CN106571415B - 新型led外延片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型LED外延片及其制备方法，属于发光二极管领域。所述新型LED外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；所述新型LED外延片还包括：覆盖在所述P型GaN载流子层上的GaN提亮层，所述GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，所述凸起的高度为0.2‑1.5μm。本发明通过设置GaN提亮层，提高了LED外延片的发光效率。

Description

新型LED外延片及其制备方法
技术领域
本发明涉及LED(英文：Light Emitting Diode，中文：发光二极管)领域，特别涉及一种新型LED外延片及其制备方法。
背景技术
LED作为一种高效、绿色环保的新型固态照明光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高及使用功耗低等优点，因而在照明领域得到了广泛的应用，同时LED在手机、显示屏等背光方面的应用也愈来愈热门。
LED外延片是LED内部的晶片生产的原材料。现有的LED外延片通常包括衬底、以及依次生长在衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。其中，有源层包括若干交替生长的InGaN层和GaN层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
对于LED外延片来说，N型GaN层提供载流子中的电子，P型GaN层提供载流子中的空穴，而这两种载流子传输至多量子阱层中时在量子阱(即InGaN层)中发生辐射复合发光。量子阱中发出的光经过P型GaN层后从各个方向射出，由于部分光(侧向光)射出的方向是朝外延片两侧扩散的，对于只用到轴向光的产品部分侧向光会被浪费掉，造成外延片的外量子效率较低。
发明内容
为了解决现有技术外延片的发光效率低的问题，本发明实施例提供了一种新型LED外延片及其制备方法。所述技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种新型LED外延片，所述新型LED外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
所述新型LED外延片还包括：在所述P型GaN载流子层上生长的GaN提亮层，所述GaN提亮层为掺杂Mg的P型GaN层，所述GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，所述凸起的高度为0.5-0.8μm；所述凸起的形状为块状或柱状；
所述GaN提亮层在N2环境下生长而成；
所述GaN提亮层的生长温度为T：950℃≤T≤980℃；
所述GaN提亮层生长时通入(C5H5)2Mg作为Mg源，所述(C5H5)2Mg的流量为m1：100sccm≤m1≤120sccm。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述GaN提亮层的生长压力为P：150torr≤P≤680torr。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述GaN提亮层生长时通入TMGa作为Ga源，所述TMGa的流量为m：50sccm≤m≤200sccm。
第二方面，本发明实施例还提供了一种新型LED外延片制备方法，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层；
在生长温度为950℃～980℃的环境下，在N2环境下，在所述P型GaN载流子层上生长GaN提亮层，所述GaN提亮层为掺杂Mg的P型GaN层，所述GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，所述凸起的高度为0.5-0.8μm；所述凸起的形状为块状或柱状，所述GaN提亮层生长时通入(C5H5)2Mg作为Mg源，所述(C5H5)2Mg的流量为m1：100sccm≤m1≤120sccm。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述在所述P型GaN载流子层上生长GaN提亮层，包括：
在生长压力为150torr～680torr的环境下，在所述P型GaN载流子层上生长GaN提亮层。
在本发明实施例的另一种实现方式中，所述GaN提亮层生长时通入TMGa作为Ga源，所述TMGa的流量为m：50sccm≤m≤200sccm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明通过在P型GaN载流子层上设置GaN提亮层，GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，凸起的高度为0.2-1.5μm；多量子阱有源层中射出的光经过GaN载流子层，部分光射出的方向是朝外延片两侧扩散的，这部分光经过GaN载流子层后进入GaN提亮层，由于GaN提亮层的表面具有凸起，且凸起具有一定高度，当这部分光照射到凸起后会产生反射，改变光的方向朝向外延片的轴向，从而避免了这部分光的浪费，进而提高了发光效率；另外，凸起的高度为0.2-1.5μm，既可以保证对光的反射效果，以满足光效提高需求，又不至于造成外延片整体厚度过大。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的新型LED外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的新型LED外延片中GaN提亮层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的新型LED外延片制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种新型LED外延片的结构示意图，参见图1，该新型LED外延片包括：衬底100，以及依次覆盖在衬底100上的u型GaN层101、N型GaN层102、多量子阱有源层103、以及P型GaN载流子层104，该多量子阱有源层103包括：交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层。
