发光二极管的外延片及其制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种发光二极管的外延片及其制作方法。该方法包括：低温缓冲层GaN；不掺杂GaN层，位于所述低温缓冲层GaN之上；掺杂Si的N型GaN层，位于所述不掺杂GaN层之上；发光层，位于所述掺杂Si的N型GaN层之上；P型GaN层，位于所述发光层之上；以及高温P型GaN层，位于所述P型GaN层之上；其中，所述发光层包括多个周期的InGaN层和GaN层，每个周期的InGaN层通过时间分段生长。本申请的发光二极管的外延片及其制作方法通过分段生长发光层的InGaN，可改变表面形貌，提高In原子的表面迁移率，从而提高发光二极管的发光效率。
【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，涉及一种发光二极管的外延片 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作为一种高效、 环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优 点，正在被迅速广泛地得到应用。如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源、 户外全彩显示屏等。尤其是在照明领域，大功率芯片是未来LED发展的趋势。
[0003] 图1是为LED芯片的结构示意图。如图1所示，LED芯片具有蓝宝石衬底101，外 延层102位于蓝宝石衬底101之上，电流扩展层103位于外延层102之上。外延层102包 括发光层。电流扩展层103包括电流阻挡层（Current Blocking Layer,简称CBL)、透明导 电（例如氧化铟锡（Indium Tin Oxides,简称ΙΤ0)层、金属电极、氧化娃保护层。在蓝宝石 衬底101的下表面还可利用DBR或0DR技术形成分布式布拉格反射/全方位反射镜层104。
[0004] LED市场上现在要求LED芯片驱动电压低，特别是大电流下驱动电压越低越好、光 效越高越好。LED市场价值的体现为光效与单价比（即光效/单价）。一般来说，光效越 好，价格越高，所以LED的高光效一直是LED厂家所追求的目标。LED的光效很大程度和外 延层的发光层的材料特性相关，所以制作优良的发光层成为提高LED光效的关键，目前已 知的方法例如为阶梯阱、势磊应力释放层等等。
[0005] 然而，上述发光层的制作方法无法满足使用者对光效的需求，因此，需要一种新的 LED外延片及其制作方法以提高光效。
【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，其特征在于，包括：
[0007] 低温缓冲层GaN ;
[0008] 不掺杂GaN层，位于所述低温缓冲层GaN之上；
[0009] 掺杂Si的N型GaN层，位于所述不掺杂GaN层之上；
[0010] 发光层，位于所述掺杂Si的N型GaN层之上；
[0011] P型GaN层，位于所述发光层之上；以及
[0012] 高温P型GaN层，位于所述P型GaN层之上；
[0013] 其中，所述发光层包括多个周期的InGaN层和GaN层，每个周期的InGaN层通过时 间分段生长。
[0014] 优选地，其中，每个周期的所述InGaN层包括预定层数的子InGaN层。
[0015] 优选地，其中，所述预定层数为3层。
[0016] 优选地，其中，所述预定层数的子InGaN层包括：
[0017] 通入第一预定时间的TEGa和TMIn所形成的第一子InGaN层；
[0018] 间断第二预定时间之后再通入所述第一预定时间的所述TEGa和所述TMIn所形成 的第二子InGaN层；以及
[0019] 间断所述第二预定时间之后再通入所述第一预定时间的所述TEGa和所述TMIn所 形成的第三子InGaN层。
[0020] 优选地，其中，所述第一预定时间为30?90s，所述第二预定时间为3?15s。
[0021] 有鉴于此，本申请还提供一种发光二极管的外延片制作方法，其特征在
[0022] 于，包括：
[0023] 生长低温缓冲层GaN ;
[0024] 在所述低温缓冲层GaN层之上生长不掺杂GaN层；
[0025] 在所述不掺杂GaN层之上生长掺杂Si的N型GaN层；
[0026] 在所述掺杂Si的N型GaN层之上生长发光层；
[0027] 在所述发光层之上生长P型GaN层；以及
[0028] 在所述P型GaN层之上生长高温P型GaN层；
[0029] 其中，所述发光层包括多个周期的InGaN层和GaN层，通过时间分段生长每个周期 的InGaN层。
[0030] 优选地，其中，通过时间分段生长每个周期的InGaN层的步骤包括：生长第一预定 时间的子InGaN层后，间断生长第二预定时间，反复执行预定次数的上述操作。
[0031] 优选地，其中，通入TEGa和TMIn并生长所述第一预定时间的所述子InGaN层后， 停止通入所述TEGa和所述TMIn并间断生长所述第二预定时间。
