一種高亮度青光led外延結構及生長工藝的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于：LED外延結構下向上的順序依次包括：藍寶石襯底、非摻雜GaN層、N型GaN層、GaN應力釋放復合層、多量子阱有源發光層、低溫P型GaN層、勢壘阻擋AlGaN層、高溫P型GaN層，生長GaN應力釋放復合層：GaN應力釋放復合層包括VPU層、VPN層，VPN層GaN膜厚度30?50nm，利用TEGa提供Ga源，Si摻雜濃度2*1017cm?3?5*1017cm?3，SiH4提供Si摻雜；生長多量子阱有源發光層：采取了窄阱寬壘設計，壓力在200?250Torr之間阱壘厚度在1:5?1:8之間；量子阱發光層由8?15個周期的InGaN/GaN1/GaN2阱壘結構組成；本發明可以生長出高亮度的青光LED外延片。
【專利說明】
一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝
技術領域
[0001 ]本發明涉及GaN基LED外延材料制備技術領域，具體為一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝。
【背景技術】
[0002]半導體發光二極管(light-emiss1n d1des,LED)因其具有節能、環保、低碳、綠色健康等顯著優勢。在照明領域，LED照明產品滲透率在2015年已經達到31%，并且根據國家有關規劃，到“十三五”末，80 %的照明領域要采用LED照明。目前發白色光的LED燈珠普遍采用發藍色光(450-460nm)的LED芯片激發黃色YAG熒光粉方式封裝制作而成。這種白光LED燈珠所發出的白色光光譜是不連續的，其發光光譜在500nm附近存在光譜空缺，因此這種白光燈珠發出的白色光的品質不高，其顯色指數也很難提升；另外因其藍光芯片的藍光成份在白色光譜中占比較多，導致這種白光燈珠存在藍光污染的問題。為了提高白光LED燈珠的光品質，提高其所發白光的顯色性，減少藍光污染，一種簡單的途徑是使用490-500nm的青光燈珠填補由藍光LED+YAG熒光粉做成的白光LED的光譜空缺，形成光譜比較飽滿的白光光源。
[0003]目前，關于青光LED外延及芯片的報道很少，青光是指發光光譜在490-500nm的光，其波長介于目前主流藍光(450nm)和綠光(520nm)LED之間。因此青光LED外延片的結構和生長工藝既類似藍、綠光LED外延片的結構和生長方法，又因其特殊的發光波段需要特殊的工藝手段來提高其發光亮度和效率。
【發明內容】
[0004]本發明所解決的技術問題在于提供一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，以解決上述【背景技術】中的問題。
[0005]本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，LED外延結構下向上的順序依次包括:藍寶石襯底、非摻雜GaN層、N型GaN層、GaN應力釋放復合層、多量子阱有源發光層、低溫P型GaN層、勢皇阻擋AlGaN層、高溫P型GaN層，其生長工藝包括以下步驟:
[0006]步驟一，藍寶石表面清潔:藍寶石襯底，在氫氣氣氛里進行退火，清潔藍寶石襯底表面，溫度控制在1050-1100°C之間，然后進行氫化處理3-5min;
[0007]步驟二，生長非摻雜GaN層；
[0008]步驟三，生長N型GaN層；
[0009]步驟四，生長GaN應力釋放復合層:GaN應力釋放復合層包括VPU層、VPN層，生長溫度控制在780-880°C之間，V/ΙΠ摩爾比在1600-2000之間，生長壓力在300-350Torr之間；其中VPU層的GaN膜厚度300-350nm，非故意摻雜，生長速率1.0-1.5um/hr，利用TMGa提供Ga源；VPN 層 GaN 膜厚度 30-50nm，利用 TEGa 提供 Ga 源，Si 摻雜濃度 2*1017cm—3-5*1017cm—3，SiH4 提供Si摻雜；
[0010]步驟五，生長多量子阱有源發光層:采取了窄阱寬皇設計，生長壓力在200-250Torr之間阱皇厚度在1:5-1:8之間；量子阱發光層由8-15個周期的11^~6&附/^吧阱皇結構組成，其中阱層InxGa1-XN厚度2-4nm，其中1 = 0.2-0.5，生長溫度720-760°(:;量子皇層由薄皇層和厚皇層組成，薄皇層GaNl厚度l-2nm，生長溫度720-760°C，厚皇層GaN2厚度15-20nm，生長溫度800-860°C，厚皇層生長過程通入10-20升H2進行界面處理；
[0011]步驟六，生長低溫P型GaN層；
[0012]步驟七，生長勢皇阻擋AlGaN層；
[0013]步驟八，生長高溫P型GaN層，以上外延層生長結束后，將反應室壓力降到lOOTorr，溫度降至750-800°C，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結束生長。
[0014]所述步驟二非摻雜GaN層生長厚度在3-3.5um之間，生長溫度控制在1080-1120°C之間，生長壓力在150-250Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在100-200之間，利用TMGa作為Ga源。
[0015]所述步驟三N型GaN層厚度為2-3.5um之間，生長溫度在1080-1100°C之間，生長在150-250Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在100-180之間，Si摻雜濃度在5*1018-l*1019cm—3之間，利用TMGa提供Ga源，SiH4提供Si摻雜。
[0016]所述步驟六中低溫P型GaN層生長溫度控制在720_760°C之間，壓力在150-200Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在200-300之間，生長厚度控制在50-80nm之間，Mg摻雜濃度在117-1018cm—3之間，利用TMGa提供Ga源。
