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CN108258087A - 高效节能led制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高效节能LED制备工艺，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底上的缓冲层、N型GaN层、发光层、P型GaN层；所述发光层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，所述周期性层叠的量子阱层、量子垒层至少其中之一为高压量子阱层、低压量子垒层，形成所述高压量子阱层的压力高于形成所述低压量子垒层的压力。本发明通过高压将铟掺入氮化镓中，避免了通过降低生长温度来提高铟的掺入量，可实现在更高的温度下沉积量子阱层，得到的量子阱层结晶质量更好；同时成本低廉，易于实现。

Description

高效节能LED制备工艺
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种高效节能LED制备工艺。
背景技术
LED(LightingEmittingDiode)照明即发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿色的光，在此基础上，利用三基色原理，添加荧光粉，可以发出任意颜色的光。利用LED作为光源制造出来的照明器具就是LED灯具。
LED制程分为外延、芯片前段、芯片后端、封装等环节，外延通过金属有机化学气相沉积工艺在蓝宝石衬底上依次沉积缓冲层、N型GaN层、发光层、P型GaN层得到外延结构，然后经芯片前段、后端制程得到不同版型的芯片，最后经封装制成不同照明器具。
外延作为整个制程最初一环对照明器具的发光效率有着决定性的影响。在外界电流作用下，N型GaN层产生的电子与P型GaN层产生的空穴在发光层中复合发光，因而发光层结构又对外延有着重要的影响。发光层一般由周期性层叠的量子阱层和量子垒层构成，量子阱层通过在氮化镓层中掺铟形成铟镓氮，量子垒层为氮化镓层，由于过高的温度使铟难以掺入进氮化镓，一般形成量子阱层的温度低于形成量子垒层的温度，温差大约在60～160℃。
申请号为CN201710388641.2公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，通过将石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱层和量子垒层之间，利用石墨烯薄膜层防止量子阱层中的铟原子扩散到量子垒层中，提高量子阱层中铟的有效掺杂，避免铟由于量子阱层的生长温度较高而析出，从而可以采用较高的温度生长量子阱层，提高量子阱层的生长质量，改善界面极化，提高发光二极管的发光效率。但是现有阶段石墨烯薄膜层制备成本高昂、工艺繁杂，不能实现商业化生产，同时设置石墨烯薄膜层容易引起碳玷污等其他问题，需要寻求其他替代手段来提高LED发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效节能LED制备工艺，能够在低成本的前提下采用高温生长量子阱层。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种高效节能LED制备工艺，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底上的缓冲层、N型GaN层、发光层、P型GaN层；所述发光层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，所述周期性层叠的量子阱层、量子垒层至少其中之一为高压量子阱层、低压量子垒层，形成所述高压量子阱层的压力高于形成所述低压量子垒层的压力。
可选的，形成所述高压量子阱层的温度等于形成所述低压量子垒层的温度。
可选的，所述高压量子阱层与所述低压量子垒层为相邻的量子阱层与量子垒层。
可选的，所述高压量子阱层与所述低压量子垒层距离所述P型GaN层的距离小于距离所述N型GaN层的距离。
可选的，所述高压量子阱层与所述低压量子垒层之间至少其中之一设置氮化铟层。
可选的，所述氮化铟层与所述低压量子垒层之间设置铝镓氮层。
可选的，形成所述氮化铟层的压力、温度与形成所述高压量子阱层的压力、温度相等，形成所述铝镓氮层的压力、温度与形成所述低压量子垒层的压力、温度相等。
可选的，形成所述高压量子阱层的压力为400～600Torr，形成所述低压量子垒层为的压力为100～300Torr。
可选的，形成所述高压量子阱层的温度为700～1000℃，形成所述低压量子垒层为的温度为700～1000℃。
可选的，形成所述高压量子阱层的压力、温度分别为450Torr、850℃，形成所述低压量子垒层的压力、温度分别为450Torr、850℃。
本发明的有益效果是：通过将高压量子阱层形成时的压力高于低压量子垒层形成时的压力，利用高压将铟掺入氮化镓中，避免了通过降低生长温度来提高铟的掺入量，可实现在更高的温度下沉积量子阱层，得到的量子阱层结晶质量更好；在较高的温度下生长量子阱层，缩小了与量子垒层生长温度的温差，更小的温差一方面可实现从生长量子阱层到生长量子垒层的快速切换，缩短整个制程周期，另一方面可有效的降低在生长量子阱层、量子垒层时因温度波动造成的外延翘曲；经重复实验验证，在高压下将铟掺入氮化镓中，得到的量子阱层中铟组分含量更为稳定、均匀，使得波长更易可控、均匀性更好；与设置石墨烯层相比，大大降低了生产成本和工艺复杂度，也不存在碳玷污问题。
附图说明
图1为现有技术LED结构示意图；
图2为现有技术形成量子阱层和量子垒层时的压力、温度图；
图3为本发明提供的LED制备工艺方法流程图；
图4-图7分别为本发明提供的制备工艺中几种不同实施方式形成量子阱层和量子垒层时的压力、温度图；
