專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠應(yīng)用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管，特別是氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管，能有效提高其發(fā)光效率的一種新方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在交通指示、戶(hù)外全色顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管(LED)可能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體固態(tài)照明，引起人類(lèi)照明史的革命，從而逐漸成為目前光電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，目前產(chǎn)業(yè)化的LED發(fā)光效率只有501m/W左右，其效率還較傳統(tǒng)的光源低很多。為了獲得高亮度的 LED,關(guān)鍵要提高器件的量子效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新的方法增加半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子效率，這種方法直接運(yùn)用于外延片生長(zhǎng)工藝中，通過(guò)改變發(fā)光層MQW中壘層的厚度，提高電子與空穴在 MQff中復(fù)合的效率從而增加其發(fā)光效率。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的結(jié)構(gòu)，該二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底，低溫緩沖層，高溫緩沖層，N型層，N型層，N型層，N型層， 發(fā)光層，P型層，P型層，P型層。發(fā)光層MQW(多量子阱)中采用具有不同厚度的壘層來(lái)提高發(fā)光效率靠近N型層一側(cè)的壘層厚度為15nm到25nm，而靠近P型層一側(cè)的壘層的厚度在5到15nm。壘層的生長(zhǎng)厚度介于5nm至20nm之間，生長(zhǎng)溫度介于800°C至1050°C之間， V/IH摩爾比介于1000至20000之間。發(fā)光層MQW中，壘層的結(jié)構(gòu)可以是AlxInyfeil-x-yN 0彡x< 1，0彡y < l，x+y < 1。發(fā)光層MQW中間X個(gè)壘層的厚度較厚，其余Y個(gè)壘層的厚度較薄，且中間X個(gè)壘層的厚度大于其余Y個(gè)壘層的厚度。本發(fā)明以高純氫氣(H2)或氮?dú)?N2)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁 (TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH3)分別作為feuAlJn和N源，用硅烷(SiH4)、二茂鎂 (Cp2Mg)分別作為η、ρ型摻雜劑。外延結(jié)構(gòu)如圖四所示(1)襯底 1在本發(fā)明所述襯底1是適合氮化鎵及其它半導(dǎo)體外延材料生長(zhǎng)的材料，如氮化鎵單晶、藍(lán)寶石、單晶硅、碳化硅(SiC)單晶等等。首先將襯底材料在氫氣氣氛里進(jìn)行退火，清潔襯底表面，溫度控制在1050°C與 1180°C之間，然后進(jìn)行氮化處理；(2)低溫緩沖層2將溫度下降到500°C與650°C之間，生長(zhǎng)15至30nm厚的低溫GaN成核層，此生長(zhǎng)過(guò)程時(shí)，生長(zhǎng)壓力在300Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在500至3000之間；(3)高溫緩沖層3
低溫緩沖層2生長(zhǎng)結(jié)束后，停止通入TMGa，將襯底溫度升高到1000°C至1200°C之間，對(duì)低溫緩沖層2在原位進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間在5分鐘至10分鐘之間；退火之后，將溫度調(diào)節(jié)到1000°C至1200°C之間，在較低的V/III摩爾比條件下外延生長(zhǎng)厚度為0.8μπι 至2 μ m之間的高溫不摻雜的GaN，此生長(zhǎng)過(guò)程時(shí)，生長(zhǎng)壓力在50Torr至760Torr之間，V/ III摩爾比在300至3000之間；(4) N 型層 4U-GaN 3生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)一層摻雜濃度梯度增加的的N型層4，厚度在0. 