发光二极管的外延片及其制作方法
【专利摘要】本申请公开了发光二极管的外延片及其制作方法，该发光二极管的外延片包括：掺杂Si的GaN层；组分恒定发光层，位于所述掺杂Si的GaN层之上；组分渐变发光层，位于所述组分恒定发光层之上；以及P型AlGaN层，位于所述组分渐变发光层之上；其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN层的In掺杂浓度不同。本申请相比现有技术，可调整发光层的电子填充状态的分布，调节发光层的能带，从而提高空穴和电子的复合效率。
【专利说明】发光二极管的外延片及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及发光二极管芯片制造技术，更具体地，涉及一种具有渐变式能带的外 延片及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED)是一种将电能转化为光能的半导 体电子器件。当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光。LED照明已广泛应用于 家居、装饰、办公、招牌甚至路灯用途。LDE的芯片结构设计是一项非常复杂的系统工程，其 内容涉及以提高注入效率和光效为目的电致发光结构设计、以提高学出光效率为目的的光 引出结构设计和与光效密相关的电极设计等。
[0003] LED的核心部分是由p型半导体和η型半导体组成的晶片，在p型半导体和η型 半导体之间有一个过渡层，称为ρ-η结。在ΡΝ结注入的电子跃迁至空穴的位置，带系的能 带差能量以光子的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。因此，LED的复合效率决定 LED的光效。
[0004] 随着金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称M0CVD)外延生长技术和多量子阱结构的发展，人们在精确控制外延、掺 杂浓度和减少位错等方面都取得了突破，处延片的内量子效率已有很大提高。使用传统的 LED M0CVD外延生长技术来生长外延片的发光层一般需要生长14-16个周期（所谓周期是 重复生长一个单元的次数，单元一把包括两种材料构成，周期性生长就是不做任何改变的 重复生长单元材料），而空穴填充的周期为5-6个位置靠近P层，电子在14-16周期有填充， 从N层向P层的电子的填充浓度是递减的，靠近靠近N层的周期数达9-10个不参与发光 (靠近N层的9-10个周期单元材料因为没有空穴，所以不发光，是材料不参与发光），因为 空穴浓度（空穴的浓度不是电子浓度，空穴是电性和电子相反的一种物理定义粒子，请参 考半导体物理）几乎为零，复合效率几乎为零。
[0005] 因此，需要一种新的发光二极管的外延片及其制作方法以解决上述缺陷。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本申请提供一种发光二极管的外延片及其制作方法以解决上述问题。
[0007] 本申请公开了一种发光二极管的外延片，其特征在于，包括：
[0008] 掺杂Si的GaN层；
[0009] 组分恒定发光层，位于所述掺杂Si的GaN层之上；
[0010] 组分渐变发光层，位于所述组分恒定发光层之上；以及
[0011] P型AlGaN层，位于所述组分渐变发光层之上；
[0012] 其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述 InGaN层的In掺杂浓度不同。
[0013] 优选地，其中，所述InGaN层是通过在低温700?750°C生长掺杂In的1. 5? 3. 5nm的InxGa(l_x)N层得到，所述InxGa(l_x)N层的周期数为3?6, x = 0· 1?0· 25。
[0014] 优选地，其中，所述GaN层是通过在高温800?850°C生长6?12nm的GaN层得 至丨J，所述GaN层的周期数为3?6, X = 0. 1?0. 25。
[0015] 优选地，其中，在所述InGaN层和/或所述GaN层中掺杂Mg、In或A1。
[0016] 优选地，其中，掺杂浓度为lE+17atom/cm~3。
[0017] 本申请还公开了一种发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，包括：
[0018] 生长掺杂Si的GaN层；
[0019] 在所述掺杂Si的GaN层之上生长组分恒定发光层；
[0020] 在所述组分恒定发光层之上生长组分渐变发光层；以及
[0021] 在所述组分渐变发光层之上生长P型AlGaN层；
[0022] 其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述 InGaN层的In掺杂浓度不同。
[0023] 优选地，其中，通过在低温700?750°C生长掺杂In的L 5?3. 5nm的InxGa (1-x) N层得到所述InGaN层，其中所述InxGa(l-x)N层的周期数为3?6, X = 0. 1?0. 25。
[0024] 优选地，其中，通过在高温800?850°C生长6?12nm的GaN层得到所述GaN层， 其中所述GaN层的周期数为3?6, X = 0. 1?0. 25。
