Led外延层生长方法及所得led外延片和芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED外延片生长领域，特别地，涉及一种LED外延层生长方法及所得LED外延片和芯片。
【背景技术】
[0002]LED (light-emitting d1de)是一种能将电能直接转化为光能的半导体器件。相对于传统光源，LED具有寿命长、体积小、反应快、光效高等优点。目前，LED器件已经被广泛应用于电器指示灯、彩屏背光源及日常照明等领域。为解决大电流注入下LED发光效率衰减(efficiency droop)的问题，人们通过在量子讲层与P型GaN层之间插入AlGaN层、AlGaN/GaN超晶格或AlGaN/InGaN超晶格等多种电子阻挡层(electron blocking layer,EBL)，通过提高禁带宽度来对电子进行阻挡，使其无法从多量子阱层中外溢离开，从而提高了电子空穴复合效率。
[0003]然而，宽禁带的EBL层对电子和空穴均具有阻挡效果，从而使得EBL的引入并没有很好地解决大电流注入下的发光效率衰减问题。反而降低了空穴与电子的复合几率。降低了 LED芯片的光电转换效率。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种LED外延层生长方法及所得LED外延片和芯片，以解决现有技术中大电流注入下的发光效率衰减的技术问题。
[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种LED外延层生长方法，包括以下步骤:S1步骤:在多量子阱层上生长超晶格层；S2步骤:在超晶格层上生长P型GaN层；超晶格层包括多个叠置的单元结构，每个单元结构由P型InxGau x)N层和叠置于P型InxGau x)N层上的P型AlyGau y)N层组成；其中X = O?0.2，y = O?0.4，通过调整每个单元结构中的In和Al的掺杂浓度，使每个单元结构均满足X = 0.2-a*(n-l)，y = b*n，其中η为单元结构的序号，a为相邻单元结构间的X差值，b为相邻单元结构间的j差值，使得超晶格层中能带均呈阶梯变化。
[0006]进一步地，P型 InxGau x)N 层中 Mg 掺杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3;P 型AlyGaa y)N 中 Mg 掺杂浓度为 1E+19 ?lE+20atom/cm3。
[0007]进一步地，In的掺杂剂为TMIn ；A1的掺杂剂为TMAl。
[0008]进一步地，SI和S2步骤的生长温度为750?1000 °C，反应腔压力为100?600mbaro
[0009]进一步地，单元结构中P型InxGau x)N层厚度为I?5nm ；P型AlyGau y)N的厚度为I ?5nm0
[0010]进一步地，超晶格层中包括2?10个单元结构。
[0011]根据本发明的另一方面还提供了一种LED外延片，LED外延片上设有外延层结构，外延层结构按如权利要求1?6中任一项的方法制得。
[0012]根据本发明的另一方面还提供了一种LED芯片，由如上述的LED外延片制成。
[0013]进一步地，通200mA电流时光效为1181m/W。
[0014]本发明具有以下有益效果:
[0015]本发明提供的LED外延层的生长方法通过将电子阻挡层设置为InxGau X)N/AlyGaa y)N超晶格层，同时调整超晶格结构中的X和y呈线性渐变，使电子阻挡层中电子和空穴的能带呈现阶梯变化，在不影响电子阻挡层对电子向P型GaN层迀移的抑制作用的同时，降低电子阻挡层对空穴向量子阱层迀移的阻挡作用。在提高LED芯片亮度的同时，改善其正向电压。很好的解决大电流注入下的发光效率衰减问题。
[0016]本发明提供的按上述方法得到的LED外延层结构，能改善在大电流注入下的发光效率衰减问题，在提高LED芯片亮度的同时，降低其正向电压。
[0017]本发明提供的包含上述LED外延层结构的LED芯片，LED芯片的亮度:10mA下的1831m/ff；10mA时的光效为1481m/W，电流增大后的光效下降比率仅为19.1%。电流进一步增加至200mA时的光效为1181m/W，光效下降比率仅为35.5%。与此同时，还能避免随着电流增加而导致的LED芯片中电压上升过快的问题。
[0018]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】
[0019]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:
[0020]图1是本发明优选实施例的空穴-电子能带示意图；
[0021]图2是本发明优选实施例的LED外延层结构示意图；