2 μ m至 1 μ m之間，生長(zhǎng)溫度在1000°C至1200°C之間，生長(zhǎng)壓力在50Torr至760Torr之間，V/III 摩爾比在300至3000之間；(5) N 型層 5N型層4生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)摻雜濃度穩(wěn)定的N型層5，厚度在1. 2 μ m至3. 5 μ m之間，生長(zhǎng)溫度在1000°C至1200°C之間，生長(zhǎng)壓力在50Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在300至3000之間；(6) N 型層 6N型層5生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)N型層6，厚度在IOnm至IOOnm之間，生長(zhǎng)溫度在1000°C 至1200°C之間，生長(zhǎng)壓力在50Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在300至3000之間；(7) N 型層 7N型層6生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)N型層7，厚度在IOnm至50nm之間；摻雜濃度穩(wěn)定，生長(zhǎng)溫度在1000°c至1200°C之間，生長(zhǎng)壓力在50Torr至760Torr之間，V/III摩爾比在300 至3000之間；(8)發(fā)光層 MWQ 8發(fā)光層8由6至15個(gè)周期的haGal-aN(0 <a< l)/GaN多量子阱組成。阱的厚度在2nm至3nm之間，生長(zhǎng)溫度在720至820°C之間，生長(zhǎng)壓力在200Torr至400Tor r之間，V/III摩爾比在300至5000之間；壘的厚度在5至30nm之間，生長(zhǎng)溫度在820至920°C 之間，生長(zhǎng)壓力在200Torr至400Torr之間，V/III摩爾比在300至5000之間；(9) P 型層 96至15個(gè)周期的haGal-aN(0 < a < 1) /GaN多量子阱發(fā)光層8生長(zhǎng)結(jié)束后，升高溫，溫度控制在950°C至1080°C之間，生長(zhǎng)壓力50Torr至500Torr之間，V/III摩爾比1000 至 20000 之間，生長(zhǎng)厚度 IOnm至 200nm之間的 P 型 AlxInyGal-x_yN(0 < χ < 1,0 ^ y < 1, x+y < 1)寬禁帶電子阻擋層。該層禁帶寬度大于最后一個(gè)barrier的禁帶寬度，可控制在 4eV與5. 5eV之間；該層Mg摻雜濃度Mg/fei摩爾比介于1/100至1/4之間。(10) P 型層 10P型層9生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)厚度為IOOnm至800nm之間的P型 AlxInyGal-x-yN(0 彡 χ < 1，0 彡 y < 1，x+y < 1)層，即 P 型層 10，該層 Mg 摻雜濃度 Mg/ ( 摩爾比介于1/100至1/4之間，其生長(zhǎng)溫度850°C至1050°C之間。(11) P 型層 11P型層10生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)P型接觸層，其生長(zhǎng)溫度850°C至1050°C之間，生長(zhǎng)壓力IOOTorr至760Torr之間，V/III摩爾比介于1000至20000之間，該層Mg摻雜濃度Mg/ ( 摩爾比介于1/100至1/4之間，生長(zhǎng)厚度介于5nm至20nm之間。
外延生長(zhǎng)結(jié)束后，將反應(yīng)腔的溫度降至650至850°C之間，純氮?dú)夥諊M(jìn)行退火處理5至15min，然后降至室溫，結(jié)束外延生長(zhǎng)。隨后，經(jīng)過(guò)清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制成單顆小尺寸芯片。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明所述的這種外延生長(zhǎng)工藝的設(shè)計(jì)不僅提高了電子空穴復(fù)合效率，而且可以降低工作電壓，提升ESD良率，改善漏電。


圖1芯片結(jié)構(gòu)圖；圖2為傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)的MQW區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法MQW區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法MQW區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法MQW區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖。