CN112436076A - 一种led外延结构及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种LED外延结构，包括衬底以及依次层叠设置在衬底上的第一半导体层、发光层和复合层；复合层包括依次层叠的第二半导体层、超晶格层和保护层；超晶格层包括至少一个超晶格单体；超晶格单体包括依次层叠设置的InGaN层、连接层和Mg3N2层。本发明通过Mg3N2层提高Mg原子浓度，使得空穴的浓度提高，InGaN层能提高空穴的传导效率，加速空穴的移动速率，使得空穴能快速到达发光层与电子复合，连接层能稳固连接InGaN层和Mg3N2层，结构紧凑。本发明还公开了一种LED外延结构的生长方法，包括在衬底上依次生长第一半导体层、发光层和复合层；本发明的生长方法能提高空穴浓度，从而大大提升空穴和电子的复合效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种LED外延结构及生长方法。
背景技术
LED是一种用于照明的半导体，其因体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、环保和耐用等优点被广大消费者认可。
而传统的LED中，N型GaN层能向发光层提供电子，P型GaN层向发光层提供空穴，空穴和电子在发光层复合后以光子的形式输出，进而实现发光，但传统的P型GaN层中，Mg原子的激活效率较低，即Mg原子能够电离产生的空穴个数为总的Mg原子个数的1％左右，使得发光层中空穴的浓度不足，电子和空穴的复合效率低下，导致LED发光效果不良。
综上所述，急需一种发光效果好的LED外延结构及生长方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种发光效果好的LED外延结构及生长方法，具体技术方案如下：
一种LED外延结构，包括衬底以及依次层叠设置在衬底上的第一半导体层、发光层和复合层；所述复合层包括依次层叠的第二半导体层、超晶格层和保护层；所述第二半导体层设置在发光层上；所述超晶格层包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次层叠设置的InGaN层、连接层和Mg3N2层；所述InGaN层位于靠近第二半导体层的一侧，所述保护层设置在超晶格层上。
以上技术方案优选的，所述保护层为P型GaN层。
以上技术方案优选的，所述保护层上还依次层叠设有ITO层和绝缘层。
以上技术方案优选的，所述超晶格层包括多个层叠设置的超晶格单体，所述超晶格层的厚度为75-150nm。
以上技术方案优选的，所述发光层包括发光工作层和至少一个发光单体；所述发光单体包括层叠设置的InxGa(1-x)N层和SiGaN层，其中x＝0.1-0.3，所述InxGa(1-x)N层位于靠近第一半导体层的一侧；所述发光工作层设置在发光单体上。
本发明还公开了一种LED外延结构的生长方法，包括如下步骤；
步骤一：在衬底上生长第一半导体层；
步骤二：在第一半导体层生长发光层；
步骤三：在发光层上生长复合层；
所述步骤三中，所述复合层包括依次层叠的第二半导体层、超晶格层和保护层；所述第二半导体层生长在发光层上；所述超晶格层包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次生长的InGaN层、连接层和Mg3N2层；所述InGaN层生长在靠近第二半导体层的一侧，所述保护层生长在超晶格层上。
以上技术方案优选的，所述步骤三中，所述超晶格层包括多个层叠生长的超晶格单体，超晶格单体的个数为15-30个。
以上技术方案优选的，所述InGaN层的具体生长方法是：保持反应腔压力200-300mbar，保持温度850-900℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、300-600sccm的TEGa、100-130L/min的N2和100-130sccm的TMIn，生长2-3nm的InGaN层。
以上技术方案优选的，所述连接层的具体生长方法是：保持反应腔压力400-600mbar，升高温度至950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、400-1000L/min的TEGa和2000-4000sccm的Cp2Mg，生长1-2nm的连接层。
以上技术方案优选的，所述Mg3N2层的具体生长方法是：保持反应腔压力400-600mbar，保持温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-130L/min的N2和1000-1300sccm的Cp2Mg，生长2-3nm的Mg3N2层。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的LED外延结构包括衬底以及依次层叠设置在衬底上的第一半导体层、发光层和复合层；所述复合层包括依次层叠的第二半导体层、超晶格层和保护层；所述第二半导体层设置在发光层上；所述超晶格层包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次层叠设置的InGaN层、连接层和Mg3N2层；所述InGaN层位于靠近第二半导体层的一侧，所述保护层设置在超晶格层上。本发明通过在第二半导体层(即P型AlGaN层和P型GaN层)上生长超晶格层，能有效提高空穴浓度，大大提升LED的发光效率，其中通过Mg3N2层提高Mg原子浓度，使得空穴的浓度提高，InGaN层能提高空穴的传导效率，加速空穴的移动速率，使得空穴能快速到达发光层与电子复合，连接层能稳固连接InGaN层和Mg3N2层，结构紧凑。
