CN103346219B - 复式多量子阱发光层结构的生长方法及led外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复式多量子阱发光层结构的生长方法及相应的LED外延结构，所述外延结构的阱发光层包括6-8个单元层，每一单元层从下至上依次包括：第一阱层、第二阱层、第一磊层、第一阱层、第二阱层、第二磊层。本发明采用复式多量子阱改善了传统多量子阱由于阱磊层应力导致的波函数分离的情况，改善了传统多量子阱由于磊宽导致阱层空穴浓度过低的情况；提升了LED芯片的内部量子阱效率得到，宏观上提高中小尺寸Led芯片的亮度，提高大尺寸Led芯片的光效。
Description
技术领域
本发明涉及LED外延设计技术领域，特别地，涉及一种复式多量子阱发光层结构的生长方法及相应的LED外延结构。
背景技术
在LED市场上，路灯照明多使用大尺寸大功率规格30mil*30mi芯片，背光光源多使用中小尺寸12mil*28mil规格芯片，产品质量高低均与芯片亮度相关。因此，各种尺寸芯片的亮度则成为封装客户的关注重点。
目前提高大尺寸光效和中小尺寸亮度目前有很多种外延生长方法，大部分结构创新在于P型层，例如：
(1)P层增加PAlGaN/PInGaN、PAlGaN/PGaN、PAlGaN/GaN等超晶格的结构来提高电流的扩展能力达到提高亮度的目的；
(2)改变P层Mg的掺杂方式等提高Mg的电离率，提高空穴浓度达到提高光效和亮度的目的。
发明内容
本发明目的在于提供一种复式多量子阱发光层结构的生长方法及相应的LED外延结构，以解决目前LED芯片亮度不足的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种复式多量子阱发光层结构的生长方法，包括以下几个步骤：
A、将温度控制在710-750℃，反应室压力控制在300-400mbar，通入In的流量为1500-1700sccm，生长掺杂In的2.7-3.5nm的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
B、保持温度和压力不变，通入In的流量为300-450sccm，生长掺杂In的0.5-1.0nm的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08，
C、保持压力不变，升温至810-840℃，通入Al的流量为30-50sccm，通入In的流量为800-1000sccm，生长4-6nm的掺杂Al、In的Alx1Inx2Ga(1-x1-x2)N磊层，x1＝0.04-0.05，x2＝0.10-0.12；
D、重复步骤A、B；
E、保持压力不变，升温至810-840℃生长10-12nm的GaN磊层；
F、重复步骤A、B、C、D、E6-8次，直至阱发光层的总体厚度达到162-216nm。
优选的，所述步骤A之前包括步骤：
S1、1000-1100℃的氢气气氛下，反应室压力为150-200mbar，处理蓝宝石衬底4-5分钟；
S2、降温至540-570℃，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲层GaN；
S3、升高温度到950-1050℃，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.5-3.0um的不掺杂GaN；
S4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着持续生长3.5-4.5μm掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度控制在8E18-1E19atom/cm3。
优选的，所述步骤F之后包括步骤：
D1、升高温度到900-950℃，反应室压力控制在150-300mbar，持续生长30-40nm掺Al、In的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
D2、升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长60-90nm掺Mg的P型GaN层，Mg的掺杂浓度控制在3E18-4E18atom/cm3；
D3、降温至650-700℃，保温20-30min后，炉内冷却。
本发明还公开了一种LED外延结构，所述LED外延结构的阱发光层包括6-8个单元层，每一单元层从下至上依次包括：
第一阱层，所述第一阱层为掺杂2.7-3.5nmIn的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
第二阱层，所述第二阱层为掺杂0.5-1.0nmIn的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
第一磊层，所述第一磊层为掺杂4-6nm的Al、In的Alx1Inx2Ga(1-x1-x2)N磊层，x1＝0.04-0.05，x2＝0.10-0.12；
第一阱层，所述第一阱层为掺杂2.7-3.5nmIn的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
第二阱层，所述第二阱层为掺杂0.5-1.0nmIn的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
第二磊层，所述第二磊层为10-12nm的GaN磊层。
优选的，所述单元层之下从下至上依次包括：
低温缓冲GaN层，厚度为30-50nm；
不掺杂GaN层，厚度为2.5-3.0um；