圖中其中1為襯底、2為低溫緩沖層、3為高溫緩沖層、4、5、6、7為符合N型層、8為發(fā)光層、9、10、11為符合P型層、12為透明導(dǎo)電層(Ni/Au或者ΙΤ0)、13為P電極、14為N電極、 101為量子阱、102為量子壘、201為量子阱、202 203 204 205 206為量子壘、301為量子阱、 302303為量子壘、401為量子阱、402403為量子壘。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，本發(fā)明所有的實(shí)施例均利用Thomas Swan (AIXTR0N 子公司)CCS MOCVD 系統(tǒng)實(shí)施。實(shí)施例1如圖一所示(1)襯底 1首先將藍(lán)寶石襯底在溫度為1120°C，純氫氣氣氛里進(jìn)行退火，然后進(jìn)行氮化處理；(2)低溫緩沖層2將溫度下降到585 °C，生長(zhǎng)20nm厚的低溫GaN成核層，此生長(zhǎng)過(guò)程時(shí)，生長(zhǎng)壓力為 420Torr, V/III 摩爾比為 900 ；(3)高溫緩沖層3低溫緩沖層2生長(zhǎng)結(jié)束后，停止通入TMGa，將襯底溫度升高1120°C，對(duì)低溫緩沖層 2在原位進(jìn)行退火處理，退火時(shí)間為8分鐘；退火之后，將溫度調(diào)節(jié)到1120°C，在較低的V/ III摩爾比條件下外延生長(zhǎng)厚度為1. 2 μ m的高溫不摻雜的GaN，此生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)壓力在 200Torr, V/III 摩爾比為 1500 ；(4) N 型層 4高溫緩沖層3生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)一層摻雜濃度梯度增加的的N型層，摻雜濃度從lX1017/cm3變化到5X1018/cm3，厚度為0. 8 μ m，生長(zhǎng)溫度為1120°C，生長(zhǎng)壓力為 150Torr, V/III 摩爾比為 1800 ；(5) N 型層 5
N型層4生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)摻雜濃度穩(wěn)定的N型層5，厚度為3. 5 μ m，生長(zhǎng)溫度為 1120°C，生長(zhǎng)壓力為150Torr, V/III摩爾比為1800 ；(6) N 型層 6N型層5生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)N型層6，厚度為20nm，摻雜濃度穩(wěn)定，濃度低于N型層 4的平均濃度，低于N型層5的摻雜濃度，遠(yuǎn)低于N型層7的摻雜濃度，其目的是為了提高載流子的遷移率；生長(zhǎng)溫度為1120°C，生長(zhǎng)壓力為150Torr，V/III摩爾比為觀00 ；(7) N 型層 7N型層6生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)N型層7，厚度為lOnm，摻雜濃度穩(wěn)定，濃度高于N型層 5，該層是整個(gè)N型區(qū)域濃度最高的區(qū)域，其目的是為了獲得更高的載流子濃度。生長(zhǎng)溫度為1120°C，生長(zhǎng)壓力為150Torr, V/III摩爾比為2800 ；(8)發(fā)光層 MQW 8發(fā)光層8由6個(gè)周期的Ina3Giia7NAiaN多量子阱組成。阱的厚度為2. 5nm,生長(zhǎng)溫度為780°C，生長(zhǎng)壓力為200Torr，V/III摩爾比為4500 ；壘的厚度為18nm，生長(zhǎng)溫度為 900°C，生長(zhǎng)壓力為200Torr, V/III摩爾比為4500 ；如圖2所示，靠近N型層一側(cè)202的厚度介于18到Mnm，壘層厚度202 > 203 > 204 > 205 > 206，靠近P型層一側(cè)最后一個(gè)壘層206的厚度介于5到15nm。(9) P 型層 96至15個(gè)周期的haGal-aN(0 <a< l)/GaN多量子阱發(fā)光層8生長(zhǎng)結(jié)束后，升高溫，溫度控制在950°C至1080°C之間，生長(zhǎng)壓力50Torr至500Torr之間，V/III摩爾比1000 至 20000 之間，生長(zhǎng)厚度 IOnm至 200nm之間的 P 型 AlxInyGal-x_yN(0 < χ < 1,0 ^ y < 1, x+y < 1)寬禁帶電子阻擋層。該層禁帶寬度大于最后一個(gè)barrier的禁帶寬度，可控制在 4eV與5. 5eV之間；該層Mg摻雜濃度Mg/fei摩爾比介于1/100至1/4之間。(10) P 型層 10P型層9生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)0.4 μ m厚的P型層10，即:P型AlxInyfeil-x-yN(0彡χ < l，0<y < l，x+y< 1)，該層的禁帶寬度大于最后一個(gè)barrier的禁帶寬度，但小于P型層9的禁帶寬度。