(2)本发明的保护层为P型GaN层，通过设置P型GaN层对超晶格层进行保护的同时，P型GaN层能向发光层提供一定量的空穴，进而提高空穴浓度。
(3)本发明的保护层上还依次设有ITO层和绝缘层，使得本发明的LED结构更加紧凑，能形成一个完整的半导体结构。
(4)本发明的超晶格层厚度为75-150nm；便于产生更多的空穴以及空穴能快速移动至发光层进行复合。
(5)本发明的发光层包括发光工作层和至少一个发光单体；所述发光单体为层叠设置的InxGa(1-x)N层和SiGaN层；所述InxGa(1-x)N层位于靠近第一半导体层的一侧；所述发光工作层设置在发光单体上，通过设置含Si的发光层，便于电子顺利通过。
本发明还公开了一种LED外延结构的生长方法，包括步骤一：在衬底上生长第一半导体层；步骤二：在第一半导体层生长发光层；步骤三：在发光层上生长复合层；所述步骤三中，所述复合层包括依次层叠生长的第二半导体层、超晶格层和保护层；所述第二半导体层生长在发光层上；所述超晶格层包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次生长的InGaN层、连接层和Mg3N2层；所述InGaN层生长在靠近第二半导体层的一侧，所述保护层生长在超晶格层上。
所述步骤三中，所述超晶格层包括多个层叠生长的超晶格单体，超晶格单体的个数为15-30个。
所述InGaN层的具体生长方法是：保持反应腔压力200-300mbar，保持温度850-900℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、300-600sccm的TEGa、100-130L/min的N2和100-130sccm的TMIn，生长2-3nm的InGaN层。
所述连接层的具体生长方法是：保持反应腔压力400-600mbar，升高温度至950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、400-1000L/min的TEGa和2000-4000sccm的Cp2Mg，生长1-2nm的连接层。
所述Mg3N2层的具体生长方法是：保持反应腔压力400-600mbar，保持温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-130L/min的N2和1000-1300sccm的Cp2Mg，生长2-3nm的Mg3N2层。
本发明的生长方法通过在第二半导体层上生长超晶格层，能提高空穴浓度，从而大大提升空穴和电子的复合效率，并且本方法的超晶格层的生长参数易于控制。
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是本实施例1的LED外延结构的示意图；
其中，1、衬底；2、第一半导体层；2.1、缓冲层；2.2、U型GaN层；2.3、N型GaN层；3、发光层；3.1、InxGa(1-x)N层；3.2、SiGaN层；4、第二半导体层；4.1、P型AlGaN层；4.2、P型GaN层；5、超晶格层；5.1、InGaN层；5.2、连接层；5.3、Mg3N2层；6、保护层；7、ITO层；8、绝缘层；9、P电极；10、N电极。
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。
实施例1：
一种LED外延结构，包括衬底1以及依次设置衬底上的第一半导体层2、发光层3、复合层、ITO层6和绝缘层7，如图1所示；
所述第一半导体层2包括缓冲层2.1、U型GaN层2.2和N型GaN层2.3；所述缓冲层设置在衬底上；所述U型GaN层和N型GaN层依次层叠设置在缓冲层上。
所述发光层3包括发光工作层和至少一个发光单体，所述发光单体包括依次层叠设置的InxGa(1-x)N层3.1和SiGaN层3.2，其中x＝0.1-0.3；所述InxGa(1-x)N层位于靠近N型GaN层的一侧；所述发光工作层设置在发光单体上。优选多个发光单体层叠设置，未图示发光工作层。
所述复合层包括第二半导体层4、超晶格层5和保护层6；所述第二半导体层4包括依次层叠设置的P型AlGaN层4.1(即P型氮化铝镓层)和P型GaN层4.2(即P型氮化镓层)；所述P型AlGaN层4.1设置在SiGaN层3.2(即氮化硅镓层)上；所述超晶格层包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次层叠设置的InGaN层5.1(即氮化铟镓层)、连接层5.2和Mg3N2层5.3(即氮化镁层)；所述InGaN层5.1位于靠近第二半导体层的P型GaN层4.2的一侧；所述保护层6设置超晶格层上。
优选的，所述保护层6为P型GaN层(即保护层包括P型的GaN材料)。
所述ITO层6和绝缘层7(优选SiO2层)依次层叠设置在保护层6上。
优选的，多个超晶格单体层叠设置，所述超晶格层的厚度为75-150nm。
