一種led外延層及其生長方法
【專利摘要】本發明提供一種LED外延層及其生長方法，包括由下至上依序設置的藍寶石襯底、低溫緩沖GaN層、不摻雜GaN層、AlGaN/GaN超晶格層、多量子阱發光層、P型AlGaN層以及P型GaN層，所述AlGaN/GaN超晶格層包括多個周期性交替生長的N型AlGaN層和N型GaN層，各單層的厚度為2.5～50nm，且N型AlGaN層和N型GaN層的單層厚度比為1:1～1:5，其總厚度為2～4um，Si摻雜濃度為8E18～2E19atom/cm3，Al摻雜濃度為1E17～1E19atom/cm3。本發明通過形成AlGaN/GaN異質結，有效提高LED芯片的發光功率，降低電壓，改善其抗靜電能力。
【專利說明】
一種LED外延層及其生長方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及LED外延結構制造領域，具體地，涉及一種可有效提高LED抗靜電能力及提高光效的外延層及其生長方法。
【背景技術】
[0002]LED是一種應用廣泛的固態半導體光源，因其具有體積小、功耗低、壽命長、環保且堅固耐用的優點受到人們的熱捧，其市場規模也日益擴大。M0CVD，即氣相外延生長技術，是目前常用的一種用于生長LED外延層的方法，在其生長過程中，由于襯底材料與GaN層間存在晶格失配的情況，容易在二者的交界面上出現刃型位錯、螺旋位錯等問題，這些位錯會隨著GaN層的生長不斷延伸，對晶體排序造成嚴重破壞，并導致在此基礎上生長的其他晶格層的質量下降。
[0003]同時，由于GaN晶體中摻雜的Si會導致電離雜質散射的增多，影響到電子迀移率，使GaN晶體的電流擴展效果不好，既導致LED的工作電壓較高，也容易出現局部電流密度過高的情況，加大了反向漏電的幾率從而加速器件的老化，還增大了器件被電流擊穿的幾率，使得器件的抗靜電能力大大減弱。另外，LED發光層內的位錯現象還會產生空穴和電子的非發光輻射，造成光輸出功率的損失和發光效率不穩定。
【發明內容】
[0004]為了克服傳統LED外延層中存在的器件反向漏電、抗靜電能力差、發光效率損失的技術問題，本發明提供一種可有效提高LED抗靜電能力和發光效率的外延層及其生長方法。
[0005]—種LED外延層，包括由下至上依序設置的藍寶石襯底、低溫緩沖GaN層、不摻雜GaN層、AlGaN/GaN超晶格層、多量子阱發光層、P型AlGaN層以及P型GaN層，其中，所述AlGaN/GaN超晶格層包括多個周期性交替生長的N型AlGaN層和N型GaN層，且任選N型AlGaN層或N型GaN層緊鄰所述不摻雜GaN層，所述AlGaN/GaN超晶格層中各單層的厚度為2.5?50nm，且N型AlGaN層和N型GaN層的單層厚度比為1:1?1: 5，所述N型GaN層和N型AlGaN層中Si的摻雜濃度為8E18?2E19atom/cm3，所述N型AlGaN層中Al的慘雜濃度為1E17?lE19atom/ cm3。
[0006]優選地，在所述LED外延層中，所述N型AlGaN層中Al的摻雜濃度為IEl 7?lE18atom/cm3。
[0007]優選地，在所述LED外延層中，所述AlGaN/GaN超晶格層中的總周期數為20?200個，其總厚度為2?4um。
[0008]優選地，在所述LED外延層中，所述P型AlGaN層中Mg的摻雜濃度為3E18?6E18atom/cm3，A1的摻雜濃度為1E20?3E20atom/cm3;所述P型GaN層中Mg的摻雜濃度為1E19?3E19atom/cm3。
[0009]—種LED外延層的生長方法，依次包括高溫處理藍寶石襯底、生長低溫緩沖GaN層、生長不摻雜GaN層、生長N型的AlGaN/GaN超晶格層、生長多量子阱發光層、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層以及退火降溫的步驟，其中生長AlGaN/GaN超晶格層的具體步驟如下:
[0010]A、在1030?1080°C、200?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，生長一層厚度為2.5nm?50nm的N型AlGaN層，其中Si的慘雜濃度為8E18?2E19atom/cm3，Al的慘雜濃度為1E17?lE19atom/cm3 ；
[0011 ] B、保持溫度、壓力和氣氛不變，繼續生長一層厚度為2.5nm?50nm的N型GaN層，其中Si的摻雜濃度為8E18?2E19atom/cm3;
[0012]C、重復上述步驟，周期性交替生長出厚度為2?4um的AlGaN/GaN超晶格層，其總周期數為20-200個，且N型AlGaN層和N型GaN層的單層厚度比為1:1?1:5，所述步驟A、B的順序可以調換。