[0032] 优选地，其中，所述预定次数为3次。
[0033] 优选地，其中，所述第一预定时间为30?90s，所述第二预定时间为3?15s。
[0034] 本发明提出的LED外延片及其制作方法与现有的LED外延片及其制作方法相比， 具有以下优点：
[0035] 1)分段生长InGaN，可改变表面形貌，提高In原子的表面迁移率；
[0036] 2)由于In原子的表面迁移率得到提高，可改变光学质量，从而提高LED的发光效 率。
[0037] 当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 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：
[0039] 图1为LED芯片的结构示意图；
[0040] 图2为现有的LED外延片制作方法的流程示意图；
[0041] 图3为利用图2现有的LED外延层制作方法生产出的LED外延片结构；
[0042] 图4为依据本发明一实施例的LED外延片制作方法的流程示意图；
[0043] 图5为利用图4的LED外延片制作方法生产出的LED外延片结构；
[0044] 图6为本发明优选实施例和对比实施例的LED芯片光效的对比示意图；
[0045] 图7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】
[0046] 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。
[0047] 图2为现有的LED外延片制作方法的流程示意图。如图2所示，包括以下步骤。
[0048] 步骤201，处理蓝宝石衬底。
[0049] 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。
[0050] 步骤202,生长低温缓冲层GaN。
[0051] 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。
[0052] 步骤203,生长不掺杂GaN。
[0053] 可升高温度到1000?1100°C，持续生长3?4um的不掺杂UGaN。
[0054] 步骤204,生长掺杂Si的N型GaN。
[0055] 可保持温度不变，生长3?4um的掺杂Si的N型GaN，其中Si掺杂浓度为1E+19? 2E+19。
[0056] 步骤205,生长发光层MQW。
[0057] 可周期性生长发光层MQW，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，总厚度在130?280nm，X = 0. 20?0. 22。在本发明的一个实施例 中，每个周期的InxGa(l-x)N的生长时间是恒定的。
[0058] 步骤206、生长掺铝（A1)的P型GaN层。（此层即是EBL层（电子阻挡层））
[0059] 升高温度到900?930°C，持续生长20?30nm掺铝（A1)、掺Mg的P型GaN层，其 中A1掺杂浓度1E+20?2E+20，Mg掺杂浓度8E+18?1E+19。（P型的电子阻挡层，即掺Mg、 掺A1的GaN层）
[0060] 步骤207、生长掺镁（Mg)的P型GaN层。
[0061] 升高温度到930?1000°C，再持续生长100?150nm掺Mg的P型GaN层，其中Mg 掺杂浓度5E+18?1E+19。
[0062] 步骤2〇8,冷却。
[0063] 降低温度到700?750°C，在氮气气氛下，保温20?30分钟，炉内冷却。
[0064] 图3为利用图2现有的LED外延层制作方法生产出的LED外延片结构。如图3所 示，301为蓝宝石衬底，302为依据上述步骤202生长的低温缓冲层GaN，303为依据上述步 骤203生长的不掺杂GaN，304为依据上述步骤204生长的掺杂Si的N型GaN，305为发光 层，包括依据上述步骤205生长的InGaN层305-1和GaN层305-2, 306为依据上述步骤206 生长的掺杂Al、Mg的P型GaN层，307为依据上述步骤207生长的掺杂Mg的高温P型GaN 层。
[0065] 在上述现有的LED外延片制作方法中，在步骤205的发光层MQW中连续生长一定 厚度的InGaN，这样的生长方法并不能有效提高In原子的表面迁移率，从而影响LED的发光 效率。
[0066] 图4为依据本发明一实施例的LED外延片制作方法的流程示意图。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 机源三乙基镓（TEGa)作为镓源，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。
[0067] 步骤401，处理蓝宝石衬底。
[0068] 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。
[0069] 步骤402,生长低温缓冲层GaN。