本实施例1还公开了一种LED外延结构的生长方法，运用MOCVD来生长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，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，三甲基铝(TMAl)作为铝源，P型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)，衬底为AlN模版衬底，反应压力在70mbar到900mbar之间，参见图1，具体生长步骤如下：
步骤A1：处理衬底1
步骤A1.1：处理衬底：
保持反应腔压力100-300mbar(mbar表示气压单位)，在温度为1000-1100℃的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，处理衬底，处理时间为8-10min。
步骤B：在衬底1上生长第一半导体层2(第一半导体2包括缓冲层2.1、U型GaN层2.2和N型GaN层2.3)
步骤B1.1：在衬底1上生长缓冲层2.1：
降低温度至500-600℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm(sccm表示标准毫升每分钟)的NH3、50-100sccm的TMGa和100L/min-130L/min的H2，在衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层(氮化物半导体层，即GaN层)。
步骤B1.1.1：将低温缓冲层腐蚀成不规则的小岛形状：
保持反应腔压力300-600mbar，升高温度至1000-1100℃，通入流量为30000-40000sccm的NH3和100L/min-130L/min的H2；保持温度300-500℃，将低温缓冲层腐蚀成不规则小岛形状。
步骤B1.2：在缓冲层2.1上生长U型GaN层2.2：
保持反应腔压力300-600mbar，升高温度至1000-1200℃，通入流量为30000-40000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa和100-130L/min的H2，持续生长2-4μm的不掺杂的GaN层(即U型GaN层)。
步骤B1.3：在U型GaN层2.2上生长N型GaN层2.3：
保持反应腔压力300-600mbar，保持温度1000-1200℃，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2和20-50sccm的SiH4，持续生长3-4μm掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度5E18-1E19(1E19代表10的19次方，以此类推)；
保持反应腔压力和温度不变，通入流量为30000-60000sccm的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2和2-10sccm的SiH4，持续生长200-400nm掺杂Si的N型GaN层，Si掺杂浓度5E17-1E18。
步骤C：在N型GaN层2.3上生长发光层3(发光层包括发光工作层和至少一个发光单体；所述发光单体为层叠生长的InxGa(1-x)N层3.1和SiGaN层3.2，发光工作层生长在发光单体上)，其中发光层的生长包括第一生长阶段、第二生长阶段和第三生长阶段：
步骤C1.1：第一生长阶段，在N型GaN层2.3上生长4-6个发光单体：
保持反应腔压力300-400mbar，保持温度800-860℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、200-400sccm的TEGa、600-800sccm的TMIn和100-130L/min的N2，在N型GaN层上生长1.5-2.0nm掺杂In的InxGa(1-x)N层(此时优选x＝0.10-0.15)；
接着保持反应腔压力300-400mbar，保持温度800-860℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、800-1000sccm的TEGa和100-130L/min的N2，同时通入1-2sccm的SiH4，在InxGa(1-x)N层生长4-8nm的SiGaN层；
然后重复交替生长InxGa(1-x)N层和SiGaN层，周期数为4-6个(即生长4-6个发光单体)。
步骤C1.2：第二生长阶段，在第一生长阶段上生长9-10个发光单体：
保持反应腔压力300-400mbar，温度700-730℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-200sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn和100-130L/min的N2，生长3.5-4.2nm掺杂In的InxGa(1-x)N层(此时优选x＝0.25-0.30)；
接着保持反应腔压力300-400mbar，升高温度至860-900℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、800-1000sccm的TEGa和100-130L/min的N2，同时通入0.5-1sccm的SiH4，在InxGa(1-x)N层上生长12-14nm的SiGaN层；
然后重复交替生长InxGa(1-x)N层和SiGaN层，周期数为9-10个(即生长9-10个发光单体)。