[0017]所述步驟七中勢皇阻擋AlGaN層生長溫度控制在950-1000°C之間，生長壓力在100-150Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在80-120之間，厚度在25_35nm之間，AlyGai—yN層中y在0.2-0.3之間，利用TMGa提供Ga源，TMAl提供Al源。
[0018]所述步驟八中高溫P型GaN層生長溫度控制在950-1000°C之間，壓力在450-500Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在200-300之間，ρ-GaN層生長厚度控制在50_100nm之間，Mg摻雜濃度在117-1O18Cnf3之間，利用TMGa提供Ga源，Cp2Mg提供Mg源。
[0019]與已公開技術相比，本發明存在以下優點:本發明可以生長出高亮度的青光LED外延片。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明的LED外延結構示意圖。
[0021]圖2為本發明的芯片波長/工作電流關系圖。
[0022]圖3為本發明的芯片亮度/工作電流關系圖。
[0023]圖4為本發明的芯片工作電壓/工作電流關系圖。
[0024]圖5為本發明的芯片功率效率/工作電流密度關系圖。
[0025]圖中:1-藍寶石襯底、2-非摻雜GaN層，3_N型GaN層，4_GaN應力釋放復合層，5_多量子阱有源發光層，6-低溫P型GaN層、7-勢皇阻擋AlGaN層，8-高溫P型GaN層。
【具體實施方式】
[0026]為了使本發明的技術手段、創作特征、工作流程、使用方法達成目的與功效易于明白了解，下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，LED外延結構下向上的順序依次包括:藍寶石襯底、非摻雜GaN層、N型GaN層、GaN應力釋放復合層、多量子阱有源發光層、低溫P型GaN層、勢皇阻擋AlGaN層、高溫P型GaN層，其生長工藝包括以下步驟:
[0029]步驟一，藍寶石表面清潔:藍寶石襯底，在氫氣氣氛里進行退火，清潔藍寶石襯底表面，溫度控制在1050-1100°C之間，然后進行氫化處理3-5min;
[0030]步驟二，生長非摻雜GaN層:非摻雜GaN層生長厚度在3-3.5um之間，生長溫度控制在1080-1120°C之間，生長壓力在150-250Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在100-200之間，利用TMGa作為Ga源；
[0031 ] 步驟三，生長N型GaN層:N型GaN層厚度為2-3.5um之間，生長溫度在1080-1100°(:之間，生長在150-250Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在100-180之間，Si摻雜濃度在5*1018-l*1019cnf3之間，利用TMGa提供Ga源，SiH4提供Si摻雜；
[0032]步驟四，生長GaN應力釋放復合層:GaN應力釋放復合層包括VPU層、VPN層，生長溫度控制在780-880°C之間，V/ΙΠ摩爾比在1600-2000之間，壓力在300-350Torr之間；其中VPU層的GaN膜厚度300-350nm，非故意摻雜，生長速率1.0-1.5um/hr，利用TMGa提供Ga源；VPN 層 GaN 膜厚度 30-50nm，利用 TEGa 提供 Ga 源，Si 摻雜濃度 2*1017cm—3-5*1017cm—3，SiH4 提供Si慘雜；
[0033]步驟五，生長多量子阱有源發光層:采取了窄阱寬皇設計，壓力在200-250TOrr之間阱皇厚度在1: 5 -1:8之間；量子阱發光層由8 -15個周期的I nGaN/GaN I /GaN2阱皇結構組成，其中阱層InxGa1-XN厚度2-4nm，其中1 = 0.2-0.5，生長溫度720-760°(:;量子皇層由薄皇層和厚皇層組成，薄皇層GaNl厚度l-2nm，生長溫度720-760°C，厚皇層GaN2厚度15-20nm，生長溫度800-860°C，厚皇層生長過程通入10-20升出進行界面處理；
[0034]步驟六，生長低溫P型GaN層；低溫P型GaN層生長溫度控制在720_760°C之間，壓力在150-200Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在200-300之間，生長厚度控制在50_80nm之間，Mg摻雜濃度在117-1O18Cnf3之間，利用TMGa提供Ga源;
[0035]步驟七，生長勢皇阻擋AlGaN層；勢皇阻擋AlGaN層生長溫度控制在950-1000 °C之間，生長壓力在100-150Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在80_120之間，厚度在25_35nm之間，AlyGapyN層中y在0.2-0.3之間，利用TMGa提供Ga源，TMAl提供Al源；
[0036]步驟八，生長高溫P型GaN層，高溫P型GaN層生長溫度控制在950-1000°C之間，壓力在450-500Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在200-300之間，ρ-GaN層生長厚度控制在50_100nm之間，Mg摻雜濃度在117-1O18Cnf3之間，利用TMGa提供Ga源，Cp2Mg提供Mg源；以上外延層生長結束后，將反應室壓力降到10Torr，溫度降至750-800°C，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-lOmin，然后降至室溫，結束生長。