[0070] 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。
[0071] 步骤403,生长不掺杂GaN。
[0072] 可升高温度到1000?1100°C，持续生长3?4um的不掺杂UGaN。
[0073] 步骤404,生长掺杂Si的N型GaN。
[0074] 可保持温度不变，生长3?4um的掺杂Si的N型GaN，其中Si掺杂浓度为1E+19? 2E+19。
[0075] 步骤405,生长发光层MQW。
[0076] 可周期性生长发光层MQW，低温700?750°C生长掺杂In的2. 5?3nm的InxGa(1_x) N层，高温800?850°C生长11?12nm的GaN层。其中，InxGa(1_x)N或GaN的周期数为14? 16个，总厚度在130?280nm，X = 0. 05?0. 30,每个周期的量子阱InxGa(1_x)N通过时间分段 生长。在本发明的一个实施例中，每个周期的量子阱In xGa(1_x)N的生长方式包括步骤405-1 和步骤405-2 :步骤405-1中通入TEGa和TMIn并生长第一预定时间（例如30?90s)的量 子阱InxGa (1_x)N (子InGaN层），步骤405-2中停止通入TEGa和TMIn，间断生长（即不生长） 第二预定时间（例如3?15s)，如此反复执行预定次数的上述操作（即反复执行预定次数 的步骤405-1和步骤405-2)。在本发明的一实施例中可反复执行3次，S卩，先通入TEGa和 TMIn并生长第一预定时间（例如30?90s)量子阱InxGa(1_x)N后，停止通入TEGa和TMIn 并间断生长（即不生长）第二预定时间（例如3?15s);再继续通入TEGa和TMIn并生长 第一预定时间（例如30?90s)，再停止通入TEGa和TMIn并间断生长（即不生长）第二预 定时间（例如3?15s);再继续通入TEGa和TMIn并生长第一预定时间（例如30?90s)， 最后停止通入TEGa和TMIn并间断生长（即不生长）第二预定时间（例如3?15s)。需注 意的是，本发明并不限于反复执行次数的具体数值，可依据设计需求改变该数值（本发明 可以为反复2-10次）。在本发明的一个实施例中，保持每个周期的量子阱InxGa(l- X)N的 生长时间一定，即总厚度一定。
[0077] 步骤406、生长掺铝（A1)的P型GaN层。
[0078] 升高温度到900?930°C，持续生长20?30nm掺铝（A1)、掺镁（Mg)的P型AlGaN 层，其中A1掺杂浓度1E+20?2E+20, Mg掺杂浓度8E+18?1E+19。
[0079] 步骤407、生长掺镁（Mg)的P型GaN层。
[0080] 升高温度到930?1000°C，再持续生长100?150nm掺Mg的P型GaN层，其中Mg 掺杂浓度5E+18?1E+19。
[0081] 步骤408,冷却。
[0082] 降低温度到700?750°C，在氮气气氛下，保温20?30分钟，炉内冷却。
[0083] 图5为利用图4的LED外延片制作方法生产出的LED外延片结构。如图5所示，501 为蓝宝石衬底，502为依据上述步骤402生长的低温缓冲层GaN，503为依据上述步骤403生 长的不掺杂GaN，504为依据上述步骤404生长的掺杂Si的N型GaN，505为发光层，包括依 据上述步骤405生长的InGaN层505-1和GaN层505-2,其中每个周期的量子阱InGaN通 过时间分段生长。在本发明的一个实施例中，每个周期的量子阱InGaN的生长方式如下：通 入TEGa和TMIn并生长第一预定时间（例如30?90s)量子阱InxGa(l-x)N(子InGaN层） 后，停止通入TEGa和TMIn，间断生长（即不生长）第二预定时间（例如3?15s)，如此反 复执行预定次数的上述操作。在本发明的一实施例中可反复执行3次，S卩，先通入TEGa和 TMIn并生长第一预定时间（例如30?90s)量子阱InxGa(l-x)N后，停止通入TEGa和TMIn 并间断生长（即不生长）第二预定时间（例如3?15s);再继续通入TEGa和TMIn并生长 第一预定时间（例如30?90s)，再停止通入TEGa和TMIn并间断生长（即不生长）第二预 定时间（例如3?15s);再继续通入TEGa和TMIn并生长第一预定时间（例如30?90s)， 最后停止通入TEGa和TMIn并间断生长（即不生长）第二预定时间（例如3?15s)。也 就是说，在本发明的一个实施例中，每个周期的量子阱InGaN包括预定层数的子InGaN层， 艮P，通入第一预定时间的TEGa和TMIn所形成的第一子InGaN层，间断第二预定时间之后再 通入第一预定时间的TEGa和TMIn所形成的第二子InGaN层，间断第二预定时间之后再通 入第一预定时间的TEGa和TMIn所形成的第三子InGaN层等等。（生长过程中都通有NH3， NH3与TEGa反应生成GaN, NH3与TEGa、TMIn反应生成InGaN)需注意的是，本发明并不限 于反复执行次数以及子InGaN层的具体数值，可依据设计需求改变该数值。在本发明的一 个实施例中，每个周期的量子阱InGaN的生长时间一定，即总厚度一定。506为依据上述步 骤406生长的掺杂Al、Mg的P型GaN层，507为依据上述步骤407生长的掺杂Mg的高温P 型GaN层。