步骤C1.3：第三生长阶段，在第二生长阶段上生长InxGa(1-x)层(即生长发光工作层)：
保持反应腔压力300-400mbar，温度700-730℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-200sccm的TEGa、1500-2000sccm的TMIn和100-130L/min的N2，生长3.5-4.2nm掺杂In的InxGa(1-x)N层(此时优选x＝0.25-0.30)。
步骤D：在发光层上生长复合层；所述复合层包括依次生长在发光层3上的第二半导体层4、超晶格层5和保护层6；
步骤D1.1：在发光层3上生长第二半导体层4(第二半导体层包括P型AlGaN层4.1和P型GaN层4.2)：
步骤D1.1.1：在发光层3(具体是发光工作层)上生长P型AlGaN层4.1：
保持反应腔压力300-400mbar，升温温度860-900℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、800-1000sccm的TEGa和100-130L/min的N2，同时通入50-60sccm的TMAl，生长16-20nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20；
接着保持反应腔压力200-400mbar，升高温度900-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl和1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长50-100nm的P型AlGaN层，Al掺杂浓度1E20-3E20，Mg掺杂浓度1E19-1E20。
步骤D1.1.2：在P型AlGaN层4.1上生长P型GaN层4.2：
保持反应腔压力400-900mbar，温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2和1000-3000sccm的Cp2Mg，在P型AlGaN层4.1持续生长25-50nm的掺Mg的P型GaN层4.2，Mg掺杂浓度1E19-1E20。
步骤D1.2：在P型GaN层4.2上生长厚度为75-150nm的超晶格层5(超晶格层包括至少一个超晶格单体，所述超晶格单体包括依次生长的InGaN层5.1、连接层5.2和Mg3N2层5.3)，具体是：在第二半导体层(具体是P型GaN层4.2)上生长15-30个超晶格单体，且InGaN层、连接层和Mg3N2层的生长顺序不可调换，超晶格单体的生长具体如下：
步骤D1.2.1：生长InGaN层5.1：
保持反应腔压力200-300mbar，温度850-900℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、300-600sccm的TEGa、100-130L/min的N2和100-130sccm的TMIn，生长2-3nm的InGaN层。
步骤D1.2.2：生长连接层5.2：
保持反应腔压力400-600mbar，温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、400-1000L/min的TEGa和2000-4000sccm的Cp2Mg，生长1-2nm的连接层(P型氮化物层，即P型的GaN层)，Mg掺杂浓度1E21-2E21。
步骤D1.2.3：生长Mg3N2层5.3：
保持反应腔压力400-600mbar，温度升高至950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-130L/min的N2和1000-1300sccm的Cp2Mg，生长2-3nm的Mg3N2层。
步骤D1.3：在超晶格层上生长保护层6：
保持反应腔压力400-900mbar，温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2和1000-3000sccm的Cp2Mg，在超晶格层上持续生长25-50nm的掺Mg的保护层(P型的氮化物层，即P型GaN层)，Mg掺杂浓度1E19-1E20。
步骤E：生长结束
步骤E1.1：生长结束：
降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热***，关闭给气***，随炉冷却。
优选的，保护层生长完成后，在保护层6上依次沉积ITO层7和绝缘层8(如二氧化硅层)。N电极10和P电极9的制作参见现有技术。
本实施例1的生长方法制备得到样品2和样品3：
实施例2：
实施例2与实施例1的区别在于：实施例2未在第二半导体层上生长超晶格层。
实施例2的生长方法制备得到样品1。
其中，样品1、样品2和样品3在相同的工艺条件下镀ITO层150nm，相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极1500nm，相同的条件下镀绝缘层(SiO2层)100nm，然后在相同的条件下将样品研磨切割成635μm*635μm(即25mil*25mil)的芯片颗粒，在实施例1和实施例2制备所得的样品上的相同位置各自挑选100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、样品2和样品3的光电性能参数(取100颗晶粒的平均值)，得出表1。
