CN105789401A - Led及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED的形成方法，该形成方法包括以下步骤：提供衬底；在衬底之上形成缓冲层，并在缓冲层之上形成第一类型GaN层；在第一类型GaN层之上形成量子阱层；在量子阱层之上形成电子阻挡层；以第一温度在电子阻挡层之上形成第二类型GaN籽晶层，其中，第二类型GaN籽晶层具有第一厚度；以第二温度在第二类型GaN籽晶层之上形成第二类型GaN层，其中，第二类型GaN层具有第二厚度，第二厚度大于第一厚度，且第二温度大于第一温度。本发明的LED的形成方法，可以保证外延层的质量，外延层表面粗化效果好，提高LED的光效率。本发明还公开一种LED。

Description

LED及其形成方法

技术领域

本发明属于发光器件技术领域，尤其涉及一种LED的形成方法以及采用该方法形成的LED。

背景技术

发光二极管(LED)是一种能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件，氮化镓(GaN)基发光二极管作为固态光源一经出现便以其高效率、长寿命、环保等优点被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明史上的又一次革命，成为国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点，并且以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铟铝镓(AlGaInN)为主的III-Ⅴ族氮化物材料具有连续可调的直接带宽为0.7～6.2eV，覆盖了从紫外光到红外光的光谱范围，是制造蓝光、绿光和白光发光器件的理想材料。

长期以来GaN基LED性能的提升主要受制于量子效率的提高，也一直是业内研发的重点方向。目前GaN基LED芯片整体的光电转换效率在30％左右。LED芯片的光电效率等于内量子效率与光提取效率的乘积，目前LED外延片的内量子效率可以达到80％～90％，继续提升的空间较小，难度也较大。而光提取效率目前只有40％左右，还有很大的提升空间。光提取效率低的主要原因是传统P型GaN折射率很高(约为2.5，临界角约为23.5°)，这使得有源区发出的光有大部分在表面处发生全反射不能出射到空气中，而是要经历多次内反射，直到被LED吸收，因而导致芯片温度升高，加重了器件的散热问题，进而降低器件的内量子效率。

因此，提高光提取效率主要方向是降低全反射的光线比列，使更多的光线可以从表面射出。为此业内提出了光子晶体、表面粗化、PSS衬底等技术，其中表面粗化技术由于简单有效的特点而备受关注。传统的P型GaN生长方式生长出来的P型表面呈现出光滑的镜面状态，光线易发生全发射，降低光提取效率。目前表面粗化方法主要包括：1、化学腐蚀方法；2、ICP蚀刻方法；3、预通Mg外延生长粗化P-GaN；4、低温外延生长P-GaN等方法，前两种为芯片工艺方法，后两种为外延工艺方法。其中，预通Mg源外延生长方法虽然也可得到粗化的外延表面，提升光的提取效率，但此方法在生长过程中易生成氮化镁的化合物，导致有效激活的Mg原子浓度低，空穴浓度下降，从而导致内量子效率低，电压升高；低温外延P-GaN的方法也能得到粗化的外延表面，但此方法以降低P-GaN的晶体质量为前提，因此存在反向漏电流过大等问题，影响器件寿命，因而使得两种方法在实际应用中都受到限制。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种LED的形成方法，该形成方法可以在保证外延层的质量，避免反向漏电流加大的前提下，提高外延层表面粗化效果，进而提高LED的出光效率。

本发明的另一个目的在于提出一种LED。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出一种LED的形成方法，该形成方法包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成缓冲层，并在所述缓冲层之上形成第一类型GaN层；在所述第一类型GaN层之上形成量子阱层；在所述量子阱层之上形成电子阻挡层；以第一温度在所述电子阻挡层之上形成第二类型GaN籽晶层，其中，所述第二类型GaN籽晶层具有第一厚度；以及以第二温度在所述第二类型GaN籽晶层之上形成第二类型GaN层，其中，所述第二类型GaN层具有第二厚度，所述第二厚度大于所述第一厚度，且所述第二温度大于所述第一温度。