[0025] 优选地，其中，在所述InGaN层和/或所述GaN层中掺杂Mg、In或A1。
[0026] 优选地，其中，掺杂浓度为lE+17atom/cm~3。
[0027] 本申请提出的发光二极管的外延片及其制作方法，相比现有技术，可调整发光层 的电子填充状态的分布，调节发光层的能带，从而提高空穴和电子的复合效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申 请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0029] 图1为现有的LED外延片生长方法的流程示意图。
[0030] 图2为利用图1现有的LED外延片生长方法生产出的LED外延片结构。
[0031] 图3为依据本发明一实施例的LED外延片生长方法的流程示意图。
[0032] 图4为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片结构。
[0033] 图5为利用图1现有的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带 示意图。
[0034] 图6为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带示意 图。
[0035] 图7为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片亮度的对比示意图。
[0036] 图8为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片电压的对比示意图。
【具体实施方式】
[0037] 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员 应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以 名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在 通篇说明书及权利要求当中所提及的"包含"为一开放式用语，故应解释成"包含但不限定 于"。"大致"是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述 技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述 描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围 当视所附权利要求所界定者为准。
[0038] 图1为现有的LED外延片生长方法的流程示意图。如图1所示，包括以下步骤。
[0039] 步骤101，处理蓝宝石衬底。
[0040] 现有技术中可在1000?1200°C的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底3?5分钟。
[0041] 步骤102,生长低温缓冲层GaN。
[0042] 可降温至530?560°C，在蓝宝石衬底上生长厚度为20?30nm的低温缓冲层GaN。
[0043] 步骤103,生长不掺杂GaN。
[0044] 可升高温度到1000?1100°C，持续生长3?4um的不掺杂GaN。
[0045] 步骤104,生长掺杂Si的N型GaN。
[0046] 可生长3?4μ m持续掺杂Si的N型GaN，其中Si掺杂浓度为1E+19?2E+19。
[0047] 步骤105,生长发光层MQW。
[0048] 可周期性生长发光层MQW，其中低温700?750°C生长掺杂In的2. 5?3nm的 InxGa(l-x)N 层，高温 800 ?850°C 生长 11 ?12nm 的 GaN 层。其中，InxGa(l-x)N 或 GaN 的周期数为14-16个，每个周期的InxGa(l-x)N的In组分恒定，其中X = 0. 20?0. 25。 InGaN/GaN为一个周期，一个周期里有InGaN材料叫做每个周期的InGaN。
[0049] 步骤106、生长P型AlGaN层。
[0050] 升高温度到900?930°C，持续生长20?30nm的P型AlGaN层，其中A1的掺杂浓 度为1E+20?2E+20, Mg的掺杂浓度为8E+18?1E+19。
[0051] 步骤107,生长掺镁的P型GaN层。
[0052] 升高温度到930?1000°C，持续生长100?150nm的掺镁的P型GaN层，Mg掺杂 浓度为5E+18?1E+19。
[0053] 步骤108,冷却。
[0054] 降温至700?750°C，保温20?30min，接着炉内冷却。
[0055] 图2为利用图1现有的LED外延层生长方法生产出的LED外延片结构。如图2所 示，201为蓝宝石衬底，202为依据上述步骤102生长的低温缓冲层GaN，203为依据上述步 骤103生长的不掺杂Si的GaN，204为依据上述步骤104生长的掺杂Si的GaN，205为发光 层，其中205-1依据上述步骤105生长的InGaN，205-2为依据步骤105生长的GaN，206为 依据上述步骤106生长的掺杂A1的P型GaN，207为依据上述步骤107生长的掺杂Mg的P 型 GaN。