其生長(zhǎng)溫度1000°C，生長(zhǎng)壓力2001~01^，￥/111摩爾比8000沖型層1%的摻雜濃度Mg/fei摩爾比為1/80。(11) P 型層 11P型層10生長(zhǎng)結(jié)束后，生長(zhǎng)P型接觸層，即P型層11，生長(zhǎng)溫度為1050°C，生長(zhǎng)壓力為200Torr，V/III摩爾比10000，P型摻雜濃度為1 X 1020/cm3，生長(zhǎng)厚度為15nm。所有外延生長(zhǎng)結(jié)束后，將反應(yīng)腔的溫度降至800°C，純氮?dú)夥諊M(jìn)行退火處理 lOmin，然后降至室溫，結(jié)束外延生長(zhǎng)。(12) ITO透明導(dǎo)電層12(13) P 電極 13(14) N 電極 14實(shí)施例1，經(jīng)過(guò)清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝制程后，分割成尺寸大小為IOX 8mi 1的LED芯片。經(jīng)LED芯片測(cè)試，測(cè)試電流10mA，單顆小芯片光輸出功率為6. 5mff, 工作電壓3. 21V，可抗靜電人體模式5000V。而傳統(tǒng)的外延生長(zhǎng)方式，相同芯片制程的單顆小芯片光的輸出功率僅為5mW。
實(shí)施例2實(shí)施例2，外延層1、2、3、4、5、6、7、9、10、11層的生長(zhǎng)方式均與實(shí)施例1相同。不同之處在于發(fā)光層MQW中壘層的生長(zhǎng)方法如圖3所示，靠近N型層一側(cè)前三個(gè)壘層302的厚度相同介于12到Mnm，中間三個(gè)壘層303的厚度相同介于16到30nm，靠近P型層一側(cè)最后三個(gè)壘層302的厚度相同介于12到Mnm。其中中間三個(gè)壘層302的厚度最厚。實(shí)施例3實(shí)施例3，外延層1、2、3、4、5、6、7、9、10、11層的生長(zhǎng)方式均與實(shí)施例1相同。不同
之處在于發(fā)光層MQW中壘層的生長(zhǎng)方法如圖4所示，靠近N型層一側(cè)前三個(gè)壘層402的厚度相同介于16到30nm，靠近P型層一側(cè)最后六個(gè)壘層403的厚度相同介于12到Mnm。其
中靠近N型層一側(cè)前三個(gè)壘層的厚度最厚。經(jīng)過(guò)同樣條件的芯片制程與測(cè)試，IOXSmil單顆小芯片光輸出功率為6. 3mW，工作電壓3. 15V，可抗靜電人體模式5000V。
權(quán)利要求
1.一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，該二極管外延片結(jié)構(gòu)從下向上的順序依次為襯底(1)，低溫緩沖層(2)，高溫緩沖層(3)，N型層(4)，N型層(5)，N型層(6)，N型層(7)， 發(fā)光層(8)，P型層(9)，P型層(10)，P型層(11)；其特征在于發(fā)光層中采用具有不同厚度的壘層來(lái)提高發(fā)光效率靠近N型層一側(cè)的壘層厚度為15nm到25nm，而靠近P型層一側(cè)的壘層的厚度在5到15nm ；壘層的生長(zhǎng)厚度介于5nm至20nm之間，生長(zhǎng)溫度介于800°C至 1050°C之間，V/III摩爾比介于1000至20000之間。
2.如權(quán)利要求1所述提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，其特征在于發(fā)光層中，壘層的結(jié)構(gòu)可以是 AlxhyGal-x-yN 0 彡 χ<1，0 彡 y<l，x+y<l。
3.如權(quán)利要求1或2所述提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，其特征在于發(fā)光層中間 X個(gè)壘層的厚度較厚，其余Y個(gè)壘層的厚度較薄，且中間X個(gè)壘層的厚度大于其余Y個(gè)壘層的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種提高發(fā)光二極管發(fā)光效率的方法，發(fā)光二極管外延片結(jié)構(gòu)中發(fā)光層中壘層的生長(zhǎng)方式采用了一種新穎的方法通過(guò)生長(zhǎng)不同厚度的壘層，提高電子空穴的復(fù)合效率從而提高發(fā)光效率。本發(fā)明方法的設(shè)計(jì)既保證了較高的復(fù)合效率又保持了較低的正向電壓，通過(guò)加厚靠近N型層一側(cè)的壘層厚度可以更好的限制電子的遷移運(yùn)動(dòng)，防止電子越過(guò)MQW區(qū)域在P型層與空穴復(fù)合，而降低靠近P型層一側(cè)的壘層厚度，使空穴更容易越過(guò)壘層與電子在量子阱中復(fù)合從而提升出光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102306691SQ201110258718
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者韓杰, 魏世禎 申請(qǐng)人:華燦光電股份有限公司