N型GaN层，厚度为3.5-4.5μm，掺杂Si，Si的掺杂浓度控制8E18-1E19atom/cm3。
优选的，所述单元层之上从下至上依次包括：
P型AlGaN层，厚度为30-40nm的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
P型GaN层，厚度为60-90nm，掺杂Mg，Mg的掺杂浓度控制3E18-4E18atom/cm3。
本发明具有以下有益效果：
1、增加单位面积内的出光效率：传统的多量子阱层和磊层的晶格不匹配以及磊层比较厚，导致存在着极化、压缩应力，微观上导致阱层电子和空穴的波函数分离，电子和空穴复合效率差，单位时间单位面积内产生的光子数较少；而本发明设置出的单元层结构，使得过渡层(多个复合阱层)调整InGaN和GaN的晶格匹配，使得阱层和磊层之间的应力变小，电子和空穴的波函数更加集中，增加电子和空穴的复合概率。
2、增加阱层的空穴浓度：传统的多量子阱磊层的厚度约为10-12nm，由于势垒比较宽，由P层注入的空穴在传统的多量子阱传播受到限制；而本发明第一磊层为AlInGaN四元生长，通过调整Al和In的组分使得磊层的晶格接近阱层的晶格，减小了磊层对阱层应力的影响，第一磊层的厚度控制在4-6nm，比传统磊层厚度小，有利于P层注入空穴在复式量子阱的传播，增加第一阱层和第二阱层的空穴浓度。
本发明复式多量子阱层改善了传统多量子阱由于阱磊层应力导致的波函数分离的情况，改善了传统多量子阱由于磊宽导致阱层空穴浓度过低的情况。通过以上的改善，LED芯片的内部量子阱效率得到提升，客观上提高中小尺寸的亮度，提高大尺寸的光效。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的LED外延结构的结构示意图；
图3是现有LED外延结构的能带结构示意图；图(a)为导带能级示意图；图(b)为价带能级示意图；
图4是本发明优选实施例的能带结构示意图；图(a)为导带能级示意图；图(b)为价带能级示意图；
图5是样品1和样品2的光电性能数据点对比图；
图6是样品3和样品4的光电性能数据点对比图；
其中，1、P型GaN层；2、P型InAlGaN层，3-1、多量子磊层，3-2、多量子阱层，4、N型GaN，5、U型GaN；3-A、第一阱层，3-B、第二阱层，3-C、第一磊层，3-D、第二磊层；6、P型AlGaN层，7、低温缓冲GaN层，8、不掺杂GaN层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
以下分别说明采用以现有传统方法制备样品1的对比实施例一，和本发明生长方法制备样品2的实施例一，再将两种方法得到样品1和样品2进行性能检测比较。
对比实施例一、
1、在1000-1100℃的的氢气气氛下，反应室压力控制在150-200mbar，高温处理蓝宝石衬底4-5分钟；
2、降温至540-570℃下，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到950-1050℃下，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.5-3.0um的不掺杂GaN；
4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着生长3.5-4.5μm持续掺杂硅的N型GaN；
5、降温至710-840℃，反应室压力控制在300-400mbar，生长周期性生长多量子阱发光层，单周期生长方法：(1)降温至710-750℃生长掺杂In的2.7-3.5nm的InxGa(1-x)N(x＝0.20-0.22)阱层，(2)升温至810-840℃生长10-12nm的GaN磊层，接着以(1)(2)为一个周期进行重复生长，重复生长周期数为13-15，总体厚度控制在165-233nm；
6、再升高温度到900-950℃，反应室压力控制在150-300mbar，持续生长30-40nm掺铟、铝的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
7、再升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长60-90nm掺镁的P型GaN层；
8、最后降温至650-700℃，保温20-30min，然后炉内冷却，得到样品1。
实施例一、
本发明运用AixtronCruisIIMOCVD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)及三乙基镓(TEGa)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，反应室压力在150mbar到600mbar之间。
1、在1000-1100℃的的氢气气氛下，反应室压力控制在150-200mbar，高温处理蓝宝石衬底4-5分钟；
2、降温至540-570℃下，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲层GaN；
3、升高温度到950-1050℃下，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.5-3.0um的不掺杂GaN；
4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着生长3.5-4.5μm持续掺杂硅的N型GaN；
5、降温至710-840℃，反应室压力控制在300-400mbar，生长周期性生长多量子阱发光层，单周期生长方法：