[0056] 图3为依据本发明一实施例的LED外延片生长方法的流程示意图。在本发明的一 实施例中，运用Aixtron M0CVD来生长高亮度GaN基LED外延片。在本发明的一实施例中， 采用高纯H2或高纯N2或高纯H 2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)，三甲基铟（TMIn)作为铟源，N型掺杂剂为硅烷（SiH 4)，三甲基铝（TMA1) 作为铝源P型掺杂剂为二茂镁（CP2Mg)，衬底为（0001)面蓝宝石，反应压力在lOOmbar到 800mbar之间。具体生长方式如下述步骤。
[0057] 步骤301，处理蓝宝石衬底。
[0058] 在本发明的一实施例中，可在1000?1200°C的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底 3?5分钟。
[0059] 步骤302,生长低温缓冲层GaN。
[0060] 在本发明的一实施例中，可降温至530?560°C，在蓝宝石衬底上生长厚度为 20?30nm的低温缓冲层GaN ;
[0061] 步骤303,生长不掺杂GaN。
[0062] 在本发明的一实施例中，可升高温度到1000?1100°C，持续生长3?4um的不掺 杂 GaN ;
[0063] 步骤304,生长掺杂Si的N型GaN。
[0064] 在本发明的一实施例中，可生长3?4μπι持续掺杂Si的N型GaN，其中Si掺杂浓 度为 1E+19 ?2E+19。
[0065] 步骤305,生长发光层MQW。
[0066] 在本发明的一实施例中，步骤305又包括步骤305-1和305-2。
[0067] 其中在步骤305-1中，低温700?750°C生长掺杂In的2. 5-3nm的InxGa(l-x)N 层，高温800?850°C生长1 l_12nm的GaN层。其中，InxGa (1-x) N和GaN周期数为9-10个， 每个周期的InxGa(l-x)N的In组分恒定（In掺杂浓度相同），x = 0. 20?0. 25。因此，步 骤305-1生长的发光层，又可称作组分恒定的发光层。
[0068] 然后，在步骤305-2中，低温700?750 °C生长掺杂In的1. 5?3. 5nm的 InxGa (1-x) N 层，高温 800 ?850°C 生长 6 ?12nm 的 GaN 层。其中，InxGa (1-x) N 或 GaN 周 期数为3?6个，每个周期的InxGa(l-x)N的In组分不恒定（In掺杂浓度不相同），X = 0. 1?0. 25, X由0. 25逐渐减少至0. 1，或者X由0. 1逐渐减少至0. 25。因此，步骤305-2 生长的发光层，又可称作组分渐变的发光层。在本发明的一实施例中，在步骤305-2中，适 当地在InGaN/GaN中轻度掺杂Mg、In、A1 (上述三种均有），浓度约lE+17atom/cnT3。掺杂 Mg有利于空穴的注入；掺杂A1有利于阻挡电子的泄露，增加发光层的电子空穴复合效率； 掺杂In可以适当地减缓GaN对InGaN材料的应力影响，还有利于空穴的注入。由于步骤 305-2中生长的InGaN/GaN是不参与发光的，其作用是防止电子的外溢和增加发光层的空 穴浓度，而适当地添加 Mg、A1或In则上述效果更好。需要说明的是，在步骤305-2中不能 掺杂Si元素，如果掺杂了 Si整个LED将不能正常工作。
[0069] 步骤306、生长P型AlGaN层。
[0070] 在本发明的一实施例中，升高温度到900?930°C，持续生长20?30nm的P型 AlGaN层，其中A1的掺杂浓度为1E+20?2E+20, Mg的掺杂浓度为8E+18?1E+19。
[0071] 步骤307,生长掺镁的P型GaN层。
[0072] 在本发明的一实施例中，升高温度到930?1000°C，持续生长100?150nm的掺镁 的P型GaN层，Mg掺杂浓度为5E+18?1E+19。
[0073] 步骤3〇8,冷却。
[0074] 在本发明的一实施例中，降温至700?750°C，保温20?30min，接着炉内冷却。
[0075] 图4为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片结构。如图4所示， 401为蓝宝石衬底，402为依据上述步骤302生长在蓝宝石衬底之上的低温缓冲层GaN，403 为依据上述步骤303生长在低温缓冲层GaN之上的不掺杂Si的GaN，404为依据上述步骤 304生长在不掺杂Si的GaN之上的掺杂Si的GaN，405为发光层，生长在掺杂Si的GaN之 上，包括405-1和生长在405-1之上的405-2,其中405-1为组分恒定发光层，405-2为组 分渐变发光层。405-1包括405-1-1和405-1-2,其中405-1-1依据上述步骤305-1生长 的InGaN，405-1-2为依据步骤305-1生长的GaN。405-2包括405-2-1和405-2-2,其中 405-2-1依据上述步骤305-2生长的InGaN，405-2-2为依据步骤305-2生长的GaN。需说 明的是，本发明并不限制组分恒定发光层和组分渐变发光层的InGaN和GaN的排列顺序，也 就是说，InGaN可位于GaN之上，也可位于GaN之下。406为依据上述步骤306生长在发光 层405之上的掺杂A1的P型GaN，407为依据上述步骤307生长在掺杂A1的P型GaN之上 的掺杂Mg的P型GaN。