[0013]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述N型AlGaN層中Al的摻雜濃度為1E17?lE18atom/cm3。
[0014]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述高溫處理藍寶石襯底的步驟為:在1000?1020°C、100?150mbar壓力、H2氣氛的反應室內，熱處理藍寶石襯底5?10分鐘。
[0015]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述生長低溫緩沖GaN層的步驟為:在520?550°C、500?100mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在藍寶石襯底上生長厚度為20?30nm的低溫緩沖GaN層。
[0016]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述生長不摻雜GaN層的步驟為:在1030?1080°C、200?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在低溫緩沖GaN層上生長厚度為2?4um的不摻雜GaN層。
[0017]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述生長多量子阱發光層的步驟為:在730?780°C、200?500mbar壓力、N2氣氛的反應室內，在N型的AlGaN/GaN超晶格層上周期性交替生長InxGa(1—X)N阱層和GaN磊層，其總周期數為6?15，總厚度為120?300nm;其中，GaN嘉層的厚度為10?15nm，InxGa(i—X)N講層的厚度為2?4nm，In的摻雜濃度1E20?3E20atom/cm3，且 x = 0.20 ?0.23。
[0018]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述生長P型AlGaN層的步驟為:在850?950°C、100?300mbar壓力、出和他混合氣氛的反應室內，在多量子阱發光層上生長厚度為20?10nm的慘雜Al和Mg的P型AlGaN層，其中Mg的慘雜濃度為3E18?6E18atom/cm3，Al的慘雜濃度為 1E20 ?3E20atom/cm3o
[0019]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述生長P型GaN層的步驟為:在900?9500C、100?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在P型AlGaN層上生長厚度為50?200nm的摻雜Mg的P型GaN層，其中Mg的摻雜濃度為1E19?3E19atom/cm3。
[0020]優選地，在所述LED外延層的生長方法中，所述退火降溫的步驟為:在750?800°C、500?800mbar壓力、N2氣氛的反應室內，將制得的LED外延層在爐內退火25?30min后降溫冷卻。
[0021 ] 在所述AlGaN/GaN超晶格層中，P^^AlGaN層的總層數和N型GaN層的總層數均為20?200，且二者的層數差為O或I。
[0022]本發明提供的技術方案具有如下有益效果:
[0023]1、本發明采用AlGaN/GaN超晶格層取代了傳統的N型GaN層，完全阻斷了 GaN層內位錯的延伸和生長，降低了位錯密度，使整個外延層的晶體質量得到改善，提高了 LED器件的材料性能。
[0024]2、本發明通過形成多個AlGaN/GaN異質結，具有一定的導帶不連續性及較強的極化效應，對載流子在豎直方向上的運動產生一定的限制作用，并在交界面處產生出較高濃度的二維電子氣，降低了由于摻Si所引入的電離雜質散射，從而提高了電流在水平方向上的擴展能力，既避免因電流密度過高造成的器件損傷，同時大大改善了LED的抗靜電能力，降低了其工作電壓，提高了光效。
【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中:
[0026]圖1是現有技術的LED外延層的結構示意圖；
[0027]圖2是本發明優選實施例的LED外延層的結構示意圖；
[0028]圖3是圖1所示優選實施例與對比實施例的亮度對比示意圖；
[0029]圖4是圖1所示優選實施例與對比實施例的工作電壓對比示意圖；