图8、图9本发明提供的制备工艺中另外两种LED结构示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明提供的一种高效节能LED制备工艺进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
现有技术中，LED结构如图1所示，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底1上的缓冲层2、N型GaN层3、发光层4、P型GaN层5；发光层4包括周期性层叠的量子阱层41和量子垒层42，形成量子阱层41和量子垒层42时的压力、温度如图2所示(图中坐标系内位于上方的水平实线代表压力，位于下方的水平虚线代表温度，后续相应图中表述一致，不再赘述)，现有技术中，在形成量子阱层41和量子垒层42时压力相等，形成量子阱层41的温度比形成量子垒层42的温度低(温差约60～160℃)以便于铟掺入到量子阱层41中。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种高效节能LED制备工艺，如图3、图1所示，包括以下步骤：
步骤S1、提供一衬底1；
步骤S2、在所述衬底1上沉积缓冲层2；
步骤S3、在所述缓冲层2上沉积N型GaN层3；
步骤S4、在所述N型GaN层3上沉积发光层4；
步骤S5、在所述发光层4上沉积P型GaN层5；
其中，所述发光层4包括周期性层叠的量子阱层41和量子垒层42，所述周期性层叠的量子阱层41、量子垒层42至少其中之一为高压量子阱层41H、低压量子垒层42L，形成所述高压量子阱层41H时的压力高于形成所述低压量子垒层42L时的压力，如图4所示。
本发明中形成高压量子阱层时的压力大于形成量子阱层时的压力，形成低压量子垒层时的压力等于或小于形成量子垒层时的压力(图4、图5所示)，通过将高压量子阱层形成时的压力设置成高于低压量子垒层形成时的压力，利用高压将铟掺入氮化镓中，避免了通过降低生长温度来提高铟的掺入量，可实现在更高的温度下沉积量子阱层，得到的量子阱层结晶质量更好；在较高的温度下生长量子阱层，缩小了与量子垒层生长温度的温差，更小的温差一方面可实现从生长量子阱层到生长量子垒层的快速切换，缩短整个制程周期，另一方面可有效的降低在生长量子阱层、量子垒层时因温度波动造成的外延翘曲；经重复实验验证，在高压下将铟掺入氮化镓中，得到的量子阱层中铟组分含量更为稳定、均匀，使得波长更易可控、均匀性更好；与设置石墨烯层相比，大大降低了生产成本和工艺复杂度，也不存在碳玷污问题。
本实施例中，如图6所示，优选形成所述高压量子阱层41H时的温度等于形成所述低压量子垒层42L时的温度，高压量子阱层41H与低压量子垒层42L为相邻的量子阱层与量子垒层。将形成高压量子阱层41H时的温度设置成等于形成所述低压量子垒层42L时的温度，可以将形成高压量子阱层41H和低压量子垒层42L的温差减为零，实现连续的沉积，大大缩短制程周期和因温差产生的翘曲。
本实施例中，所述高压量子阱层41H与所述低压量子垒层42L距离所述P型GaN层5的距离小于距离所述N型GaN层3的距离。N型GaN层3产生的电子迁移率高于P型GaN层5产生的空穴迁移率，电子与空穴在发光层4中复合发光主要集中在靠近P型GaN层5一侧，将高压量子阱层41H与低压量子垒层42L设置在靠近P型GaN层5一侧有利于提高发光效率。
在另一实施例中，如图7所示，量子阱层41、量子垒层42均为高压量子阱层41H、低压量子垒层42L。
在另一实施例中，如图8所示，所述高压量子阱层41H与所述低压量子垒层42L之间至少其中之一设置氮化铟层41a，形成所述氮化铟层41a的压力、温度优选与形成所述高压量子阱层41H的压力、温度相等。设置氮化铟层41a可以减少高压量子阱层41H与低压量子垒层42L接触界面产生的界面能，减少位错、缺陷密度。
在另一实施例中，如图9所示，所述氮化铟层41a与所述低压量子垒层42L之间设置铝镓氮层42a，形成所述铝镓氮层42a的压力、温度优选与形成所述低压量子垒层42L的压力、温度相等。设置铝镓氮层42a可以降低电子在发光层4中的迁移率，防止电子向P型GaN层5溢出，进而提高发光效率。
实施例二
以下进一步详述本发明提供的高效节能LED制备工艺，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
如图3所示，首先，进行步骤S1，提供一衬底1。所述衬底1的材料可以为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
然后，进行步骤S2，在所述衬底1上沉积缓冲层2。所述缓冲层2的材料为GaN、AlN或AlGaN，形成所述缓冲层2的压力为300～600Torr，温度为450℃～650℃，厚度为15nm～50nm。
接着，进行步骤S3，在所述缓冲层2上沉积N型GaN层3。形成所述N型GaN层3的压力为100～300Torr，温度为700℃～1200℃，厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层3的硅掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
实际生产中，在所述缓冲层2和所述N型GaN层3之间会沉积未掺杂GaN层。形成所述未掺杂GaN层的压力为100～600Torr，温度为900℃～1200℃，厚度为1.5um～4.5um。
接着，进行步骤S4，在所述N型GaN层3上沉积发光层4。所述发光层4包括在所述N型GaN层3上依次层叠的量子阱层41和量子垒层42。所述周期性层叠的量子阱层41、量子垒层42至少其中之一为高压量子阱层41H、低压量子垒层42L，形成所述高压量子阱层41H时的压力高于形成所述低压量子垒层42L时的压力。
