一種提高led發(fā)光效率的外延生長方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新的LED外延生長方法，能有效提升LED外延的發(fā)光效率。該方法包括生長N-GaN層的環(huán)節(jié)、生長多量子阱層的環(huán)節(jié)、以及生長P-GaN層的環(huán)節(jié)，所述多量子阱層為若干對AlxGa1-xN/InyGa1-yN的結(jié)構(gòu)，0＜x＜1，0＜y＜1；生長多量子阱層的環(huán)節(jié)依次分為以下三個生長階段：第一階段對AlxGa1-xN量子壘進(jìn)行p型摻雜；第二階段對AlxGa1-xN量子壘不做摻雜；第三階段對AlxGa1-xN量子壘進(jìn)行n型摻雜；然后生長摻雜p型AlGaN阻擋層，再進(jìn)行所述生長P-GaN層的環(huán)節(jié)。
【專利說明】—種提局LED發(fā)光效率的外延生長方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體電子器件制備技術(shù)，特別涉及一種新的生長LED外延生長方法。

【背景技術(shù)】
:
[0002]LED照明以其發(fā)光效率高，使用壽命長，安全可靠性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，成為繼白熾燈、節(jié)能燈之后的第三代高效光源。目前，LED已廣泛應(yīng)用到交通燈，汽車尾燈，廣告顯視屏，手機(jī)電視背光源和白光照明燈領(lǐng)域。一顆可正常使用的LED燈珠的生產(chǎn)一般經(jīng)歷以下環(huán)節(jié):外延生長段，芯片段和封裝段。其中外延生長段決定了 LED超過80%的亮度，是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心技術(shù)。外延生長是在藍(lán)寶石襯底上用MOCVD技術(shù)設(shè)計(jì)生長LED的PN結(jié)構(gòu)，一般分為緩沖層，U-GaN層，N-GaN層，多量子阱層和P-GaN層。其中多量子阱層是發(fā)光核心，一般而言，多量子阱層主要的出光層是靠近P-GaN的一對或兩對量子阱，其余量子阱對出光的貢獻(xiàn)都不大，其主要原因是空穴的遷移能力不高，不能有效地從P-GaN中遷移到量子阱中與電子復(fù)合，使得遠(yuǎn)離P-GaN的量子阱因缺乏足夠的復(fù)合空穴而導(dǎo)致發(fā)光效率降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0003]本發(fā)明提供一種新的LED外延生長方法，能有效提升LED外延的發(fā)光效率。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]一種提高LED發(fā)光效率的外延生長方法，包括生長N-GaN層的環(huán)節(jié)、生長多量子阱層的環(huán)節(jié)、以及生長P-GaN層的環(huán)節(jié)，所述多量子阱層為若干對AlxGal-xN/InyGal-yN的結(jié)構(gòu)，O < X < 1，0 < y < I ;其特殊之處在于，生長多量子阱層的環(huán)節(jié)依次分為以下三個生長階段:
[0006]第一階段，在N-GaN層的基礎(chǔ)上，生長至少一對AlxGal-xN/InyGal-yN，生長過程中對AlxGal-xN量子魚進(jìn)行p型慘雜；
[0007]第二階段，生長至少一對AlxGal-xN/InyGal-yN,生長過程中對AlxGal-xN量子魚不做摻雜；
[0008]第三階段，生長至少一對AlxGal-xN/InyGal-yN,生長過程中對AlxGal-xN量子魚進(jìn)行η型摻雜；
[0009]然后生長摻雜P型AlGaN阻擋層，再進(jìn)行所述生長P-GaN層的環(huán)節(jié)。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步對以上各階段的周期數(shù)以及相應(yīng)的摻雜濃度作出如下優(yōu)化限定:
[0011]第一階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對其量子壘摻雜的Mg的摻雜濃度為1.0Χ 116Cm 3 ?9.9 X 116Cm 3。
[0012]第二階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對量子壘不做摻雜；
[0013]第三階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對其量子壘摻雜時(shí)Si的摻雜濃度為1.0Χ 115Cm 3 ?9.9 X 115Cm 3。