[0030]圖5是圖1所示優選實施例與對比實施例的ESD良率(即抗靜電能力)對比示意圖；[0031 ] 圖中:I藍寶石襯底，2低溫緩沖GaN層，3不摻雜GaN層，4AlGaN/GaN超晶格層，41N型AlGaN層，42N型GaN層，5多量子阱發光層，6P型AlGaN層，7P型GaN層。
【具體實施方式】
[0032]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，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它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0033]對比實施例
[0034]運用MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片，同樣采用高純H2或高純N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為咐原，三甲基鎵(TMGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，硅烷(SiH4)作為N型摻雜劑，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，二茂鎂(CP2Mg)作為P型摻雜劑，襯底為(0001)面藍寶石。該外延層的結構參見圖1，其具體的生長方式如下:
[0035]1、首先將反應室內升溫至1020°C左右，H2氣氛下，壓力控制在150mbar左右，高溫處理藍寶石襯底I，時長約5分鐘；
[0036]2、然后降溫至540 °C左右，出和吣混合氣氛下，壓力控制在600mbar左右，在藍寶石襯底I上生長厚度為25nm左右的低溫緩沖GaN層2;
[0037]3、然后升溫至1050°C左右，出和吣混合氣氛下，壓力控制在200mbar左右，持續生長3um左右的不摻雜GaN層3;
[0038]4、保持溫度和氣氛不變，壓力控制在300mbar左右，接著生長3um左右的持續摻雜硅的N型GaN層42，Si的摻雜濃度:5E18?9E18atom/cm3 ；
[0039]5、然后降溫至780°C左右，N2氣氛下，壓力控制在300mbar左右，周期性生長由
3.5nm左右的InyGa(1—y)N阱層和13.0nm左右的GaN磊組成的多量子阱發光層，其周期數為15個，總厚度為250nm左右，其中:y = 0.20?0.23，In的摻雜濃度為1E20?3E20atom/cm3 ；
[0040]6、然后升溫至900 °C左右，H2和N2混合氣氛下，壓力控制在200mbar左右，持續生長40nm左右的摻Al和Mg的P型AlGaN層，Mg的摻雜濃度為1E19?2E19atom/cm3，Al的摻雜濃度為1E21?3E21atom/cm3 ；
[0041 ] 7、然后升溫至950 °C左右，H2和N2混合氣氛下，壓力控制在200mbar左右，生長150nm左右摻Mg的高溫P型GaN層，Mg的摻雜濃度為3E18?5E18atom/cm3 ；
[0042]8、最后降溫至780°C左右，N2氣氛下，壓力控制在600mbar左右，爐內退火30min后爐內降溫冷卻，得到樣品I。
[0043]優選實施例
[0044]運用MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片，采用高純H2或高純N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為對原，三甲基鎵(TMGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，硅烷(SiH4)作為N型摻雜劑，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，二茂鎂(CP2Mg)作為P型摻雜劑，襯底為(0001)面藍寶石。該外延層的結構參見圖2，其具體的生長方式如下:
[0045]1、首先將反應室內溫度升溫至1020°C左右，H2氣氛下，壓力控制在150mbar左右，熱處理藍寶石襯底I，時間約為5分鐘；
[0046]2、接著將溫度降至540 0C左右，H2和N2混合氣氛下，壓力控制在600mbar左右，在藍寶石襯底上生長厚度為25nm左右的低溫緩沖GaN層2;
[0047]3、然后將溫度升至1050 °C左右，H2和N2混合氣氛下，壓力控制在200mbar左右，在低溫緩沖GaN層2上持續生長3um左右的不摻雜GaN層3;
