CN105957935A - 一种led外延层及其生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LED外延层及其生长方法，包括由下至上依序设置的蓝宝石衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、AlGaN/GaN超晶格层、多量子阱发光层、P型AlGaN层以及P型GaN层，所述AlGaN/GaN超晶格层包括多个周期性交替生长的N型AlGaN层和N型GaN层，各单层的厚度为2.5～50nm，且N型AlGaN层和N型GaN层的单层厚度比为1:1～1:5，其总厚度为2～4um，Si掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3，Al掺杂浓度为1E17～1E19atom/cm3。本发明通过形成AlGaN/GaN异质结，有效提高LED芯片的发光功率，降低电压，改善其抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延结构制造领域，具体地，涉及一种可有效提高LED抗静电能力及提高光效的外延层及其生长方法。
背景技术
LED是一种应用广泛的固态半导体光源，因其具有体积小、功耗低、寿命长、环保且坚固耐用的优点受到人们的热捧，其市场规模也日益扩大。MOCVD，即气相外延生长技术，是目前常用的一种用于生长LED外延层的方法，在其生长过程中，由于衬底材料与GaN层间存在晶格失配的情况，容易在二者的交界面上出现刃型位错、螺旋位错等问题，这些位错会随着GaN层的生长不断延伸，对晶体排序造成严重破坏，并导致在此基础上生长的其他晶格层的质量下降。
同时，由于GaN晶体中掺杂的Si会导致电离杂质散射的增多，影响到电子迁移率，使GaN晶体的电流扩展效果不好，既导致LED的工作电压较高，也容易出现局部电流密度过高的情况，加大了反向漏电的几率从而加速器件的老化，还增大了器件被电流击穿的几率，使得器件的抗静电能力大大减弱。另外，LED发光层内的位错现象还会产生空穴和电子的非发光辐射，造成光输出功率的损失和发光效率不稳定。
发明内容
为了克服传统LED外延层中存在的器件反向漏电、抗静电能力差、发光效率损失的技术问题，本发明提供一种可有效提高LED抗静电能力和发光效率的外延层及其生长方法。
一种LED外延层，包括由下至上依序设置的蓝宝石衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、AlGaN/GaN超晶格层、多量子阱发光层、P型AlGaN层以及P型GaN层，其中，所述AlGaN/GaN超晶格层包括多个周期性交替生长的N型AlGaN层和N型GaN层，且任选N型AlGaN层或N型GaN层紧邻所述不掺杂GaN层，所述AlGaN/GaN超晶格层中各单层的厚度为2.5～50nm，且N型AlGaN层和N型GaN层的单层厚度比为1:1～1:5，所述N型GaN层和N型AlGaN层中Si的掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3，所述N型AlGaN层中Al的掺杂浓度为1E17～1E19atom/cm3。
优选地，在所述LED外延层中，所述N型AlGaN层中Al的掺杂浓度为1E17～1E18atom/cm3。
优选地，在所述LED外延层中，所述AlGaN/GaN超晶格层中的总周期数为20～200个，其总厚度为2～4um。
优选地，在所述LED外延层中，所述P型AlGaN层中Mg的掺杂浓度为3E18～6E18atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3；所述P型GaN层中Mg的掺杂浓度为1E19～3E19atom/cm3。
一种LED外延层的生长方法，依次包括高温处理蓝宝石衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长N型的AlGaN/GaN超晶格层、生长多量子阱发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层以及退火降温的步骤，其中生长AlGaN/GaN超晶格层的具体步骤如下：
A、在1030～1080℃、200～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，生长一层厚度为2.5nm～50nm的N型AlGaN层，其中Si的掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E17～1E19atom/cm3；
B、保持温度、压力和气氛不变，继续生长一层厚度为2.5nm～50nm的N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3；
