杂p型AlGaN；
3)最后再生长1～5个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构，完成发光层的外延生长。
模式二：
1)生长2～4个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构；
2)生长一层掺杂p型AlGaN；
3)生长2～4个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构；
4)生长一层掺杂p型AlGaN；
5)最后再生长1～3个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构，完成发光层的外延生长。
对于第一种模式，较佳的具体生长工艺如下：
步骤1)的每个生长周期是在850℃生长一层12nm GaN(蓝光时)或AlGaN(紫光时)，然后在750℃生长一层3nm的InGaN；如此生长共5个周期的量子垒阱结构；
步骤2)是在950℃生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，厚度15-25nm；其中，x取0.08-0.12，y取0.88-0.92，w取0.18-0.22，z取0.78-0.82，x+y＝1，w+z＝1；
步骤3)与步骤1)的生长条件相同，共生长3个周期的量子垒阱结构。
相应的，基于本发明的方案制备得到的LED外延结构，包括依次生长的以下各层：
蓝宝石基底；
低温GaN层或低温AlN层；
高温GaN层或AlGaN层；
n型掺杂的GaN层或n型掺杂的AlGaN层；
量子阱结构有源区(发光层)，主体为若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构；
掺杂p型AlGaN电子阻挡层
掺杂p型GaN层；
其特殊之处在于：所述若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构内，插入生长一层或者间隔插入生长多层掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层。
以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。
这里，作为本领域的公知常识：如果采用GaN/InGaN量子垒阱结构作为发光层的主体，即对应于蓝光LED外延片，相应的，之前是在蓝宝石衬底上依次生长低温GaN层、高温GaN层、n型掺杂的GaN层。如果采用AlGaN/InGaN量子垒阱结构作为发光层的主体，即对应于紫光LED外延片，相应的，之前是在蓝宝石衬底上依次生长低温AlN层、AlGaN层、n型掺杂的AlGaN层。
上述量子阱结构有源区共生长8-9个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构较为适宜。
按照模式一，上述量子阱结构有源区的较佳结构参数为：
先5个周期的量子垒阱结构，其中每一周期由12nm GaN或AlGaN、3nmInGaN组成；
中间一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，厚度15-25nm；其中，x取0.08-0.12，y取0.88-0.92，w取0.18-0.22，z取0.78-0.82，x+y＝1，w+z＝1；
最后3个周期的量子垒阱结构，其中每一周期由12nm GaN或AlGaN、3nmInGaN组成。
本发明具有以下有益效果：
本发明在有源区(发光层)中间也插入一层电子阻挡层---掺杂p型AlGaN，可以有效地增加电子复合发光的几率。与通常只有一层电子阻挡层(量子阱生长结束后)相比，这种外延结构可以有效阻挡电子越过电子阻挡层进入p-电极(正极)，发光效率会有明显的提高，LED亮度有较大提升。同时，可以减少器件发热，降低结温。
附图说明：
图1为本发明LED的外延整体结构图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的描述。
本发明采用蓝宝石作为生长基底，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)硅烷(SiH4)和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源，铟源，铝源，和氮源,硅源,镁源，进行异质外延生长，运用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)技术来完成整个外延过程。在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN或AlN,接着高温生长一层不掺杂的GaN或AlGaN，然后生长一层n型掺杂的GaN或AlGaN。接着生长量子阱结构有源区(发光层---本发明的关键)：1.先生长3～8对GaN/InGaN或AlGaN/InGaN垒阱；2.其次生长一层电子阻挡层---掺杂p型AlGaN，3.最后再生长1～5对GaN/InGaN或AlGaN/InGaN垒阱，这样就完成了有源区(发光层)的生长。后面接着生长掺杂p型AlGaN电子阻挡层，接着生长一层掺杂p型GaN层。
在量子阱结构有源区中插入生长掺杂p型AlGaN时，也可以多次间隔插入。例如生长3个周期GaN/InGaN或AlGaN/InGaN垒阱后，第一次插入一层掺杂p型AlGaN，再生长3个周期GaN/InGaN或AlGaN/InGaN垒阱后，第二次插入一层掺杂p型AlGaN，最后再生长2个周期GaN/InGaN或AlGaN/InGaN垒阱。一般共生长5-12个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN垒阱，中间插入的掺杂p型AlGaN每层厚度以15-25nm为宜。
