專利名稱：GaN基LED外延片、芯片及器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及LED制備技術領域，更具體地說，涉及GaN基LED外延片、芯片及器件。
背景技術：
目前多量子阱GaN基LED通常是通過在藍寶石襯底的C面上外延生長C面(<0001> 方向)GaN基材料而制備出的。由于III-VI族氮化物材料的空間結構不具有空間中心反演 對稱，并且V族元素的原子和N原子的電負性相差很大，因此上述GaN基材料沿<0001〉方 向具有很強的極性，并產生極化效應。這一極化效應將產生強度較高的內建極化電場(壓 電電場)，而上述內建極化電場可引起正負載流子(即電子和空穴)在空間上分離，導致電 子和空穴的波函數(shù)分別往量子阱的兩側偏移，進而造成電子和空穴波函數(shù)交疊變少。又由 于電子和空穴波函數(shù)交疊積分的平方與內量子效率成正比，因此又進而造成了 GaN基LED 內量子效率下降、發(fā)光效率降低。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明實施例目的在于提供內量子效率較高的GaN基LED外延片、芯片 及器件。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供了如下方案一種GaN基LED外延片，包括P型區(qū)、N型區(qū)以及設置于P型區(qū)和N型區(qū)之間的有 源層，該外延片基于非極性襯底；所述有源層包括多個量子阱組，所述量子阱組中包括量子 阱，所述量子阱包括勢壘層和勢阱層，所述任一量子阱組的勢阱層中銦組分含量與其他量 子阱組的勢阱層中銦組分含量不相同。一種使用上述外延片制備出的GaN基LED芯片。一種使用上述外延片制備出的GaN基LED器件。從上述的技術方案可以看出，在本發(fā)明實施例中，基于非極性襯底可以制備出非 極性GaN基材料。由于非極性GaN基材料的極化效應不強，也就不會產生強度較高的內建 極化電場，從而降低了電子和空穴波函數(shù)向量子阱的兩側偏移、電子和空穴波函數(shù)交疊變 少的概率，進而提高了內量子效率及發(fā)光效率。另外，上述任一量子阱組的勢阱層中銦組分 含量與其他量子阱組的勢阱層中銦組分含量不相同，這會導致發(fā)光波長產生一定的差別， 減少不同量子阱組發(fā)出的光的相互影響，進而有效提高LED的功率。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為多量子阱LED結構示意3
圖2a為本發(fā)明實施例提供的GaN基LED外延片結構示意圖；圖2b為本發(fā)明實施例提供的GaN基LED外延片另一結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的功率曲線對比示意圖；圖4為本發(fā)明實施例剝離非極性襯底后制備出的LED芯片。
具體實施例方式為了引用和清楚起見，下文中使用的技術名詞、簡寫或縮寫總結如下埃10的負10次方米；mil 長度單位，Imil=千分之一英寸；LED =Light Emitting Diod，發(fā)光二極管；In:銦；Ga -M ；N:氮；MOCVD :Metal-organic Chemical Vapor D印osition，金屬有機化合物化學氣相 淀積。下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。為方便理解本方案，現(xiàn)對多量子阱LED的發(fā)光原理進行簡單介紹如圖1所示，LED 結構包括N型區(qū)1、有源層2和P型區(qū)3，當外加正電壓時，P型區(qū)3中的多數(shù)載流子空穴和 N型區(qū)1中的多數(shù)載流子電子向有源層2移動，在有源層2中的量子阱中復合，產生截流子， 復合截流子會產生光子，形成發(fā)光。然而，并不是每一對電子_空穴對復合的截流子都會產生光子，于是就有一個復 合截流子轉換成光子的轉換效率問題?？