[0048]4、保持溫度和氣氛不變，壓力控制在300mbar左右，在不摻雜GaN層3上周期性交替生長出AlGaN/GaN超晶格層4，其中N型AlGaN層41的單層厚度為20nm，N型GaN層42的單層厚度為30nm，所述AlGaN/GaN超晶格層4的總周期數為60個，總厚度為3um左右，且持續摻雜的Si的濃度為8E18?2E19atom/cm3，在N型AlGaN層41中Al的摻雜濃度為1E17?lE18atom/cm3;
[0049]5、接著將溫度降至780°C左右，N2氣氛下，壓力控制在300mbar左右，在AlGaN/GaN超晶格層4上周期性生長由3.5nm左右的InxGa(1—X)N阱層和13.0nm左右的GaN磊層組成的多量子阱發光層5，其總周期數為15個，且總厚度為250nm左右;其中，x = 0.20?0.23，In的摻雜濃度為 1E20 ?3E20atom/cm3 ；
[0050]6、然后將溫度升至9000C左右，H2和N2混合氣氛下，壓力控制在200mbar左右，在多量子阱發光層5上生長厚度為40nm左右的摻雜Al和Mg的P型AlGaN層6，其中Mg的摻雜濃度為3E18?6E18atom/cm3，Al的慘雜濃度為lE20?3E20atom/ cm3 ；
[0051 ] 7、然后將溫度升至950°C左右，出和吣混合氣氛下，保持壓力不變，在P型AlGaN層6上生長厚度為150nm左右的摻雜Mg的P型GaN層7，其中Mg的摻雜濃度為1E19?3E19atom/cm3 ；
[0052]8、最后將溫度降至780°C左右，N2氣氛下，壓力控制在600mbar左右，將制得的LED外延層在爐內退火30min后降溫冷卻，得到樣品2。
[0053]在相同的前工藝條件下，將樣品I和樣品2各鍍上1000埃的ITO層、500埃的Cr/Pt/Au電極、以及200埃的S12保護層，然后在相同的條件下將兩個樣品分別研磨并切割成762μm*762ym(30mi*30mil)的芯片顆粒，然后進行性能測試。在相同位置處各自挑選150顆樣品I晶粒和樣品2晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED。
[0054]采用積分球在驅動電流350mA的條件下測試樣品I和樣品2的光電性能，所得的數據參見圖3、圖4和圖5。
[0055]圖3為樣品I和樣品2的亮度對比示意圖，由圖可知，樣品I的亮度在495?505mw之間，而樣品2的亮度在525?535mw之間，明顯優于樣品I;即在相同的生長條件下，本發明提供的LED外延層結構有效地阻斷了位錯在晶體內部的延伸，減少了因非發光輻射帶來的能量損失，較之傳統的LED外延層結構具有更高的發光功率。
[0056]圖4為樣品I和樣品2的工作電壓對比示意圖，由圖可知，樣品I在350mA下的工作電壓在3.4V左右，而樣品2的工作電壓在3.3V以下；即在相同的生長條件下，本發明提供的LED外延層結構比傳統的LED外延層結構具有更好電流擴展能力，起到降低工作電壓的作用。
[0057]圖5是樣品I和樣品2的ESD良率對比示意圖，由圖可知，隨著脈沖電壓的增加，樣品I的ESD良率從97 %下降至20 %，而樣品2的ESD良率從98 %下降至85 %，整體降幅明顯減小，質量優于樣品I;即在相同的生長條件下，本發明提供的LED外延層結構比傳統的LED外延層結構具有更好的抗靜電能力，大大減少了器件被電流擊穿的幾率。
[0058]以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利保護范圍，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。在本發明的精神和原則之內，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的任何改進或等同替換，直接或間接運用在其它相關的技術領域，均應包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種LED外延層，其特征在于，包括由下至上依序設置的藍寶石襯底、低溫緩沖GaN層、不摻雜GaN層、AlGaN/GaN超晶格層、多量子阱發光層、層以及P型GaN層，其中，所述AlGaN/GaN超晶格層包括多個周期性交替生長的N型AlGaN層和N型GaN層，且任選N型AlGaN層或N型GaN層緊鄰所述不摻雜GaN層，所述AlGaN/GaN超晶格層中各單層的厚度為2.5?50nm，且N型AlGaN層和N型GaN層的單層厚度比為1:1?1:5，所述N型GaN層和N型AlGaN層中Si的摻雜濃度為8E18?2E19atom/cm3，所述N型AlGaN層中Al的摻雜濃度為lE17?lE19atom/cm3。