C、重复上述步骤，周期性交替生长出厚度为2～4um的AlGaN/GaN超晶格层，其总周期数为20-200个，且N型AlGaN层和N型GaN层的单层厚度比为1:1～1:5，所述步骤A、B的顺序可以调换。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述N型AlGaN层中Al的掺杂浓度为1E17～1E18atom/cm3。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述高温处理蓝宝石衬底的步骤为：在1000～1020℃、100～150mbar压力、H2气氛的反应室内，热处理蓝宝石衬底5～10分钟。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述生长低温缓冲GaN层的步骤为：在520～550℃、500～1000mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在蓝宝石衬底上生长厚度为20～30nm的低温缓冲GaN层。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述生长不掺杂GaN层的步骤为：在1030～1080℃、200～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在低温缓冲GaN层上生长厚度为2～4um的不掺杂GaN层。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述生长多量子阱发光层的步骤为：在730～780℃、200～500mbar压力、N2气氛的反应室内，在N型的AlGaN/GaN超晶格层上周期性交替生长InxGa(1-x)N阱层和GaN磊层，其总周期数为6～15，总厚度为120～300nm；其中，GaN磊层的厚度为10～15nm，InxGa(1-x)N阱层的厚度为2～4nm，In的掺杂浓度1E20～3E20atom/cm3，且x＝0.20～0.23。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述生长P型AlGaN层的步骤为：在850～950℃、100～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在多量子阱发光层上生长厚度为20～100nm的掺杂Al和Mg的P型AlGaN层，其中Mg的掺杂浓度为3E18～6E18atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述生长P型GaN层的步骤为：在900～950℃、100～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在P型AlGaN层上生长厚度为50～200nm的掺杂Mg的P型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1E19～3E19atom/cm3。
优选地，在所述LED外延层的生长方法中，所述退火降温的步骤为：在750～800℃、500～800mbar压力、N2气氛的反应室内，将制得的LED外延层在炉内退火25～30min后降温冷却。
在所述AlGaN/GaN超晶格层中，N型AlGaN层的总层数和N型GaN层的总层数均为20～200，且二者的层数差为0或1。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明采用AlGaN/GaN超晶格层取代了传统的N型GaN层，完全阻断了GaN层内位错的延伸和生长，降低了位错密度，使整个外延层的晶体质量得到改善，提高了LED器件的材料性能。
2、本发明通过形成多个AlGaN/GaN异质结，具有一定的导带不连续性及较强的极化效应，对载流子在竖直方向上的运动产生一定的限制作用，并在交界面处产生出较高浓度的二维电子气，降低了由于掺Si所引入的电离杂质散射，从而提高了电流在水平方向上的扩展能力，既避免因电流密度过高造成的器件损伤，同时大大改善了LED的抗静电能力，降低了其工作电压，提高了光效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是现有技术的LED外延层的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的LED外延层的结构示意图；
图3是图1所示优选实施例与对比实施例的亮度对比示意图；
图4是图1所示优选实施例与对比实施例的工作电压对比示意图；
图5是图1所示优选实施例与对比实施例的ESD良率(即抗静电能力)对比示意图；
图中：1蓝宝石衬底，2低温缓冲GaN层，3不掺杂GaN层，4AlGaN/GaN超晶格层，41N型AlGaN层，42N型GaN层，5多量子阱发光层，6P型AlGaN层，7P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，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
对比实施例
运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片，同样采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，衬底为(0001)面蓝宝石。该外延层的结构参见图1，其具体的生长方式如下：
1、首先将反应室内升温至1020℃左右，H2气氛下，压力控制在150mbar左右，高温处理蓝宝石衬底1，时长约5分钟；
2、然后降温至540℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在600mbar左右，在蓝宝石衬底1上生长厚度为25nm左右的低温缓冲GaN层2；
3、然后升温至1050℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在200mbar左右，持续生长3um左右的不掺杂GaN层3；
4、保持温度和气氛不变，压力控制在300mbar左右，接着生长3um左右的持续掺杂硅的N型GaN层42，Si的掺杂浓度：5E18～9E18atom/cm3；
