發(fā)光二極管的外延片及其制作方法
【專利摘要】本申請公開了發(fā)光二極管的外延片及其制作方法，該發(fā)光二極管的外延片包括：摻雜Si的GaN層；組分恒定發(fā)光層，位于所述摻雜Si的GaN層之上；組分漸變發(fā)光層，位于所述組分恒定發(fā)光層之上；以及P型AlGaN層，位于所述組分漸變發(fā)光層之上；其中，所述組分漸變發(fā)光層包括GaN層和摻雜In的InGaN層，每個周期的所述InGaN層的In摻雜濃度不同。本申請相比現(xiàn)有技術(shù)，可調(diào)整發(fā)光層的電子填充狀態(tài)的分布，調(diào)節(jié)發(fā)光層的能帶，從而提高空穴和電子的復(fù)合效率。
【專利說明】發(fā)光二極管的外延片及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及發(fā)光二極管芯片制造技術(shù)，更具體地，涉及一種具有漸變式能帶的外 延片及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，簡稱LED)是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo) 體電子器件。當(dāng)電流流過時，電子與空穴在其內(nèi)復(fù)合而發(fā)出單色光。LED照明已廣泛應(yīng)用于 家居、裝飾、辦公、招牌甚至路燈用途。LDE的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其 內(nèi)容涉及以提高注入效率和光效為目的電致發(fā)光結(jié)構(gòu)設(shè)計、以提高學(xué)出光效率為目的的光 引出結(jié)構(gòu)設(shè)計和與光效密相關(guān)的電極設(shè)計等。
[0003] LED的核心部分是由p型半導(dǎo)體和η型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和η型 半導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為ρ-η結(jié)。在ΡΝ結(jié)注入的電子躍遷至空穴的位置，帶系的能 帶差能量以光子的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。因此，LED的復(fù)合效率決定 LED的光效。
[0004] 隨著金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，簡稱M0CVD)外延生長技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)展，人們在精確控制外延、摻 雜濃度和減少位錯等方面都取得了突破，處延片的內(nèi)量子效率已有很大提高。使用傳統(tǒng)的 LED M0CVD外延生長技術(shù)來生長外延片的發(fā)光層一般需要生長14-16個周期（所謂周期是 重復(fù)生長一個單元的次數(shù)，單元一把包括兩種材料構(gòu)成，周期性生長就是不做任何改變的 重復(fù)生長單元材料），而空穴填充的周期為5-6個位置靠近P層，電子在14-16周期有填充， 從N層向P層的電子的填充濃度是遞減的，靠近靠近N層的周期數(shù)達(dá)9-10個不參與發(fā)光 (靠近N層的9-10個周期單元材料因為沒有空穴，所以不發(fā)光，是材料不參與發(fā)光），因為 空穴濃度（空穴的濃度不是電子濃度，空穴是電性和電子相反的一種物理定義粒子，請參 考半導(dǎo)體物理）幾乎為零，復(fù)合效率幾乎為零。
[0005] 因此，需要一種新的發(fā)光二極管的外延片及其制作方法以解決上述缺陷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 有鑒于此，本申請?zhí)峁┮环N發(fā)光二極管的外延片及其制作方法以解決上述問題。
[0007] 本申請公開了一種發(fā)光二極管的外延片，其特征在于，包括：
[0008] 摻雜Si的GaN層；
[0009] 組分恒定發(fā)光層，位于所述摻雜Si的GaN層之上；
[0010] 組分漸變發(fā)光層，位于所述組分恒定發(fā)光層之上；以及
[0011] P型AlGaN層，位于所述組分漸變發(fā)光層之上；
[0012] 其中，所述組分漸變發(fā)光層包括GaN層和摻雜In的InGaN層，每個周期的所述 InGaN層的In摻雜濃度不同。
[0013] 優(yōu)選地，其中，所述InGaN層是通過在低溫700?750°C生長摻雜In的1. 5? 3. 5nm的InxGa(l_x)N層得到，所述InxGa(l_x)N層的周期數(shù)為3?6, x = 0· 1?0· 25。
[0014] 優(yōu)選地，其中，所述GaN層是通過在高溫800?850°C生長6?12nm的GaN層得 至丨J，所述GaN層的周期數(shù)為3?6, X = 0. 1?0. 25。
[0015] 優(yōu)選地，其中，在所述InGaN層和/或所述GaN層中摻雜Mg、In或A1。
[0016] 優(yōu)選地，其中，摻雜濃度為lE+17atom/cm~3。
[0017] 本申請還公開了一種發(fā)光二極管的外延片制作方法，其特征在于，包括：
[0018] 生長摻雜Si的GaN層；
[0019] 在所述摻雜Si的GaN層之上生長組分恒定發(fā)光層；
[0020] 在所述組分恒定發(fā)光層之上生長組分漸變發(fā)光層；以及