[0022]图3是本发明优选实施例的芯片亮度测试结果示意图；
[0023]图4是本发明优选实施例的芯片正向电压测试结果示意图；
[0024]图5是本发明优选实施例的是芯片光效测试结果示意图。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0026]若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
[0027]本文中涉及到的百分号“ ，若未特别说明，是指质量百分比；但溶液的百分比，除另有规定外，是指溶液10ml中含有溶质若干克；液体之间的百分比，是指在20°C时容量的比例。
[0028]本发明提供的方法中包括以下步骤:S1步骤:在多量子阱有源层上生长超晶格层；S2步骤:在超晶格层上生长P型GaN层。当然也包括其他LED外延结构中层常规结构。例如衬底和依次设置于衬底上的GaN缓冲层、N型GaN层、多量子阱层等结构。在此不详述。这些层的生长条件，按常规方法进行即可。超晶格层主要作为电子阻挡层设置。故其设置位置也可参照此。
[0029]超晶格层包括多个叠置的单元结构，每个单元结构由P型InxGau X)N层和叠置于P型InxGau x)N层上的P型AlyGau y)N层组成。由其结构可知，超晶格结构的生长包括对多个单元结构的生长步骤。具体的每个单元结构的生长步骤又包括对P型InxGau X)N层的生长和在P型InxGau x)N层上对P型AlyGau y)N层生长步骤。通过重复多次单元结构的生长步骤，即可得到具有所需周期数的超晶格层。
[0030]以上超晶格层中的X = O?0.2，y = O?0.4，通过调整所掺杂TMIn和TMAl的掺杂浓度使得超晶格层中的空穴和电子的能带呈阶梯变化。按此设置超晶格层中包括了 In和Al均为O掺入的情况。由此可知，本发明提供的方法通过调整掺杂剂TMIn和TMAl的掺杂浓度，使得超晶格层中的In和Al的掺入量呈线性变化。例如可以采用多种变化比例，例如变化比例可以为1.1、1.5或1.6。随着变化比例的改变，可见所得超晶格层中的空穴和电子的能带形成具有相同变化比例的线性变化，如图1所示。由图1可见，通过改变含In物质和含Al物质的掺杂浓度，改变了空穴和电子之间的能带间距，使得所得芯片在正向电流的驱动下，电子向P型GaN层方向上迀移的阻挡层势皇随能带呈现阶梯上升，从而逐渐增大了电子向P型GaN层泄露的难度，能更好的抑制电子泄露。正向电流驱动下，空穴向多量子阱层发光区方向上迀移的阻挡层势皇能带呈阶梯下降，使得空穴隧穿该势皇层所需要的能量逐渐减小，因而如图1所示的能带结构能对空穴注入起到推动作用。因而能带阶梯变化的电子阻挡层不但很好抑制电子泄露出量子阱发光区，还能有效推动空穴注入量子阱发光区，提升量子阱发光区的电子空穴对，增强发光辐射效率，提升亮度。另外该阻挡层还能有效解决电子和空穴拥堵效应，在电流增大的情况下，电压增速缓慢。通过提升亮度和改善电压，具有该能带结构的超晶格层能使所得芯片在电流不断增大的情况下，亮度不断增加，电压增加缓慢，实现光效下降减缓。从而使得所通较大的电流，能更好的转化为光能，提高了所得LED芯片在大电流下的亮度等各项性能。
[0031]现有技术中所用InxGau x)N/AlyGa{1 y)N超晶格电子阻挡层(EBL)的能带均为直线，没有梯度变化。在正向大电流的驱动下，电子从N型GaN层迀移至多量子阱层与从P型GaN层迀移过来的空穴复合发光。EBL的高能带势皇层能够很好的阻挡电子向P型GaN层迀移，从而保证了多量子阱层中的电子浓度。然而EBL的高势皇层同样对空穴向多量子阱层的迀移产生阻挡作用，造成多量子阱层中的电子-空穴对严重失衡，出现电子在量子阱发光区和空穴在P型GaN层区域内拥堵的现象，从而导致了正向电压(VF)的升高。即传统的电子阻挡层(EBL)能在一定程度上解决电子泄露的问题，从而提高新拍的亮度(LOP)，但另一方面，则会导致芯片在大电流下，正向电压(VF)升高，而光效不发生明显提升的现象。本发明通过更改EBL层的Al、In等掺杂掺杂浓度，进而改变InxGau x)N/AlyGa{1 y)N超晶格层的能带结构，从而在保证超晶格层对电子的阻挡作用的同时，减少该层对空穴的阻挡作用，从而提高了芯片的光电转化率。
[0032]优选的，X = 0.2-a*(n_l)，y = b*n，η为超晶格层中单元结构的序号，a为相邻单元结构间的X差值，b为相邻单元结构将的y差值。其中η为从多量子阱层开始的第一个超晶格单元结构，将其标记为η = 1，之后叠置于其他的其他单元结构依序标记为η = 2、3和4依次所得序号。按此公式调整In和Al的掺杂浓度，从而达到按上述公式控制X和y的目的。能保证所得超晶格层对电子的阻挡效果达到最优的同时，对空穴的推动作用也达到最优。同时防止能带发生改变后，无法降