按照模式一，以蓝光LED外延为例，本发明LED外延整体的生长过程和结构示例如下：
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温到550℃生长一层厚度30nm的低温GaN层，生长压力为400torr。
3.升温到1020℃生长一层高温厚度3μm的未掺杂GaN层，生长压力为300torr。
4.在温度1030℃生长2μm高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr。
5.在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm GaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子垒阱结构,生长5个周期。
6.然后温度升至950℃，打开二茂镁(cp2mg)，生长一层掺杂P型Al0.1Ga0.9N，生长压力为150torr,厚度20nm。
7.接着重复第5步条件，再生长3个周期的量子垒阱。
8.长完后将温度升至950℃，生长一层掺杂镁的p型Al0.2Ga0.8N。生长压力为150torr,厚度20nm。
9.在900℃，200torr生长一层掺镁GaN层，厚度200nm。
10.在氮气氛围下，退火20分钟。
此生长过程结束，即制得整体的蓝光LED外延片。
按照模式一，以紫光LED外延为例，本发明LED外延整体的生长过程和结构示例如下：
1、将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2、降温到550℃生长一层厚度30nm的低温AlN层，生长压力为400torr。
3、升温到1020℃生长一层高温厚度3μm的未掺杂AlGaN层，生长压力为300torr。
4、在温度1030℃生长2μm高温掺杂SiH4的n型AlGaN层，压力200torr。
5、在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm AlGaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子垒阱结构,生长5个周期。
6、然后温度升至950℃，打开二茂镁(cp2mg)，生长一层掺杂P型Al0.2Ga0.8N，生长压力为150torr,厚度20nm。
7、接着重复第5步条件，再生长3个周期的量子垒阱。
8、长完后将温度升至950℃，生长一层掺杂镁的p型Al0.4Ga0.6N。生长压力为150torr,厚度20nm。
9、在900℃，200torr生长一层掺镁AlGaN层，厚度200nm。
10、在氮气氛围下，退火20分钟。
此生长过程结束，即制得整体的紫光LED外延片。
采用该LED外延片，发光效率有明显的提高，LED亮度有较大提升。
需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的优化选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
Claims (2)
1.一种LED发光层的外延生长方法，其特征在于：在生长若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构的过程中，插入生长一层或者间隔插入生长多层掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层；具体包括以下步骤：
1)生长5个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构；其中,每个生长周期是在850℃生长一层12nm GaN或AlGaN，然后在750℃生长一层3nm的InGaN；如此生长共5个周期的量子垒阱结构；
2)在950℃生长一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，厚度15-25nm；其中，x取0.08-0.12，y取0.88-0.92，w取0.18-0.22，z取0.78-0.82，x+y＝1，w+z＝1；
3)再生长3个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构，生长条件与步骤1)相同，完成发光层的外延生长。
2.一种LED外延结构，包括依次生长的以下各层：
蓝宝石基底；
低温GaN层或低温AlN层；
高温GaN层或AlGaN层；
n型掺杂的GaN层或n型掺杂的AlGaN层；
量子阱结构有源区，主体为若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构；
掺杂p型AlGaN电子阻挡层
掺杂p型GaN层；
其特征在于：
所述若干个周期的GaN/InGaN或AlGaN/InGaN量子垒阱结构内，插入生长一层或者间隔插入生长多层掺杂p型AlGaN，作为新增的电子阻挡层；
所述量子阱结构有源区具体包括依次生长的以下各层：
5个周期的量子垒阱结构，其中每一周期由12nm GaN或AlGaN、3nmInGaN组成；
一层掺杂P型AlxGayN或AlwGazN，厚度15-25nm；其中，x取0.08-0.12，y取0.88-0.92，w取0.18-0.22，z取0.78-0.82，x+y＝1，w+z＝1；
3个周期的量子垒阱结构，其中每一周期由12nm GaN或AlGaN、3nmInGaN组成。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170609 Termination date: 20200616 |
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