[0084] 由上述可知，本发明提出的LED外延片及其制作方法与现有的LED外延片及其制 作方法相比，区别在于步骤405的发光层的制作方法。现有的发光层一般含有14?16个 周期的势阱InGaN和势磊GaN，每个周期的势阱InGaN是连续生长一定厚度的。而本发明分 段生长该势阱InGaN，即生长预定厚度的发光层势阱InGaN后，间断生长预定时间，再继续 生长预定厚度的发光层势阱InGaN，再间断生长预定时间，如此反复。本发明提出的方法具 有以下优点：
[0085] 1)分段生长InGaN，可改变表面形貌，提高In原子的表面迁移率；
[0086] 2)由于In原子的表面迁移率得到提高，可改变光学质量，从而提高LED的发光效 率。
[0087] 性能比较
[0088] 接下来通过实验来说明用本发明提出的LED外延片制作方法生产出的LED外延片 的性能。
[0089] 根据现有的LED外延片制作方法制备样品1，根据本发明提出的LED外延片制作方 法制备样品2、3和4 ;样品1、样品2、样品3和样品4的外延制作方法参数的不同点在于生 长发光层势阱的生长方式不一样，其它外延层生长条件完全一样。
[0090] 请参考表1，表1为发光层生长参数的对比。样品1、样品2、样品3和样品4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、样品2、样品3和样品4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、样品 2、样品3和样品4的光电性能。
[0091] 表 1
[0092]
【权利要求】
1. 一种发光二极管的外延片，其特征在于，包括： 低温缓冲层GaN ; 不掺杂GaN层，位于所述低温缓冲层GaN之上； 掺杂Si的N型GaN层，位于所述不掺杂GaN层之上； 发光层，位于所述掺杂Si的N型GaN层之上； P型GaN层，位于所述发光层之上；以及 高温P型GaN层，位于所述P型GaN层之上； 其中，所述发光层包括多个周期的InGaN层和GaN层，每个周期的InGaN层通过时间分 段生长。
2. 如权利要求1所述的发光二极管的外延片，其特征在于，每个周期的所述InGaN层包 括预定层数的子InGaN层。
3. 如权利要求2所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述预定层数为3层。
4. 如权利要求2所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述预定层数的子InGaN层 包括： 通入第一预定时间的TEGa和TMIn所形成的第一子InGaN层； 间断第二预定时间之后再通入所述第一预定时间的所述TEGa和所述TMIn所形成的第 二子InGaN层；以及 间断所述第二预定时间之后再通入所述第一预定时间的所述TEGa和所述TMIn所形成 的第三子InGaN层。
5. 如权利要求4所述的发光二极管的外延片，其特征在于，所述第一预定时间为30? 90s，所述第二预定时间为3?15s。
6. -种发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，包括： 生长低温缓冲层GaN ; 在所述低温缓冲层GaN层之上生长不掺杂GaN层； 在所述不掺杂GaN层之上生长掺杂Si的N型GaN层； 在所述掺杂Si的N型GaN层之上生长发光层； 在所述发光层之上生长P型GaN层；以及 在所述P型GaN层之上生长高温P型GaN层； 其中，所述发光层包括多个周期的InGaN层和GaN层，通过时间分段生长每个周期的 InGaN 层。
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，通过时间分段生 长每个周期的InGaN层的步骤包括：生长第一预定时间的子InGaN层后，间断生长第二预定 时间，反复执行预定次数的上述操作。
8. 如权利要求7所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，通入TEGa和TMIn 并生长所述第一预定时间的所述子InGaN层后，停止通入所述TEGa和所述TMIn并间断生 长所述第二预定时间。
9. 如权利要求7所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，所述预定次数为3 次。
10. 如权利要求7所述的发光二极管的外延片制作方法，其特征在于，所述第一预定时 间为30?90s，所述第二预定时间为3?15s。
【文档编号】H01L33/02GK104269475SQ201410565830
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】林传强 申请人:湘能华磊光电股份有限公司