根据本发明实施例的LED的形成方法，通过先以第一温度在电子阻挡层之上形成第二类型GaN籽晶层，在第一温度下形成的籽晶层呈三维岛状结构，形成初步的粗化效果，同时第一厚度较薄，削弱由于第一温度偏低造成晶体质量较差的影响，进而以第二温度在第二类型GaN籽晶层之上快速生长形成第二类型GaN层，且第二温度大于第一温度，第二温度可以保证得到较好的晶体质量，避免降低内量子效率、反向漏电流过大等负面影响，，采用粗化的第二类型GaN取代传统的高温第二类型GaN，形成粗化表面，可以削弱由于GaN折射率高引起的全反射，提高出光效率。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出一种LED，该LED采用上述方面实施例的形成方法形成。

根据本发明实施例的LED，通过上述方面实施例的形成方法，形成粗化表面，可以在保证外延层的质量，避免反向漏电流加大的前提下，削弱由于GaN折射率高引起的全反射，提高出光效率。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的LED的形成方法的流程图；

图2是根据本发明的一个具体实施例的形成的LED的结果示意图；以及

图3是根据本发明的另一个实施例的形成的LED的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的LED的形成方法以及采用该形成方法形成的LED。

首先对本发明实施例的LED的形成方法进行说明。其中，在本发明的具体实施例中，在LED形成过程中，采用三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、二茂镁(Cp2Mg)、氨气(NH3)、硅烷(SiH4)作为沉积材料，并分别以氢气(H2)和氮气(N2)作为载气。

图1为根据本发明的一个实施例的LED的形成方法的流程图，如图1所示，该LED的形成方法包括以下步骤：

S1,提供衬底。

在本发明的实施例中，如图2所示，可以采用蓝宝石作为衬底10。

S2，在衬底之上形成缓冲层，并在缓冲层之上形成第一类型GaN层。

具体地，首先对获得的衬底10例如蓝宝石衬底进行处理，作为具体实施例，例如通过MOCVD(Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉积)利用H2对蓝宝石衬底在1050℃的温度进行氢化处理，然后将温度降低至530℃在蓝宝石衬底上沉积30nm左右厚的GaN缓冲层20，如图2所示，进而进行升温，在温度上升至1000℃时以TMGa和NH3为源生长2μm非掺杂的本征GaN层30，然后在本征GaN层30上形成第一类型GaN层40，第一类型GaN层40为N型GaN层，例如以SiH4为掺杂源生长2μm掺Si的N型GaN。

S3，在第一类型GaN层之上形成量子阱层。

具体地，以InGaN/GaN结构量子阱为例，如图2所示，在形成第一类型GaN层40之后，将温度降低至750℃，进而以TMIn、TEGa和NH3为源生长10周期InGaN/GaN结构多量子阱发光区即量子阱层50，其中InGaN厚度可以为3nm，GaN厚度可以为12nm。

S4，在量子阱层之上形成电子阻挡层。

具体地，如图2所示，将生长温度升高，在升温到850度时，生长电子阻挡层60，例如以TMGa、TMAl和NH3为源，以Cp2Mg为掺杂源，生长AlGaN电子阻挡层，AlGaN电子阻挡层的厚度可以为30nm。

S5，以第一温度在电子阻挡层之上形成第二类型GaN籽晶层。

其中，如图2所示，第二类型GaN籽晶层70具有第一厚度。在本发明的实施例中，第二类型GaN籽晶层为P型GaN。可以理解的是，利用低温生成一层“籽晶”薄层，在较低温度条件下，籽晶层呈三维岛状结构，可以形成初步的粗化效果，同时厚度较薄，可以削弱由于低温生长带来的晶体质量较差的影响。

在本发明的一个实施例中，第一温度范围在750-850℃，第一厚度范围在10-30nm。例如，在温度降至800℃，以TMGa和NH3为气源，以Cp2Mg为掺杂源，形成第二类型GaN籽晶层70，例如生长20nm厚度的低温P型GaN籽晶层。

S6，以第二温度在第二类型GaN籽晶层之上形成第二类型GaN层。

如图3所示，为根据本发明实施例的LED的形成方法形成的LED结构示意图；其中，第二类型GaN层80为P型GaN层，第二类型GaN层80具有第二厚度，第二厚度大于第一厚度，且第二温度大于第一温度。从材料生长方面可以知道，在初步粗化的籽晶层表面高温生长P型GaN，高温可以保证较好的晶体质量，避免降低LED内量子效率、反向漏电流过大等不利影响。