梢杂脙攘孔有?Hint)來表示上述轉換效率，其 計算公式為nint =復合載流子產生的光子數(shù)/復合載流子總數(shù))X 100%。因此，為了提高出光效率，就要盡可能地提高內量子效率，而提高電子空穴的復合 幾率可在一定程度上提高上述內量子效率。上述電子空穴復合幾率與電子、空穴的波函數(shù)有密切關系。電子、空穴屬于粒子， 粒子具有波動性，其運動可用波函數(shù)來描述。波函數(shù)在空間某一點的強度(振幅絕對值的 平方)和在該點找到粒子的幾率成正比。也即，電子和空穴在某一位置的波函數(shù)交疊越多， 則表明電子和空穴可同時出現(xiàn)于某一位置的幾率就越高，則電子空穴復合幾率也越高，從 而內量子效率也越高。而傳統(tǒng)GaN基LED，由于是通過在藍寶石襯底的C面上外延生長C面(<0001>方 向)GaN基材料而制備出的，因此在沿<0001〉方向上具有很強的極性，并產生極化效應。這 一極化效應將產生強度較高的內建極化電場，而上述內建極化電場可引起電子和空穴在空 間上分離，造成發(fā)光波長紅移，而更嚴重的后果則是導致電子和空穴的波函數(shù)分別往量子 阱的兩側偏移，進而造成電子和空穴波函數(shù)交疊變少。又由于電子和空穴波函數(shù)交疊積分 的平方與內量子效率成正比，因此又進而造成了 GaN基LED內量子效率下降、發(fā)光效率降
4低。有鑒于此，本發(fā)明實施例目的在于提供內量子效率較高的GaN基LED外延片。上述外延片由下至上包括襯底、N型區(qū)、有源層和P型區(qū)，其中，所述襯底為非極性 襯底；所述有源層包括多個量子阱組，所述量子阱組中包括量子阱，所述量子阱包括勢壘層 和勢阱層，所述任一量子阱組的勢阱層中銦組分含量與其他量子阱組的勢阱層中銦組分含 量不相同?？梢钥闯?，基于非極性襯底可以制備出非極性GaN基材料。由于非極性GaN基材 料的極化效應不強，也就不會產生強度較高的內建極化電場，從而降低了電子和空穴波函 數(shù)向量子阱的兩側偏移、電子和空穴波函數(shù)交疊變少的概率，又由于電子和空穴波函數(shù)交 疊積分的平方與內量子效率成正比，因此提高了上述GaN基外延片的內量子效率及發(fā)光效率。另外，公知，帶隙較窄的材料產生的光子能量較低、波長較長，而帶隙較寬的材料 產生的光子能量較高、波長較短。在GaN基材料中，銦組分的含量能影響帶隙，進而影響發(fā) 光光子的波長。在本發(fā)明實施例中，任一量子阱組的勢阱層中銦組分含量與其他量子阱組 的勢阱層中銦組分含量不相同，這會導致不同量子阱組的帶隙不同，其所發(fā)光的波長也就 具有了一定差別，這樣可減少不同量子阱組發(fā)出的光的相互影響，進而有效提高LED的功 率。由于上述外延片的具體結構存在多種形式，下面通過具體實施例進行詳細說明圖2a示出了上述外延片的一種具體結構，其由下至上包括襯底4、N型區(qū)1、有源 層2和P型區(qū)3，其中襯底4為非極性襯底；有源層2包括量子阱組21和22，任一量子阱組均包括至少一個周期的量子阱(例 如，量子阱的周期數(shù)可為3 10個周期，并以3 6個周期為優(yōu))，而量子阱又包括勢壘層 和勢阱層(勢阱層的帶隙小于勢壘層)，并且，量子阱組21的勢阱層中銦組分含量與量子阱 組22的勢阱層中銦組分含量不相同。當然，上述量子阱組的數(shù)量不僅局限于兩個，還可為3、4、5等其他數(shù)值，本領域技 術人員可根據(jù)需要進行靈活設置在此不作贅述。并且，在沿N型區(qū)至P型區(qū)的方向上，多個 量子阱組的勢阱層中銦組分含量可逐漸遞變。在本發(fā)明其他實施例中，參見圖2b，上述NSgl包括N型GaN層11和N型AlxGayN 包層12，而上述P型區(qū)3包括ρ型AlxGayN包層31和ρ型GaN層32，上述有源層2設置于N 型GaN包層12與ρ型AlxGayN包層31之間，并且有源層2的帶隙小于N型GaN包層12的 帶隙。公知，鋁、銦、鎵在η型即ρ型包層中的摩爾份數(shù)，通?？捎霉紸lxGayN來表示，其 中，0彡χ彡1，0彡y < 1，且(x+y)彡1。