2.根據權利要求1所述的LED外延層，其特征在于，所述N型AlGaN層中Al的摻雜濃度為1E17?lE18atom/cm3。3.根據權利要求2所述的LED外延層，其特征在于，所述AlGaN/GaN超晶格層中的總周期數為20?200個，其總厚度為2?4um。4.根據權利要求3所述的LED外延層，其特征在于，所述P型AlGaN層中Mg的摻雜濃度為3E18?6E18atom/cm3，Al的慘雜濃度為lE20?3E20atom/cm3;所述P型GaN層中Mg的慘雜濃度為1E19?3E19atom/cm3。5.—種LED外延層的生長方法，其特征在于，依次包括高溫處理藍寶石襯底、生長低溫緩沖GaN層、生長不摻雜GaN層、生長N型的AlGaN/GaN超晶格層、生長多量子阱發光層、生長P型AlGaN層、生長P型GaN層以及退火降溫的步驟，其中生長AlGaN/GaN超晶格層的具體步驟如下: A、在1030?1080°C、200?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，生長一層厚度為2.5nm?50nm的N型AlGaN層，其中Si的慘雜濃度為8E18?2E19atom/cm3，Al的慘雜濃度為1E17?lE19atom/cm3 ； B、保持溫度、壓力和氣氛不變，繼續生長一層厚度為2.5nm?50nm的N型GaN層，其中Si的慘雜濃度為8E18?2E19atom/cm3 ； C、重復上述步驟，周期性交替生長出厚度為2?4um的AlGaN/GaN超晶格層，其總周期數為20-200個，且N型AlGaN層和N型GaN層的單層厚度比為1:1?1:5，所述步驟A、B的順序可以調換。6.根據權利要求5所述的LED外延層的生長方法，其特征在于，所述N型AlGaN層中Al的摻雜濃度為1E17?lE18atom/cm307.根據權利要求6所述的LED外延層的生長方法，其特征在于，所述高溫處理藍寶石襯底的步驟為:在1000?1020°C、100?150mbar壓力、H2氣氛的反應室內，熱處理藍寶石襯底5?1分鐘； 所述生長低溫緩沖GaN層的步驟為:在520?550 °C、500?100mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在藍寶石襯底上生長厚度為20?30nm的低溫緩沖GaN層； 所述生長不摻雜GaN層的步驟為:在1030?1080 °C、200?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在低溫緩沖GaN層上生長厚度為2?4um的不摻雜GaN層。8.根據權利要求7所述的LED外延層的生長方法，其特征在于，所述生長多量子阱發光層的步驟為:在730?780°C、200?500mbar壓力、N2氣氛的反應室內，在N型的AlGaN/GaN超晶格層上周期性交替生長InxGa(1-x)N阱層和GaN磊層，其總周期數為6?15，總厚度為120?300nm;其中，GaN||層的厚度為10?15nm，InxGa(i—X)N講層的厚度為2?4nm，In的摻雜濃度1E20 ?3E20atom/cm3，且 x = 0.20 ?0.23。9.根據權利要求8所述的LED外延層的生長方法，其特征在于，所述生長P型AlGaN層的步驟為:在850?950°C、100?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在多量子阱發光層上生長厚度為20?10nm的摻雜Al和Mg的P型AlGaN層，其中Mg的摻雜濃度為3E18?6E18atom/cm3，Al的慘雜濃度為lE20?3E20atom/ cm3 ； 所述生長P型GaN層的步驟為:在900?950°C、100?300mbar壓力、H2和N2混合氣氛的反應室內，在P型AlGaN層上生長厚度為50?200nm的摻雜Mg的P型GaN層，其中Mg的摻雜濃度為1E19?3E19atom/cm3。10.根據權利要求9所述的LED外延層的生長方法，其特征在于，所述退火降溫的步驟為:在750?800°C、500?800mbar壓力、N2氣氛的反應室內，將制得的LED外延層在爐內退火25?30min后降溫冷卻。
【文檔編號】H01L33/00GK105957935SQ201610367717
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月28日
【發明人】林傳強
【申請人】湘能華磊光電股份有限公司