[0014]本發(fā)明還提供一種利用上述外延生長方法制備的LED外延片，其包括在藍(lán)寶石襯底上依次生長的低溫GaN層、無摻雜U-GaN層、摻雜娃燒的n_GaN層、AlxGal-xN/InyGal-yN多量子阱層、P型AlGaN阻擋層以及摻雜Mg的P型GaN層；所述AlxGal-xN/InyGal-yN多量子阱層依次分為三個階段層，其中第一個階段層的AlxGal-xN/InyGal-yN具有P型摻雜，第二個階段層的AlxGal-xN/InyGal-yN無摻雜,第三個階段層的AlxGal-xN/InyGal-yN具有η型摻雜。
[0015]本發(fā)明的有益效果如下:
[0016]對于傳統(tǒng)方案來說，由于空穴的遷移率遠(yuǎn)小于電子的遷移率，導(dǎo)致本發(fā)明所述第一階段的量子阱中嚴(yán)重缺乏從P-GaN中遷移來的空穴，使空穴電子的復(fù)合發(fā)光效率降低；未能與空穴復(fù)合發(fā)光的盈余電子在向P-GaN遷移的過程中，會以釋放熱量的方式降低自身能量，使LED的溫度上升，熱穩(wěn)定性變差。
[0017]本發(fā)明第一階段量子阱周期數(shù)為1-5對，并對其量子壘進(jìn)行Mg摻雜，Mg的摻雜濃度為1.0X 116CnT3—9.9X 116Cm-3,為第一階段量子阱提供更多的空穴。不僅增加了與電子的復(fù)合率，提高了第一階段量子阱的發(fā)光效率，而且能有效俘獲盈余電子，減少盈余電子的發(fā)熱效應(yīng)，提高LED的熱穩(wěn)定性。由于摻雜Mg會影響晶體質(zhì)量，所以在此處的Mg摻雜為微量摻雜。
[0018]第二階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對量子壘不做摻雜。由于第一階段的量子阱中摻雜了 Mg，使晶體表面缺陷增多，不利于后續(xù)晶體的生長，此階段生長周期性的量子阱能起到過渡層的作用，弛豫表面應(yīng)力，修復(fù)表面缺陷，為后續(xù)的第三階段生長提供平整表面。
[0019]第三階段量子阱最靠近p-GaN，空穴濃度很大，由于空穴的遷移率較差，容易在第三階段富集，從而降低P-GaN中空穴向量子阱的注入效率，降低LED亮度。本發(fā)明第三階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對其量子壘摻雜時(shí)Si的摻雜濃度為LOXlO15cnT3——9.QXlO1W30對第三階段的量子壘摻雜Si，可以提供更多電子，不僅可以提高電子空穴的復(fù)合量，還能大量消耗第三階段中富集的空穴，使量子阱區(qū)和P-GaN區(qū)的空穴濃度差增大，從而增強(qiáng)P-GaN中空穴向量子阱的注入效率。使LED發(fā)光效率得到提升。由于過多摻雜Si會影響晶體質(zhì)量，所以在此處的Si摻雜為微量摻雜。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0020]圖1為本發(fā)明的LED的外延整體結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖2為圖1中第5層AlxGal-xN/InyGal-yN量子阱層的摻雜結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
:
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的描述。
[0023]本發(fā)明運(yùn)用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)外延生長技術(shù)，采用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)硅烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長所需要的鎵源、銦源、鋁源、氮源、硅源和鎂源。
[0024]實(shí)施例一(本發(fā)明)
[0025]1.將清洗后的藍(lán)寶石襯底放入MOCVD設(shè)備中，在1100°C烘烤10分鐘。
[0026]2.降溫度620°C生長一層厚度為1nm的低溫GaN層，生長壓力為500torr。
[0027]3.升溫至1165°C生長一層厚度1.5um的無摻雜U-GaN層，生長壓力為200torr。
[0028]4.升溫至1170 °C，生長一層厚度為2.0um摻雜硅烷的n_GaN層，生長壓力位200torro
[0029]5.切換載氣，由氫氣變?yōu)榈獨(dú)?，壓力?00torr，生長AlxGal-xN/InyGal-yN多量子阱層。降溫至1075°C，生長厚度為3nm的InyGal-yN量子阱層；再升溫至1165°C，生長厚度為1nm的AlxGal-xN量子壘層，完成一對量子阱的生長。隨后降溫至1075°C，開始生長下一對的量子阱，如此共生長9對量子阱，其中第1，2，3對量子壘中摻入Mg進(jìn)行P型摻雜，Mg的摻雜濃度為3.0X 116CnT3 ;第4，5，6對量子壘不做摻雜，第7，8，9對量子壘摻入Si進(jìn)行η型摻雜，Si的摻雜濃度為2.5Χ 1015cm_3。
[0030]6.切換載氣，由氮?dú)庾優(yōu)闅錃?，溫度?185°C，150torr，生長一層P型AlGaN層，厚度2Onm,生長壓力為lOOtorr。