在本實施例中，對于N型AlxGayN包層，χ = 0,y =1。對于上述所有實施例中GaN基LED外延片可使用MOCVD在非極性襯底上沉積外延 層制備。上述非極性襯底可選用鋁酸鋰晶體(LiAlO2)襯底，并優(yōu)選選用(100)晶面或(302) 晶面的LiA102襯底。與傳統(tǒng)的藍寶石襯底相比，LiA102襯底與GaN的失配度小，而失配度 越小，其內建極化電場強度也越小。上述襯底的表面應當光滑，其均方根粗糙度優(yōu)選小于20埃，更優(yōu)選小于10埃。其制備流程為在LiAlO2襯底上依次沉積N型GaN層和N型AlxGayN包層，并在N 型AlxGayN包層上沉積多組量子阱組，其中每一組量子阱組包括多個周期的GaxInyN/GaN量 子講，該量子阱包括GaxInyN勢阱層和GaN勢壘層，其中0彡y彡1，0彡χ<1，且(x+y)彡1。 并且不同組的量子阱組中，其勢阱層中銦組分含量不同(即χ的取值不同)。銦組分含量的 變化規(guī)律為由N區(qū)向P區(qū)逐漸遞減(M0CVD對In組分含量的控制可通過兩種方法實現(xiàn)，一 種是控制In源的流量，另一種是控制生長溫度)。例如可在N型AlxGayN包層上沉積兩組 量子阱組，靠近N區(qū)的量子阱為Gaa82Inai8NAkiN,而靠近P區(qū)的量子阱為Ga(1.91In(1.Q9N/GaN。圖3示出了基于LiAlO2襯底、并且靠近N區(qū)的量子阱為GaQ.82InQ.18N/GaN、而靠近 P區(qū)的量子阱為Gaa91Inatl9NAiaN制備出的LED芯片的功率曲線301與普通LED芯片功率曲 線302的對比圖。可看出，在相同電流值下，本發(fā)明實施例所提供的GaN基LED芯片的功率 要明顯高于普通LED芯片。且電流越大，該趨勢越明顯。使用上述所有實施例任一實施例所公開的外延片可制作成具有正、負電極的GaN 基LED芯片。按電極的位置，可分為上下電極(垂直結構)以及電極在同側(橫向結構) 兩種。當然，也可以采用激光剝離技術對襯底進行剝離，并利用現(xiàn)有技術進行后續(xù)相應處理 實現(xiàn)垂直結構或橫向結構。圖4即示出了剝離非極性襯底后制備出的LED芯片的一種結構，從下至上包括N 型GaN層11、N型AlxGayN包層12、量子阱組21、量子阱組22,ρ型AlxGayN包層31、ρ型GaN 層32和電極42，并且，N型GaN層11尺寸略大于N型AlxGayN包層12，其不被N型AlxGayN 包層12覆蓋的部分設置有電極41。對LED芯片進行封裝等處理后，可制備出LED器件。LED芯片的封裝形式很多，針 對不同使用要求和不同的光電特性要求，有各種不同的封裝形式，歸納起來有如下幾種常 見的形式(1)軟封裝——芯片直接粘結在特定的PCB印制板上，通過焊接線連接成特定的 字符或陳列形式，并將LED芯片和焊線用透明樹脂保護，組裝在特定的外殼中。這種軟封裝 常用于數(shù)碼顯示、字符顯示或點陳顯示的產品中。(2)引腳式封裝——常見的有將LED芯片固定在2000系列引線框架上，焊好電極 引線后，用環(huán)氧樹脂包封成一定的透明形狀，成為單個LED器件。(3)微型封裝即貼片封裝——將LED芯片粘結在微小型的引線框架上，焊好電極 引線后，經注塑成型，出光面一般用環(huán)氧樹脂包封。(4)雙列直插式封裝——用類似IC封裝的銅質引線框架固定芯片，并焊接電極引 線后用透明環(huán)氧包封，常見的有各種不同底腔的“食人魚”式封裝和超級食人魚式封裝，這 種封裝芯片熱散失較好，熱阻低，LED的輸入功率可達0. Iff 0. 5W大于引腳式器件，但成 本較高。(5)功率型封裝——功率LED的封裝形式也很多，它的特點是粘結芯片的底腔較 大，且具有鏡面反射能力，導熱系數(shù)要高，并且有足夠低的熱阻，以使芯片中的熱量被快速 地引到器件外，使芯片與環(huán)境溫度保持較低的溫差。本發(fā)明實施例所提供的GaN基材料更 適合制備大功率LED。在LED芯片上涂敷相應熒光粉(例如黃色熒光粉)并進行封閉，可制 備出高亮度白光LED。