具体地，在本发明的实施例中，第二温度范围可以在900-1000℃，第二厚度范围可以在90-110nm，例如，在以800℃生长籽晶层之后，进行升温，在温度达到950℃时，生长第二类型GaN层80，例如，以TMGa和NH3为气源，以Cp2Mg为掺杂源，生长100nm厚度的P型GaN层。

另外，生长速度也会影响生长层的粗化效果，如果在较高温度和较低的生长速度下，GaN倾向于二维的台阶流的生长方式，生长表面更平整；而较快的生长速度可以保证籽晶层的粗化效果得到延伸，在本发明的一些实施例中，第二类型GaN层80的生长速度可以在0.5-1.5μm/h，例如，以1um/h的生长速度控制生长第二类型GaN层80，从而达到较好的粗化效果。如图3所示，粗化表面不会覆盖掉，进而得到较理想的粗化表面。

可以看出，针对相关技术中的问题，本发明实施例的LED的形成方法，先采用低温生长P型GaN籽晶层，然后高温快速生长P型GaN层的生长方式，可以得到理想的粗化表面，使得光线不易发生全反射，提高光提取效率。

根据本发明实施例的LED的形成方法，通过先以第一温度在电子阻挡层之上形成第二类型GaN籽晶层，进而以第二温度在第二类型GaN籽晶层之上形成第二类型GaN层，且第二温度大于第一温度，外延层表面粗化效果好，可以保证第二类型GaN的晶体质量，进而避免LED的内量子效率降低、反向漏电流过大。采用粗化的第二类型GaN取代传统的高温第二类型GaN，形成生长层的粗化表面，可以削弱由于GaN折射率高引起的全反射，提高出光效率。另外，第二类型GaN层以较快的生长速度形成，例如生长速度在0.5-1.5μm/h，可以使得籽晶层的粗化效果得到延伸，粗化不被覆盖掉，粗化效果更佳。

本发明的另一方面实施例还提出一种以上述方面实施例的形成方法形成的LED，如图2所示，LED包括：衬底10例如蓝宝石、GaN缓冲层20、本证GaN层30、第一类型GaN层40、量子阱层50例如InGaN/GaN结构多量子阱、电子阻挡层60、第二类型GaN籽晶层70、第二类型GaN层80。

本发明实施例的LED，通过上述方面实施例的形成方法，形成生长层的粗化表面，可以在保证外延层的质量，避免反向漏电流加大的前提下，削弱由于GaN折射率高引起的全反射，提高出光效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种LED的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底之上形成缓冲层，并在所述缓冲层之上形成第一类型GaN层；

在所述第一类型GaN层之上形成量子阱层；

在所述量子阱层之上形成电子阻挡层；

以第一温度在所述电子阻挡层之上形成第二类型GaN籽晶层，其中，所述第二类型GaN籽晶层具有第一厚度；以及

以第二温度在所述第二类型GaN籽晶层之上形成第二类型GaN层，其中，所述第二类型GaN层具有第二厚度，所述第二厚度大于所述第一厚度，且所述第二温度大于所述第一温度。

2.如权利要求1所述的LED的形成方法，其特征在于，所述第一温度范围在750-850℃，所述第二温度范围在900-1000℃。

3.如权利要求2所述的LED的形成方法，其特征在于，所述第一温度为800℃，所述第二温度为950℃。

4.如权利要求1所述的LED的形成方法，其特征在于，所述第一厚度范围在10-30nm，所述第二厚度范围在90-110nm。

5.如权利要求4所述的LED的形成方法，其特征在于，所述第一厚度为20nm，所述第二厚度为100nm。

6.如权利要求1所述的LED的形成方法，其特征在于，所述第一类型GaN层为N型GaN层，所述第二类型GaN籽晶层为P型GaN层，所述第二类型GaN层为P型GaN层。

7.如权利要求1所述的LED的形成方法，其特征在于，所述第二类型GaN层的生长速度在0.5-1.5μm/h。

8.如权利要求1所述的LED的形成方法，其特征在于，在形成所述第二类型GaN籽晶层和所述第二类型GaN层时以TMGa和NH3为气源，以Cp2Mg为掺杂源。

9.一种LED，其特征在于，由如权利要求1-8任一项所述的方法形成。