形成所述量子阱层41和量子垒层42的压力为200～300Torr，温度为700℃～1000℃。
在一实施例中，形成所述高压量子阱层41H的压力为400～600Torr，形成所述低压量子垒层42L的压力为100～300Torr。形成所述高压量子阱层41H、低压量子垒层42L的温度均为700℃～1000℃。
较佳的，形成所述高压量子阱层41H的压力、温度分别为450Torr、850℃，形成所述低压量子垒层42L的压力、温度分别为450Torr、850℃。
较佳的，所述发光层4由5～18组周期层叠的量子阱层41和量子垒层42组成。所述量子阱层41厚度为2.0nm～4.0nm，所述量子垒层42厚度为3.0nm～12.0nm。
较佳的，所述高压量子阱层41H与所述低压量子垒层42L之间至少其中之一设置氮化铟层41a。形成所述氮化铟层41a的压力、温度与形成所述高压量子阱层41H的压力、温度相等。
较佳的，所述氮化铟层41a与所述低压量子垒层42L之间设置铝镓氮层42a，形成所述铝镓氮层42a的压力、温度与形成所述低压量子垒层42L的压力、温度相等。
最后，进行步骤S5，在所述发光层4上沉积P型GaN层5。形成所述P型GaN层5的压力为100～300Torr，温度为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～500nm，所述P型GaN层5的镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
在实际生产中，在所述发光层4和P型GaN层5之间会形成依次层叠的未掺杂AlGaN层、低温P型GaN层和P型电子阻挡层。较佳的，所述未掺杂AlGaN层的Al组分在2％～20％之间，生长厚度为20nm～35nm。所述低温P型GaN层的生长厚度为10nm～100nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3，其生长温度低于所述型P型GaN层的生长温度。所述P型电子阻挡层为P型AlGaN、P型InAlGaN或P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述P型电子阻挡层的生长厚度为30nm～80nm，镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
综上，通过将高压量子阱层形成时的压力高于低压量子垒层形成时的压力，利用高压将铟掺入氮化镓中，避免了通过降低生长温度来提高铟的掺入量，可实现在更高的温度下沉积量子阱层，得到的量子阱层结晶质量更好；在较高的温度下生长量子阱层，缩小了与量子垒层生长温度的温差，更小的温差一方面可实现从生长量子阱层到生长量子垒层的快速切换，缩短整个制程周期，另一方面可有效的降低在生长量子阱层、量子垒层时因温度波动造成的外延翘曲；经重复实验验证，在高压下将铟掺入氮化镓中，得到的量子阱层中铟组分含量更为稳定、均匀，使得波长更易可控、均匀性更好；与设置石墨烯层相比，大大降低了生产成本和工艺复杂度，也不存在碳玷污问题。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高效节能LED制备工艺，其特征在于，包括通过金属有机化学气相沉积工艺依次沉积在衬底上的缓冲层、N型GaN层、发光层、P型GaN层；所述发光层包括周期性层叠的量子阱层和量子垒层，所述周期性层叠的量子阱层、量子垒层至少其中之一为高压量子阱层、低压量子垒层，形成所述高压量子阱层的压力高于形成所述低压量子垒层的压力。
2.如权利要求1所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，形成所述高压量子阱层的温度等于形成所述低压量子垒层的温度。
3.如权利要求1或2所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，所述高压量子阱层与所述低压量子垒层为相邻的量子阱层与量子垒层。
4.如权利要求3所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，所述高压量子阱层与所述低压量子垒层距离所述P型GaN层的距离小于距离所述N型GaN层的距离。
5.如权利要求3所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，所述高压量子阱层与所述低压量子垒层之间至少其中之一设置氮化铟层。
6.如权利要求5所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，所述氮化铟层与所述低压量子垒层之间设置铝镓氮层。
7.如权利要求6所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，形成所述氮化铟层的压力、温度与形成所述高压量子阱层的压力、温度相等，形成所述铝镓氮层的压力、温度与形成所述低压量子垒层的压力、温度相等。
8.如权利要求1所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，形成所述高压量子阱层的压力为400～600Torr，形成所述低压量子垒层为的压力为100～300Torr。
9.如权利要求8所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，形成所述高压量子阱层的温度为700～1000℃，形成所述低压量子垒层为的温度为700～1000℃。
10.如权利要求9所述的高效节能LED制备工艺，其特征在于，形成所述高压量子阱层的压力、温度分别为450Torr、850℃，形成所述低压量子垒层的压力、温度分别为450Torr、850℃。
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