5、然后降温至780℃左右，N2气氛下，压力控制在300mbar左右，周期性生长由3.5nm左右的InyGa(1-y)N阱层和13.0nm左右的GaN磊组成的多量子阱发光层，其周期数为15个，总厚度为250nm左右，其中：y＝0.20～0.23，In的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3；
6、然后升温至900℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在200mbar左右，持续生长40nm左右的掺Al和Mg的P型AlGaN层，Mg的掺杂浓度为1E19～2E19atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E21～3E21atom/cm3；
7、然后升温至950℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在200mbar左右，生长150nm左右掺Mg的高温P型GaN层，Mg的掺杂浓度为3E18～5E18atom/cm3；
8、最后降温至780℃左右，N2气氛下，压力控制在600mbar左右，炉内退火30min后炉内降温冷却，得到样品1。
优选实施例
运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片，采用高纯H2或高纯N2或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，衬底为(0001)面蓝宝石。该外延层的结构参见图2，其具体的生长方式如下：
1、首先将反应室内温度升温至1020℃左右，H2气氛下，压力控制在150mbar左右，热处理蓝宝石衬底1，时间约为5分钟；
2、接着将温度降至540℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在600mbar左右，在蓝宝石衬底上生长厚度为25nm左右的低温缓冲GaN层2；
3、然后将温度升至1050℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在200mbar左右，在低温缓冲GaN层2上持续生长3um左右的不掺杂GaN层3；
4、保持温度和气氛不变，压力控制在300mbar左右，在不掺杂GaN层3上周期性交替生长出AlGaN/GaN超晶格层4，其中N型AlGaN层41的单层厚度为20nm，N型GaN层42的单层厚度为30nm，所述AlGaN/GaN超晶格层4的总周期数为60个，总厚度为3um左右，且持续掺杂的Si的浓度为8E18～2E19atom/cm3，在N型AlGaN层41中Al的掺杂浓度为1E17～1E18atom/cm3；
5、接着将温度降至780℃左右，N2气氛下，压力控制在300mbar左右，在AlGaN/GaN超晶格层4上周期性生长由3.5nm左右的InxGa(1-x)N阱层和13.0nm左右的GaN磊层组成的多量子阱发光层5，其总周期数为15个，且总厚度为250nm左右；其中，x＝0.20～0.23，In的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3；
6、然后将温度升至900℃左右，H2和N2混合气氛下，压力控制在200mbar左右，在多量子阱发光层5上生长厚度为40nm左右的掺杂Al和Mg的P型AlGaN层6，其中Mg的掺杂浓度为3E18～6E18atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3；
7、然后将温度升至950℃左右，H2和N2混合气氛下，保持压力不变，在P型AlGaN层6上生长厚度为150nm左右的掺杂Mg的P型GaN层7，其中Mg的掺杂浓度为1E19～3E19atom/cm3；
8、最后将温度降至780℃左右，N2气氛下，压力控制在600mbar左右，将制得的LED外延层在炉内退火30min后降温冷却，得到样品2。
在相同的前工艺条件下，将样品1和样品2各镀上1000埃的ITO层、500埃的Cr/Pt/Au电极、以及200埃的SiO2保护层，然后在相同的条件下将两个样品分别研磨并切割成762μm*762μm(30mi*30mil)的芯片颗粒，然后进行性能测试。在相同位置处各自挑选150颗样品1晶粒和样品2晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。
采用积分球在驱动电流350mA的条件下测试样品1和样品2的光电性能，所得的数据参见图3、图4和图5。
图3为样品1和样品2的亮度对比示意图，由图可知，样品1的亮度在495～505mw之间，而样品2的亮度在525～535mw之间，明显优于样品1；即在相同的生长条件下，本发明提供的LED外延层结构有效地阻断了位错在晶体内部的延伸，减少了因非发光辐射带来的能量损失，较之传统的LED外延层结构具有更高的发光功率。
图4为样品1和样品2的工作电压对比示意图，由图可知，样品1在350mA下的工作电压在3.4V左右，而样品2的工作电压在3.3V以下；即在相同的生长条件下，本发明提供的LED外延层结构比传统的LED外延层结构具有更好电流扩展能力，起到降低工作电压的作用。
