一种LED外延结构及生长方法与流程

一种led外延结构及生长方法
技术领域
[0001]
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：

[0002]
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。
[0003]
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。
[0004]
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。


技术实现要素：

[0005]
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：
[0006]
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。
[0007]
以上技术方案优选的，所述保护层为p型gan层。
[0008]
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。
[0009]
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。
[0010]
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in
x
ga
(1-x)
n层和sigan层，其中x＝0.1-0.3，所述in
x
ga
(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。
[0011]
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；
[0012]
步骤一：在衬底上生长第一半导体层；
[0013]
步骤二：在第一半导体层生长发光层；
[0014]
步骤三：在发光层上生长复合层；
[0015]
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。
130sccm的tmin，生长2-3nm的ingan层。
[0029]
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。
[0030]
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。
[0031]
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。
[0032]
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
[0033]
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：
[0034]
图1是本实施例1的led外延结构的示意图；
[0035]
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、in
x
ga
(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
[0036]
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。
[0037]
实施例1：
[0038]
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；
[0039]
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。
[0040]
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in
x
ga
(1-x)
n层3.1和sigan层3.2，其中x＝0.1-0.3；所述in
x
ga
(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。
[0041]
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。
[0042]
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)。
[0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
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：
[0046]
步骤a1：处理衬底1
[0047]
步骤a1.1：处理衬底：
[0048]
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。
[0049]
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)
[0050]
步骤b1.1：在衬底1上生长缓冲层2.1：
[0051]
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)。
[0052]
步骤b1.1.1：将低温缓冲层腐蚀成不规则的小岛形状：
[0053]
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。
[0054]
步骤b1.2：在缓冲层2.1上生长u型gan层2.2：
[0055]
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)。
[0056]
步骤b1.3：在u型gan层2.2上生长n型gan层2.3：
[0057]
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)；
[0058]
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。
[0059]
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in
x
ga
(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：
[0060]
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：
[0061]
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in
x
ga
(1-x)
n层(此时优选x＝0.10-0.15)；
[0062]
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in
x
ga
(1-x)
n层生长4-8nm的sigan层；
[0063]
然后重复交替生长in
x
ga
(1-x)
n层和sigan层，周期数为4-6个(即生长4-6个发光单体)。
[0064]
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：
[0065]
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in
x
ga
(1-x)
n层(此时优选x＝0.25-0.30)；
[0066]
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in
x
ga
(1-x)
n层上生长12-14nm的sigan层；
[0067]
然后重复交替生长in
x
ga
(1-x)
n层和sigan层，周期数为9-10个(即生长9-10个发光单体)。
[0068]
步骤c1.3：第三生长阶段，在第二生长阶段上生长in
x
ga
(1-x)
层(即生长发光工作层)：
[0069]
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in
x
ga
(1-x)
n层(此时优选x＝0.25-0.30)。
[0070]
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；
[0071]
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)：
[0072]
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：
[0073]
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；
[0074]
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。
[0075]
步骤d1.1.2：在p型algan层4.1上生长p型gan层4.2：
[0076]
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。
[0077]
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：
[0078]
步骤d1.2.1：生长ingan层5.1：
[0079]
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。
[0080]
步骤d1.2.2：生长连接层5.2：
[0081]
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。
[0082]
步骤d1.2.3：生长mg3n2层5.3：
[0083]
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。
[0084]
步骤d1.3：在超晶格层上生长保护层6：
[0085]
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。
[0086]
步骤e：生长结束
[0087]
步骤e1.1：生长结束：
[0088]
降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统，关闭给气系统，随炉冷却。
[0089]
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。
[0090]
本实施例1的生长方法制备得到样品2和样品3：
[0091]
实施例2：
[0092]
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。
[0093]
实施例2的生长方法制备得到样品1。
[0094]
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。
[0095]
表1样品1、样品2和样品3的电性参数表
[0096]
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1130.01lm/w3.066v34.99v531.0nm0.040μa90.5％样品2140.31lm/w3.01v35.54v531.5nm0.036μa91.5％样品3137.31lm/w3.05v34.54v531.2nm0.033μa90.7％
[0097]
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。
[0098]
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。