需要注意的是，本發(fā)明所涉及的GaN基材料的發(fā)光電磁譜為紅色到紫外部分。上 述提及的N型GaN包層、N型GaN層以及GaN勢壘層都可稱為統(tǒng)稱為GaN層，并且該GaN層 為非極性面，即為非極性材料。以上實施例只是本發(fā)明所介紹的優(yōu)選實施例，本領域技術人員在此基礎上，完全 可以設計出更多的優(yōu)選實施例，例如，勢阱層的厚度可為l.Onm 6. Onm，勢壘層厚度可為 8nm 12nm等等，在此不作贅述。本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他 實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。本領域普通技術人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分流程，是可以 通過計算機程序來指令相關的硬件來完成，所述的程序可存儲于一計算機可讀取存儲介質 中，所述程序在執(zhí)行時，可包括如上述各方法的實施例的流程。其中，所述的存儲介質可為 磁碟、光盤、只讀存儲記憶體(Read-Only Memory,ROM)或隨機存儲記憶體(Random Access Memory, RAM)等。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
權利要求
一種GaN基LED外延片，由下至上包括襯底、N型區(qū)、有源層和P型區(qū)，其特征在于所述襯底為非極性襯底；所述有源層包括多個量子阱組，所述量子阱組包括量子阱，所述量子阱包括勢壘層和勢阱層，所述任一量子阱組的勢阱層中銦組分含量與其他量子阱組的勢阱層中銦組分含量不相同。
2.如權利要求1所述的外延片，其特征在于，在沿所述N型區(qū)至所述P型區(qū)的方向上， 所述多個量子阱組的勢阱層中銦組分含量逐漸遞變。
3.如權利要求1所述的外延片，其特征在于，所述勢阱層厚度為1.Onm 6. Onm。
4.如權利要求1所述的外延片，其特征在于，所述勢壘層厚度為8nm 12nm。
5.如權利要求1所述的外延片，其特征在于，所述量子阱組所包括量子阱的周期數(shù)為 3-10。
6.如權利要求1至5所述的外延片，其特征在于，所述N型區(qū)包括N型AlxGayN包層和 N型GaN層，所述P型區(qū)包括ρ型GaN層和ρ型AlxGayN包層，所述有源層設置于所述N型 GaN包層與所述ρ型AlxGayN包層之間。
7.如權利要求6所述的外延片，所述非極性襯底具體為鋁酸鋰晶體襯底，所述GaN層為 非極性面。
8.一種使用權利要求1-7中任一項所述的外延片制備出的GaN基LED芯片。
9.一種使用權利要求1-7中任一項所述的外延片制備出的GaN基LED器件。全文摘要
本發(fā)明實施例公開內量子效率較高的GaN基LED外延片、芯片及器件。上述外延片，包括P型區(qū)、N型區(qū)以及設置于P型區(qū)和N型區(qū)之間的有源層，該外延片基于非極性襯底；所述有源層包括多個量子阱組，所述量子阱組中包括量子阱，所述量子阱包括勢壘層和勢阱層，所述任一量子阱組的勢阱層中銦組分含量與其他量子阱組的勢阱層中銦組分含量不相同。從上述的技術方案可以看出，在本發(fā)明實施例中，基于非極性襯底可以制備出非極性GaN基材料。由于非極性GaN基材料的極化效應不強，也就不會產生強度較高的內建極化電場，從而降低了電子和空穴波函數(shù)向量子阱的兩側偏移、電子和空穴波函數(shù)交疊變少的概率，進而提高了內量子效率及發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/04GK101931037SQ201010244358
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權日2010年8月3日
發(fā)明者周穎圓, 李抒智, 楊衛(wèi)橋, 馬可軍 申請人:上海半導體照明工程技術研究中心