其中，新型LED外延片还包括：覆盖在P型GaN载流子层上的GaN提亮层105。参见图2，GaN提亮层105远离P型GaN载流子层104的一面上均匀间隔分布有多个凸起1051，凸起1051的高度为0.2-1.5μm。如图2所示，当多量子阱有源层103中射出的光经过GaN载流子层104，由于部分光射出的方向是朝外延片两侧扩散的(如图2中的方向A)，这部分光会被浪费掉；而在设置了GaN提亮层105后，光经过GaN载流子层104后进入GaN提亮层105，由于GaN提亮层105的表面具有凸起1051，部分朝外延片两侧扩散的光照射到凸起1051后会产生反射，改变光的方向朝向外延片的轴向(如图2中的方向B)，从而避免了这部分光的浪费，进而提高了发光效率。
在本发明实施例中，凸起1051可以为规则和不规则形状，通常为块状或柱状，图2所示形状仅为举例。各个凸起1051的高度均处于0.2-1.5μm之间。
在本发明实施例中，GaN提亮层105的厚度大于或等于凸起1051的厚度。当GaN提亮层105的厚度大于凸起1051的厚度时，GaN提亮层105包括位于GaN载流子层104上的底部薄层和底部薄层上的凸起1051，底部薄层的厚度不大于凸起1051的厚度。当GaN提亮层105的厚度等于凸起1051的厚度时，GaN提亮层105仅包括位于GaN载流子层104上的凸起1051。
优选地，上述凸起1051的厚度为0.5-0.8μm。GaN提亮层105可以为掺杂Mg的P型GaN层，此材料晶体质量不是很好，凸起1051过厚会导致其电特性变差，同时也会因为过厚吸光，导致亮度下降；凸起1051过薄则对光的反射效果差，光效提高效果差。
在本发明实施例的一种实现方式中，GaN提亮层105的生长温度为T：900℃≤T≤1000℃。GaN提亮层105的生长温度过低，晶体质量不好，影响光电特性；GaN提亮层105的生长温度过高，又会达不到改变形貌的效果(无法形成所需的凸起1051)，提亮效果不明显。优选地，生长温度为950-980℃。
在本发明实施例的一种实现方式中，GaN提亮层105的生长压力为P：150torr≤P≤680torr。GaN提亮层105的生长压力过高，会导致Mg难以掺杂，造成外延片电压过高；GaN提亮层105的生长压力过低，又会达不到改变形貌的效果(无法形成所需的凸起1051)，提亮效果不明显。
具体地，GaN提亮层105生长时通入TMGa作为Ga源，TMGa的流量为m：50sccm≤m≤200sccm。TMGa的流量过高，达不到改变形貌的效果(无法形成凸起1051)；TMGa的流量过低，流量计设备无法对流量进行精确控制，同时会造成GaN提亮层105生长过慢，造成时间成本增加。优选地，TMGa的流量为100-150sccm。
具体地，GaN提亮层105生长时通入(C5H5)2Mg作为Mg源，(C5H5)2Mg的流量为m1：50sccm≤m1≤200sccm。通过在GaN提亮层105中掺杂Mg，实现凸起1051形成，同时可以改善电压，提供空穴。(C5H5)2Mg的流量过低或过高电压，都会造成外延片电压过高。优选地，(C5H5)2Mg的流量为100-120sccm。
具体地，GaN提亮层105在N2环境下进行生长。在N2环境下生长GaN提亮层105，更有利于达到形貌要求。
其中，InGaN阱层和GaN垒层的层数均为6。
进一步地，u型GaN层101的厚度为1～4μm(优选2μm)，N型GaN层102的厚度为1～4μm(优选2μm)，InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，GaN垒层的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，P型GaN载流子层104的厚度为100～500nm(优选200nm)。
在本实施例中，衬底100包括但不限于蓝宝石衬底。
本发明通过在P型GaN载流子层上设置GaN提亮层，GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，凸起的高度为0.2-1.5μm；多量子阱有源层中射出的光经过GaN载流子层，部分光射出的方向是朝外延片两侧扩散的，这部分光经过GaN载流子层后进入GaN提亮层，由于GaN提亮层的表面具有凸起，且凸起具有一定高度，当这部分光照射到凸起后会产生反射，改变光的方向朝向外延片的轴向，从而避免了这部分光的浪费，进而提高了发光效率。实验结果表明，通过增加GaN提亮层，可以使裸晶亮度提升幅度达50％以上，封装亮度提升幅度达20％以上。进一步地，这种结构的外延片，一方面可以提升产品的绝对亮度，以提升LED产品的市场竞争力，从而抢占市场份额；另一方面，还可以对部分亮度已超出需求产品进行成本缩减，比如缩小芯片尺寸、降低外延原材料要求等，从而降低LED产品成本。
另外，上述凸起的高度为0.2-1.5μm，既可以保证对光的反射效果，以满足光效提高需求，又不至于造成外延片整体厚度过大。
图3是本发明实施例提供的一种新型LED外延片制备方法的流程图，该方法用于制备图1和图2所示的LED外延片，参见图3，该方法包括：