(1)降温至710-750℃，生长掺杂In的2.7-3.5nm的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
(2)保持温度和压力不变，通过改变铟的流量，生长掺杂In的0.5-1.0nm的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
(3)保持压力不变，升温至810-840℃生长4-6nm的掺杂铝、铟的Alx1Inx2Ga(1-x1-x2)N磊层，x1＝0.04-0.05，x2＝0.10-0.12；
(4)保持压力不变，降温至710-750℃生长掺杂In的2.7-3.5nm的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
(5)保持温度和压力不变，通过改变铟的流量，生长掺杂In的0.5-1.0nm的InzGa(1-z)N(z＝0.04-0.08)阱层；
(6)保持压力不变，升温至810-840℃生长10-12nm的GaN磊层；
接着以(1)(2)(3)(4)(5)(6)为一个周期进行重复生长，重复生长周期数为6-8，总体厚度控制在162-216nm；
6、再升高温度到900-950℃，反应室压力控制在150-300mbar，持续生长30-40nm掺铟、铝的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
7、再升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长60-90nm掺镁的P型GaN层；
8、最后降温至650-700℃，保温20-30min，然后炉内冷却，得到样品2。
对比实施例一与实施例一的生长参数对比可见下表1。
表1对比实施例一与实施例一的生长参数对比
说明：表1中的-代表无
参见图1，传统方法制得的样品1中的多量子阱层3-1和多量子磊层3-2。参见图2，在本发明方法制得的样品2中变为由第一阱层3-A、第二阱层3-B、第一磊层3-C、第一阱层3-A、第二阱层3-B、第二磊层3-D交叠重合构成的复合多量子阱层。参见图3和图4，两者结构的不同使得样品产生相应的多个阱能级，增加空穴和电子的浓度，主要是减少电子的逃逸，增加空穴的浓度，提高复合效率；并且，多个阱能级使电子和空穴的波函数在K空间上各自的中心点更加靠近，增加电子和空穴的复合概率。
从图3上可以看出，样品1的多量子阱层3-1和多量子磊层3-2在图(a)中分别对应A点和B点所指示的导带能级位置，在图(b)中分别对应A’点和B’点所指示的价带能级位置。
从图4上可以看出，样品2的第一阱层3-A、第二阱层3-B、第一磊层3-C、第一阱层3-A在图(a)中分别对应A点、B点、C点、D点所指示的导带能级位置，在图(b)中分别对应A’点、B’点、C’点、D’点所指示的价带能级位置。
然后，将制得的样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层150-200nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极130-150nm，相同的条件下镀保护层SiO240-50nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成305μm*711μm(12mi*28mil)的芯片颗粒，然后样品1和样品2在相同位置各自挑选150颗晶粒，在相同的封装工艺下，封装成白光LED。然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能，得到的参数见图5。
图5的纵坐标为光效(1m/w)，横坐标为芯片颗粒分布个数。样品2对应的数值为上方较粗的线条，样品1对应的数值为下方较细的线条。从图5数据得出样品2较样品1光效提升6-7％。本专利提供的生长方法提高了大尺寸芯片的光效。
对比实施例二、
实施步骤参见对比实施例一，得到样品3。
实施例二、
实施步骤参见实施例一，得到样品4。
对比实施例二与实施例二的生长参数对比可见下表2。
表2对比实施例二与实施例二的生长参数对比
然后，将样品3和样品4采取与样品1和样品2同样的处理方法后测试样品3和样品4的光电性能，得到的参数见图6。图6的纵坐标为亮度(Lm)，横坐标为芯片颗粒分布个数。样品4对应的数值为上方较粗的线条，样品3对应的数值为下方较细的线条。从图6数据得出样品4较样品3亮度提升8-9％。本专利提供的生长方法提高了大尺寸芯片的光效。
参见图2，本发明还公开了一种根据上述复式多量子阱发光层结构的生长方法制得的LED外延结构，所述LED外延结构的阱发光层包括6-8个单元层，每一单元层从下至上依次包括：
第一阱层3-A，所述第一阱层3-A为掺杂2.7-3.5nmIn的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
第二阱层3-B，所述第二阱层3-B为掺杂0.5-1.0nmIn的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
第一磊层3-C，所述第一磊层3-C为掺杂4-6nm的Al、In的Alx1Inx2Ga(1-x1-x2)N磊层，x1＝0.04-0.05，x2＝0.10-0.12；
第一阱层3-A，所述第一阱层3-A为掺杂2.7-3.5nmIn的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
第二阱层3-B，所述第二阱层3-B为掺杂0.5-1.0nmIn的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