图5是样品1和样品2的ESD良率对比示意图，由图可知，随着脉冲电压的增加，样品1的ESD良率从97％下降至20％，而样品2的ESD良率从98％下降至85％，整体降幅明显减小，质量优于样品1；即在相同的生长条件下，本发明提供的LED外延层结构比传统的LED外延层结构具有更好的抗静电能力，大大减少了器件被电流击穿的几率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种LED外延层，其特征在于，包括由下至上依序设置的蓝宝石衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、AlGaN/GaN超晶格层、多量子阱发光层、P型AlGaN层以及P型GaN层，其中，所述AlGaN/GaN超晶格层包括多个周期性交替生长的N型AlGaN层和N型GaN层，且任选N型AlGaN层或N型GaN层紧邻所述不掺杂GaN层，所述AlGaN/GaN超晶格层中各单层的厚度为2.5～50nm，且N型AlGaN层和N型GaN层的单层厚度比为1:1～1:5，所述N型GaN层和N型AlGaN层中Si的掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3，所述N型AlGaN层中Al的掺杂浓度为1E17～1E19atom/cm3。
2.根据权利要求1所述的LED外延层，其特征在于，所述N型AlGaN层中Al的掺杂浓度为1E17～1E18atom/cm3。
3.根据权利要求2所述的LED外延层，其特征在于，所述AlGaN/GaN超晶格层中的总周期数为20～200个，其总厚度为2～4um。
4.根据权利要求3所述的LED外延层，其特征在于，所述P型AlGaN层中Mg的掺杂浓度为3E18～6E18atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3；所述P型GaN层中Mg的掺杂浓度为1E19～3E19atom/cm3。
5.一种LED外延层的生长方法，其特征在于，依次包括高温处理蓝宝石衬底、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长N型的AlGaN/GaN超晶格层、生长多量子阱发光层、生长P型AlGaN层、生长P型GaN层以及退火降温的步骤，其中生长AlGaN/GaN超晶格层的具体步骤如下：
A、在1030～1080℃、200～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，生长一层厚度为2.5nm～50nm的N型AlGaN层，其中Si的掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E17～1E19atom/cm3；
B、保持温度、压力和气氛不变，继续生长一层厚度为2.5nm～50nm的N型GaN层，其中Si的掺杂浓度为8E18～2E19atom/cm3；
C、重复上述步骤，周期性交替生长出厚度为2～4um的AlGaN/GaN超晶格层，其总周期数为20-200个，且N型AlGaN层和N型GaN层的单层厚度比为1:1～1:5，所述步骤A、B的顺序可以调换。
6.根据权利要求5所述的LED外延层的生长方法，其特征在于，所述N型AlGaN层中Al的掺杂浓度为1E17～1E18atom/cm3。
7.根据权利要求6所述的LED外延层的生长方法，其特征在于，所述高温处理蓝宝石衬底的步骤为：在1000～1020℃、100～150mbar压力、H2气氛的反应室内，热处理蓝宝石衬底5～10分钟；
所述生长低温缓冲GaN层的步骤为：在520～550℃、500～1000mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在蓝宝石衬底上生长厚度为20～30nm的低温缓冲GaN层；
所述生长不掺杂GaN层的步骤为：在1030～1080℃、200～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在低温缓冲GaN层上生长厚度为2～4um的不掺杂GaN层。
8.根据权利要求7所述的LED外延层的生长方法，其特征在于，所述生长多量子阱发光层的步骤为：在730～780℃、200～500mbar压力、N2气氛的反应室内，在N型的AlGaN/GaN超晶格层上周期性交替生长InxGa(1-x)N阱层和GaN磊层，其总周期数为6～15，总厚度为120～300nm；其中，GaN磊层的厚度为10～15nm，InxGa(1-x)N阱层的厚度为2～4nm，In的掺杂浓度1E20～3E20atom/cm3，且x＝0.20～0.23。
9.根据权利要求8所述的LED外延层的生长方法，其特征在于，所述生长P型AlGaN层的步骤为：在850～950℃、100～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在多量子阱发光层上生长厚度为20～100nm的掺杂Al和Mg的P型AlGaN层，其中Mg的掺杂浓度为3E18～6E18atom/cm3，Al的掺杂浓度为1E20～3E20atom/cm3；
所述生长P型GaN层的步骤为：在900～950℃、100～300mbar压力、H2和N2混合气氛的反应室内，在P型AlGaN层上生长厚度为50～200nm的掺杂Mg的P型GaN层，其中Mg的掺杂浓度为1E19～3E19atom/cm3。
10.根据权利要求9所述的LED外延层的生长方法，其特征在于，所述退火降温的步骤为：在750～800℃、500～800mbar压力、N2气氛的反应室内，将制得的LED外延层在炉内退火25～30min后降温冷却。
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