表1样品1、样品2和样品3的电性参数表
| 检测项目 | 亮度 | 电压 | 方向电压 | 发光波长 | 漏电 | 抗静电8KV良率 |
| 样品1 | 130.01Lm/w | 3.066V | 34.99V | 531.0nm | 0.040μA | 90.5％ |
| 样品2 | 140.31Lm/w | 3.01V | 35.54V | 531.5nm | 0.036μA | 91.5％ |
| 样品3 | 137.31Lm/w | 3.05V | 34.54V | 531.2nm | 0.033μA | 90.7％ |
由表1可得，样品2-3在第二半导体层上生长了超晶格层，使得样品2-3的亮度较样品1提升了7Lm/w以上，即本实施例1中的生长方法能有效提高空穴浓度，从而提高电子与空穴的复合效率，显著提升LED的发光亮度。
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 (10)
1.一种LED外延结构，其特征在于，包括衬底(1)以及依次层叠设置在衬底(1)上的第一半导体层(2)、发光层(3)和复合层；所述复合层包括依次层叠的第二半导体层(4)、超晶格层(5)和保护层(6)；所述第二半导体层(4)设置在发光层(3)上；
所述超晶格层(5)包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次层叠设置的InGaN层(5.1)、连接层(5.2)和Mg3N2层(5.3)；所述InGaN层(5.1)位于靠近第二半导体层(4)的一侧，所述保护层(6)设置在超晶格层(5)上。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述保护层(6)为P型GaN层。
3.根据权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述保护层(6)上还依次层叠设有ITO层(7)和绝缘层(8)。
4.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述超晶格层(5)包括多个层叠设置的超晶格单体，所述超晶格层的厚度为75-150nm。
5.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述发光层(3)包括发光工作层和至少一个发光单体；所述发光单体包括层叠设置的InxGa(1-x)N层(3.1)和SiGaN层(3.2)，其中x＝0.1-0.3，所述InxGa(1-x)N层(3.1)位于靠近第一半导体层(2)的一侧；所述发光工作层设置在发光单体上。
6.一种LED外延结构的生长方法，其特征在于，包括如下步骤；
步骤一：在衬底(1)上生长第一半导体层(2)；
步骤二：在第一半导体层(2)生长发光层(3)；
步骤三：在发光层(3)上生长复合层；
所述步骤三中，所述复合层包括依次层叠的第二半导体层(4)、超晶格层(5)和保护层(6)；所述第二半导体层(4)生长在发光层(3)上；所述超晶格层(5)包括至少一个超晶格单体；所述超晶格单体包括依次生长的InGaN层(5.1)、连接层(5.2)和Mg3N2层(5.3)；所述InGaN层(5.1)生长在靠近第二半导体层(4)的一侧，所述保护层(6)生长在超晶格层(5)上。
7.根据权利要求6所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述步骤三中，所述超晶格层(5)包括多个层叠生长的超晶格单体，超晶格单体的个数为15-30个。
8.根据权利要求7所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述InGaN层(5.1)的具体生长方法是：
保持反应腔压力200-300mbar，保持温度850-900℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、300-600sccm的TEGa、100-130L/min的N2和100-130sccm的TMIn，生长2-3nm的InGaN层(5.1)。
9.根据权利要求8所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述连接层(5.2)的具体生长方法是：
保持反应腔压力400-600mbar，升高温度至950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、400-1000L/min的TEGa和2000-4000sccm的Cp2Mg，生长1-2nm的连接层(5.2)。
10.根据权利要求9所述的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述Mg3N2层(5.3)的具体生长方法是：
保持反应腔压力400-600mbar，保持温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-130L/min的N2和1000-1300sccm的Cp2Mg，生长2-3nm的Mg3N2层(5.3)。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210302 |