步骤200：提供一衬底。
在本实施例中，衬底包括但不限于蓝宝石衬底。
具体地，步骤200可以包括：将放置在石墨盘中蓝宝石衬底送入反应腔中，并加热反应腔至1000～1100℃，增大反应腔内压强至500torr，对蓝宝石衬底进行5min的预处理。
步骤201：在衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层。
具体地，步骤201可以包括：加热反应腔至1100～1200℃，降低反应腔内压强至200torr，在蓝宝石衬底上生长一层1～4μm(优选2μm)厚的u型GaN层；
保持反应腔内温度为1100～1200℃，保持反应腔内压强为200torr，在u型GaN层上生长一层1～4μm(优选2μm)厚掺Si的N型GaN层。
步骤202：在N型GaN层上生长多量子阱有源层，该多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层。
具体地，步骤202可以包括：保持反应腔内压强为200torr，同时降低反应腔内温度，在N型GaN层上生长一层多量子阱有源层，该多量子阱有源层包括6个InGaN阱层、和6个与InGaN阱层交替生长的GaN垒层，其中，InGaN阱层的厚度为2.8～3.8nm(优选为3～3.5nm)，生长温度为750～780℃；GaN垒层的厚度为6nm～20nm(优选为8～15nm)，生长温度为900℃。
步骤203：在多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层。
具体地，步骤203可以包括：加热反应腔至940～970℃，反应腔内压强保持为200torr，在多量子阱有源区层上生长一层100～500nm(优选200nm)厚的掺Mg的P型GaN载流子层。
步骤204：在P型GaN载流子层上生长GaN提亮层，GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，凸起的高度为0.2-1.5μm(0.5-0.8μm)。
实现时，步骤204可以包括：
在生长温度为900℃～1000℃(优选950-980℃)、生长压力为150torr～680torr的环境下，在P型GaN载流子层上生长GaN提亮层。
具体地，GaN提亮层生长时通入TMGa作为Ga源，TMGa的流量为m：50sccm≤m≤200sccm(优选100-150sccm)。
具体地，GaN提亮层生长时通入(C5H5)2Mg作为Mg源，(C5H5)2Mg的流量为m1：50sccm≤m1≤200sccm(优选100-120sccm)。
具体地，GaN提亮层在N2环境下进行生长。
本发明通过在P型GaN载流子层上设置GaN提亮层，GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，凸起的高度为0.2-1.5μm；多量子阱有源层中射出的光经过GaN载流子层，部分光射出的方向是朝外延片两侧扩散的，这部分光经过GaN载流子层后进入GaN提亮层，由于GaN提亮层的表面具有凸起，且凸起具有一定高度，当这部分光照射到凸起后会产生反射，改变光的方向朝向外延片的轴向，从而避免了这部分光的浪费，进而提高了发光效率。另外，凸起的高度为0.2-1.5μm，既可以保证对光的反射效果，以满足光效提高需求，又不至于造成外延片整体厚度过大。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (2)

1.一种新型LED外延片，所述新型LED外延片包括：衬底，以及依次覆盖在所述衬底上的u型GaN层、N型GaN层、多量子阱有源层和P型GaN载流子层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
其特征在于，所述新型LED外延片还包括：在所述P型GaN载流子层上生长的GaN提亮层，所述GaN提亮层为掺杂Mg的P型GaN层，所述GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，所述凸起的高度为0.5-0.8μm；所述凸起的形状为块状或柱状；
所述GaN提亮层在N2环境下生长而成；
所述GaN提亮层的生长温度为T：950℃≤T≤980℃；
所述GaN提亮层的生长压力为P：150torr≤P≤680torr；
所述GaN提亮层生长时通入(C5H5)2Mg作为Mg源，所述(C5H5)2Mg的流量为m1：100sccm≤m1≤120sccm；
所述GaN提亮层生长时通入TMGa作为Ga源，所述TMGa的流量为m：50sccm≤m≤200sccm。
2.一种新型LED外延片制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长u型GaN层和N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括交替生长的多个InGaN阱层和多个GaN垒层；
在所述多量子阱有源层上生长P型GaN载流子层；
在生长温度为950℃～980℃、生长压力为150torr～680torr的环境下，在N2环境下，在所述P型GaN载流子层上生长GaN提亮层，所述GaN提亮层为掺杂Mg的P型GaN层，所述GaN提亮层远离P型GaN载流子层的一面上均匀间隔分布有多个凸起，所述凸起的高度为0.5-0.8μm；所述凸起的形状为块状或柱状，所述GaN提亮层生长时通入(C5H5)2Mg作为Mg源，所述(C5H5)2Mg的流量为m1：100sccm≤m1≤120sccm；所述GaN提亮层生长时通入TMGa作为Ga源，所述TMGa的流量为m：50sccm≤m≤200sccm。
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