第二磊层3-D，所述第二磊层3-D为10-12nm的GaN磊层。
另外，在上述单元层之下从下至上还可依次包括：
低温缓冲GaN层7，厚度为30-50nm；该层是在基板上生长的成核层，为不掺杂GaN生长提供晶体生长所需要的成核岛，成核岛进一步生长成晶体；
不掺杂GaN层8，厚度为2.5-3.0um；不掺杂GaN的生长是在成核层基础上，成核岛不断生长完整合并成为完整的晶体；
N型GaN层4，厚度为3.5-4.5μm，掺杂Si，Si的掺杂浓度控制8E18-1E19atom/cm3。
在所述单元层之上从下至上还可依次包括：
P型AlGaN层6，厚度为30-40nm的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
P型GaN层1，厚度为60-90nm，掺杂Mg，Mg的掺杂浓度控制3E18-4E18atom/cm3。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种复式多量子阱发光层结构的生长方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
A、将温度控制在710-750℃，反应室压力控制在300-400mbar，通入In的流量为1500-1700sccm，生长掺杂In的2.7-3.5nm的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
B、保持温度和压力不变，通入In的流量为300-450sccm，生长掺杂In的0.5-1.0nm的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08，
C、保持压力不变，升温至810-840℃，通入Al的流量为30-50sccm，通入In的流量为800-1000sccm，生长4-6nm的掺杂Al、In的Alx1Inx2Ga(1-x1-x2)N磊层，x1＝0.04-0.05，x2＝0.10-0.12；
D、重复步骤A、B；
E、保持压力不变，升温至810-840℃生长10-12nm的GaN磊层；
F、重复步骤A、B、C、D、E6-8次，直至阱发光层的总体厚度达到162-216nm。
2.根据权利要求1所述的一种复式多量子阱发光层结构的生长方法，其特征在于，所述步骤A之前包括步骤：
S1、1000-1100℃的氢气气氛下，反应室压力为150-200mbar，处理蓝宝石衬底4-5分钟；
S2、降温至540-570℃，反应室压力控制在450-600mbar，在蓝宝石衬底上生长厚度为30-50nm的低温缓冲层GaN；
S3、升高温度到950-1050℃，反应室压力控制在450-600mbar，持续生长2.5-3.0um的不掺杂GaN；
S4、保持温度不变，反应室压力控制在200-400mbar，接着持续生长3.5-4.5μm掺杂Si的N型GaN，Si的掺杂浓度控制在8E18-1E19atom/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种复式多量子阱发光层结构的生长方法，其特征在于，所述步骤F之后包括步骤：
D1、升高温度到900-950℃，反应室压力控制在150-300mbar，持续生长30-40nm掺Al、In的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
D2、升高温度到1000-1100℃，反应室压力控制在200-600mbar，持续生长60-90nm掺Mg的P型GaN层，Mg的掺杂浓度控制在3E18-4E18atom/cm3；
D3、降温至650-700℃，保温20-30min后，炉内冷却。
4.一种LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构的阱发光层包括6-8个单元层，每一单元层从下至上依次包括：
第一阱层，所述第一阱层为掺杂2.7-3.5nmIn的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
第二阱层，所述第二阱层为掺杂0.5-1.0nmIn的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
第一磊层，所述第一磊层为掺杂4-6nm的Al、In的Alx1Inx2Ga(1-x1-x2)N磊层，x1＝0.04-0.05，x2＝0.10-0.12；
第一阱层，所述第一阱层为掺杂2.7-3.5nmIn的InxGa(1-x)N阱层，x＝0.20-0.22；
第二阱层，所述第二阱层为掺杂0.5-1.0nmIn的InzGa(1-z)N阱层，z＝0.04-0.08；
第二磊层，所述第二磊层为10-12nm的GaN磊层。
5.根据权利要求4所述的一种LED外延结构，其特征在于，所述单元层之下从下至上依次包括：
低温缓冲GaN层，厚度为30-50nm；
不掺杂GaN层，厚度为2.5-3.0um；
N型GaN层，厚度为3.5-4.5μm，掺杂Si，Si的掺杂浓度控制8E18-1E19atom/cm3。
6.根据权利要求4所述的一种LED外延结构，其特征在于，所述单元层之上从下至上依次包括：
P型A1GaN层，厚度为30-40nm的P型InyAl(1-y)GaN层，y＝0.08-0.12；
P型GaN层，厚度为60-90nm，掺杂Mg，Mg的掺杂浓度控制3E18-4E18atom/cm3。
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