[0076] 由上述可知，本发明提出的LED外延片生长方法与现有的LED结构外延生长方法 相比，区别在于步骤305的发光层的生长方法。现有的发光层包括14-16个周期的势阱 InGaN和势磊GaN，参与发光的是靠近P层的4-6个周期的势阱InGaN和势磊GaN，靠近N层 由于空穴浓度非常低，电子和空穴不产生发光复合。而本发明提出的发光层的生长方法通 过掺杂Mg、Ιη、Α1来调整发光层的电子填充状态的分布，调节了发光层的能带，从而提高空 穴和电子的复合效率。
[0077] 图5为利用图1现有的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带 示意图。
[0078] 如图5所示，横坐标EV :GaN材料能带价带，EF :GaN材料能带费米能级，EC :GaN材 料能带导带；向下箭头代表名称对应能带区域。
[0079] 图6为利用图3的LED外延片生长方法生产出的LED外延片的发光层的能带示意 图。
[0080] 发光层性能比较
[0081] 接下来通过实验来说明用本发明提出的LED外延层生长方法生产出的LED外延层 的发光层的性能。
[0082] 根据现有的LED外延层生长方法生制备样品1，根据本发明提出的LED外延层生长 方法制备样品2、3、4、5、6 ;样品1和样品2、3、4、5、6的外延生长方法参数的不同点在于生 长发光层势阱的生长条件不一样（如表中粗体参数），其它外延层生长条件完全一样。请参 考表1?表5,样品1和样品2、3、4、5、6在相同的工艺条件下镀ΙΤ0层约150nm，相同的条 件下镀Cr/Pt/Au电极约70nm，相同的条件下镀保护层Si0 2约30nm，然后在相同的条件下 将样品研磨切割成762 μ m*762 μ m(30mil*30mil)的芯片颗粒，然后在相同位置挑选样品1 和样品2各150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和样品2、3、4、5、6的光电性能。
[0083] 表 1
[0084]
【权利要求】
1. 一种发光二极管的外延片，其特征在于，包括： 掺杂Si的GaN层； 组分恒定发光层，位于所述掺杂Si的GaN层之上； 组分渐变发光层，位于所述组分恒定发光层之上；以及 P型AlGaN层，位于所述组分渐变发光层之上； 其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN 层的In掺杂浓度不同。
2. 如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述InGaN层是通过在低 温700?750°C生长掺杂In的L 5?3. 5nm的InxGa (1-x) N层得到，所述InxGa (1-x) N层 的周期数为3?6, X = (λ 1?0· 25。
3. 如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述GaN层是通过在高温 800?850°C生长6?12nm的GaN层得到，所述GaN层的周期数为3?6, X = 0· 1?0· 25。
4. 如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，在所述InGaN层和/或所述 GaN层中掺杂Mg、In或A1。
5. 如权利要求4所述的发光二极管的外延片，其特征在于，掺杂浓度为lE+17atom/ cm"3〇
6. -种发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，包括： 生长掺杂Si的GaN层； 在所述掺杂Si的GaN层之上生长组分恒定发光层； 在所述组分恒定发光层之上生长组分渐变发光层；以及 在所述组分渐变发光层之上生长P型AlGaN层； 其中，所述组分渐变发光层包括GaN层和掺杂In的InGaN层，每个周期的所述InGaN 层的In掺杂浓度不同。
7. 如权利要求6所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，通过在低温 700?750°C生长掺杂In的1. 5?3. 5nm的InxGa(l-x)N层得到所述InGaN层，其中所述 InxGa(l-x)N层的周期数为3?6, X = 0· 1?0· 25。
8. 如权利要求6所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，通过在高温800? 850°C生长6?12nm的GaN层得到所述GaN层，其中所述GaN层的周期数为3?6, X = 0. 1 ?0. 25。
9. 如权利要求6所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，在所述InGaN层和 /或所述GaN层中掺杂Mg、In或A1。
10. 如权利要求9所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，掺杂浓度为 lE+17atom/cnT3〇
【文档编号】H01L33/06GK104157760SQ201410381826
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】马海庆, 张宇, 徐迪 申请人:湘能华磊光电股份有限公司