[0031]7.溫度1080°C，生長一層厚為150nm摻雜Mg的p型GaN，生長壓力位lOOtorr。
[0032]8.切換氣體，由氫氣變?yōu)榈獨(dú)?，在氮?dú)夥諊?200°C中退火20min。
[0033]實(shí)施例二(傳統(tǒng)方案)
[0034]1.將清洗后的藍(lán)寶石襯底放入MOCVD設(shè)備中，在1100°C烘烤10分鐘。
[0035]2.降溫度620°C生長一層厚度為1nm的低溫GaN層，生長壓力為500torr。
[0036]3.升溫至1165°C生長一層厚度1.5um的無摻雜U-GaN層，生長壓力為200torr。
[0037]4.升溫至1170°C，生長一層厚度為2.0um摻雜硅烷的n-GaN層，生長壓力位200torro
[0038]5.切換載氣，由氫氣變?yōu)榈獨(dú)?，壓力?00torr，生長AlxGal-xN/InyGal-yN多量子阱層。降溫至1075°C，生長厚度為3nm的InyGal-yN量子阱層；再升溫至1165°C，生長厚度為1nm的AlxGal-xN量子壘層，完成一對量子阱的生長。隨后降溫至1075°C，開始生長下一對的量子講，如此共生長9對量子講。
[0039]6.切換載氣，由氮?dú)庾優(yōu)闅錃?，溫度?185°C，150torr，生長一層P型AlGaN層，厚度2Onm,生長壓力為lOOtorr。
[0040]7.溫度1080°C，生長一層厚為150nm摻雜Mg的p型GaN，生長壓力位lOOtorr。
[0041]8.切換氣體，由氫氣變?yōu)榈獨(dú)猓诘獨(dú)夥諊?200°C中退火20min。
[0042]對比本發(fā)明外延生長方法(實(shí)施例一)與傳統(tǒng)外延生長方法制備的外延片(實(shí)施例二)在同等芯片工藝條件下制備的芯片數(shù)據(jù)，本發(fā)明制備芯片較傳統(tǒng)方法制備芯片的光效提升了約15%。明顯提高了 LED得發(fā)光效率。
【權(quán)利要求】
1.一種提高LED發(fā)光效率的外延生長方法，包括生長N-GaN層的環(huán)節(jié)、生長多量子阱層的環(huán)節(jié)、以及生長P-GaN層的環(huán)節(jié)，所述多量子阱層為若干對AlxGal-xN/InyGal-yN的結(jié)構(gòu)，O < X < 1，0 < y < I ;其特征在于，生長多量子阱層的環(huán)節(jié)依次分為以下三個生長階段: 第一階段，在N-GaN層的基礎(chǔ)上，生長至少一對AlxGal-xN/InyGal-yN，生長過程中對AIxGa1-χΝ量子魚進(jìn)行ρ型慘雜； 第二階段，生長至少一對AlxGal-xN/InyGal-yN,生長過程中對AlxGal_xN量子魚不做摻雜； 第三階段，生長至少一對AlxGal-xN/InyGal-yN,生長過程中對AlxGal_xN量子魚進(jìn)行η型摻雜； 然后生長摻雜P型AlGaN阻擋層，再進(jìn)行所述生長P-GaN層的環(huán)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高LED發(fā)光效率的外延生長方法，其特征在于: 第一階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對其量子壘摻雜的Mg的摻雜濃度為1.0X 116CnT3?9.9 X 116Cm 3 ； 第二階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對量子壘不做摻雜； 第三階段量子阱周期數(shù)為1-5對，對其量子壘摻雜時(shí)Si的摻雜濃度為1.0 X 115CnT3?9.9 X 115Cm 3O
3.采用權(quán)利要求1所述外延生長方法制備的LED外延片，包括在藍(lán)寶石襯底上依次生長的低溫GaN層、無慘雜U-GaN層、慘雜娃燒的n_GaN層、AlxGal-xN/InyGal—yN多里子講層、P型AlGaN阻擋層以及摻雜Mg的ρ型GaN層；其特征在于: 所述AlxGal-xN/InyGal-yN多量子阱層依次分為三個階段層，其中第一個階段層的AlxGal-xN/InyGal-yN具有ρ型摻雜,第二個階段層的AlxGal-xN/InyGal-yN無摻雜,第三個階段層的AlxGal-xN/InyGal-yN具有η型摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的LED外延片，其特征在于: 第一階段量子阱周期數(shù)為1-5對，摻雜濃度為1.0X 116CnT3?9.9 X 116cnT3 ； 第二階段量子阱周期數(shù)為1-5對； 第三階段量子阱周期數(shù)為1-5對，摻雜濃度為1.0X 115CnT3?9.9Χ 1015cm_3。
【文檔編號】H01L33/30GK104332544SQ201410577916
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】商毅博 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司