[0037]本發明生長出的外延片加工成28mil*28mil尺寸芯片后使用透明膠封裝成2835貼片燈珠;3顆封裝燈珠樣品經過了第三方(國家半導體器件質量監督檢驗中心W2016-0306)測試認證，結果如下:圖2是波長/工作電流關系圖，在工作電流為90mA時三顆燈珠波長分別為489nm、490nm、491nm;圖3為亮度/工作電流關系圖，在工作電流為90mA時三顆燈珠的發光亮度分別為98.41111、99.11111、100.41111;圖4三個樣品的工作電壓/工作電流關系圖，在工作電流90mA時三顆燈珠的測試電壓分別為2.70V、2.70V、2.71V;圖5為推算的功率效率/工作電流密度關系圖，在電流密度為2 O A / c m2時三顆燈珠的功率效率分別為4 0.5 %、4 0.6 %、41.3%。
[0038]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明的要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【主權項】
1.一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于:LED外延結構下向上的順序依次包括:藍寶石襯底、非摻雜GaN層、N型GaN層、GaN應力釋放復合層、多量子阱有源發光層、低溫P型GaN層、勢皇阻擋AlGaN層、高溫P型GaN層，其生長工藝包括以下步驟: 步驟一，藍寶石表面清潔:藍寶石襯底，在氫氣氣氛里進行退火，清潔藍寶石襯底表面，溫度控制在1050-1100°C之間，然后進行氫化處理3-5min; 步驟二，生長非摻雜GaN層； 步驟三，生長N型GaN層； 步驟四，生長GaN應力釋放復合層:GaN應力釋放復合層包括VPU層、VPN層，生長溫度控制在780-880°C之間，V/m摩爾比在1600-2000之間，壓力在300-350Torr之間；其中VPU層的GaN膜厚度300-350nm，非故意摻雜，生長速率1.0-1.5um/hr，利用TMGa提供Ga源;VPN層GaN 膜厚度 30-50nm，利用TEGa 提供 Ga 源，Si 摻雜濃度 2*1017cm—3-5*1017cm—3，SiH4 提供Si 摻雜; 步驟五，生長多量子阱有源發光層:采取了窄阱寬皇設計，壓力在200-250Torr之間阱皇厚度在1:5-1:8之間；量子阱發光層由8-15個周期的InGaN/GaNl/GaN2阱皇結構組成，其中阱層InxGapxN厚度2-4nm，其中x = 0.2-0.5，生長溫度720-760°C ;量子皇層由薄皇層和厚皇層組成，薄皇層GaNl厚度l-2nm，生長溫度720-760°C，厚皇層GaN2厚度15-20nm，生長溫度800-860°C，厚皇層生長過程通入10-20升H2進行界面處理； 步驟六，生長低溫P型GaN層； 步驟七，生長勢皇阻擋AlGaN層； 步驟八，生長高溫P型GaN層，以上外延層生長結束后，將反應室壓力降到10Torr，溫度降至750-800°C，采用純氮氣氛圍進行退火處理5-10min，然后降至室溫，結束生長。2.根據權利要求1所述的一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于:所述步驟二非摻雜GaN層生長厚度在3-3.5um之間，生長溫度控制在1080-1120°C之間，生長壓力在150-250Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在100-200之間，利用TMGa作為Ga源。3.根據權利要求1所述的一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于:所述步驟三N型GaN層厚度為2-3.5um之間，生長溫度在1080-1100°C之間，生長在150_250Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在100-180之間，Si摻雜濃度在5*1018-l*1019cm—3之間，利用TMGa提供Ga源，SiH4提供Si摻雜。4.根據權利要求1所述的一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于:所述步驟六中低溫P型GaN層生長溫度控制在720-760°C之間，壓力在150-200Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在200-300之間，生長厚度控制在50-80nm之間，Mg摻雜濃度在1017-1018cm—3之間，利用TMGa提供Ga源。5.根據權利要求1所述的一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于:所述步驟七中勢皇阻擋AlGaN層生長溫度控制在950-1000°C之間，生長壓力在100-150Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在80-120之間，厚度在25-35nm之間，AlyGaryN層中y在0.2-0.3之間，利用TMGa提供Ga源，TMAl提供Al源。6.根據權利要求1所述的一種高亮度青光LED外延結構及生長工藝，其特征在于:所述步驟八中高溫P型GaN層生長溫度控制在950-1000°C之間，壓力在450-500Torr之間，V/ΙΠ摩爾比在200-300之間，p-GaN層生長厚度控制在50-100nm之間，Mg摻雜濃度在117-1O18Cnf3 之間，利用TMGa提供Ga源，Cp2Mg提供Mg源。
【文檔編號】H01L33/32GK105845792SQ201610418150
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】唐軍, 程斌, 潘堯波
【申請人】合肥彩虹藍光科技有限公司