[0021] 在所述組分漸變發(fā)光層之上生長P型AlGaN層；
[0022] 其中，所述組分漸變發(fā)光層包括GaN層和摻雜In的InGaN層，每個周期的所述 InGaN層的In摻雜濃度不同。
[0023] 優(yōu)選地，其中，通過在低溫700?750°C生長摻雜In的L 5?3. 5nm的InxGa (1-x) N層得到所述InGaN層，其中所述InxGa(l-x)N層的周期數(shù)為3?6, X = 0. 1?0. 25。
[0024] 優(yōu)選地，其中，通過在高溫800?850°C生長6?12nm的GaN層得到所述GaN層， 其中所述GaN層的周期數(shù)為3?6, X = 0. 1?0. 25。
[0025] 優(yōu)選地，其中，在所述InGaN層和/或所述GaN層中摻雜Mg、In或A1。
[0026] 優(yōu)選地，其中，摻雜濃度為lE+17atom/cm~3。
[0027] 本申請?zhí)岢龅陌l(fā)光二極管的外延片及其制作方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，可調(diào)整發(fā)光層 的電子填充狀態(tài)的分布，調(diào)節(jié)發(fā)光層的能帶，從而提高空穴和電子的復(fù)合效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 此處所說明的附圖用來提供對本申請的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本申 請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0029] 圖1為現(xiàn)有的LED外延片生長方法的流程示意圖。
[0030] 圖2為利用圖1現(xiàn)有的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片結(jié)構(gòu)。
[0031] 圖3為依據(jù)本發(fā)明一實施例的LED外延片生長方法的流程示意圖。
[0032] 圖4為利用圖3的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片結(jié)構(gòu)。
[0033] 圖5為利用圖1現(xiàn)有的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片的發(fā)光層的能帶 示意圖。
[0034] 圖6為利用圖3的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片的發(fā)光層的能帶示意 圖。
[0035] 圖7為本發(fā)明優(yōu)選實施例和對比實施例的LED芯片亮度的對比示意圖。
[0036] 圖8為本發(fā)明優(yōu)選實施例和對比實施例的LED芯片電壓的對比示意圖。

【具體實施方式】
[0037] 如在說明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)可理解，硬件制造商可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權(quán)利要求并不以 名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在 通篇說明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的"包含"為一開放式用語，故應(yīng)解釋成"包含但不限定 于"。"大致"是指在可接收的誤差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述 技術(shù)問題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。說明書后續(xù)描述為實施本申請的較佳實施方式，然所述 描述乃以說明本申請的一般原則為目的，并非用以限定本申請的范圍。本申請的保護(hù)范圍 當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0038] 圖1為現(xiàn)有的LED外延片生長方法的流程示意圖。如圖1所示，包括以下步驟。
[0039] 步驟101，處理藍(lán)寶石襯底。
[0040] 現(xiàn)有技術(shù)中可在1000?1200°C的氫氣氣氛下高溫處理藍(lán)寶石襯底3?5分鐘。
[0041] 步驟102,生長低溫緩沖層GaN。
[0042] 可降溫至530?560°C，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為20?30nm的低溫緩沖層GaN。
[0043] 步驟103,生長不摻雜GaN。
[0044] 可升高溫度到1000?1100°C，持續(xù)生長3?4um的不摻雜GaN。
[0045] 步驟104,生長摻雜Si的N型GaN。
[0046] 可生長3?4μ m持續(xù)摻雜Si的N型GaN，其中Si摻雜濃度為1E+19?2E+19。
[0047] 步驟105,生長發(fā)光層MQW。
[0048] 可周期性生長發(fā)光層MQW，其中低溫700?750°C生長摻雜In的2. 5?3nm的 InxGa(l-x)N 層，高溫 800 ?850°C 生長 11 ?12nm 的 GaN 層。其中，InxGa(l-x)N 或 GaN 的周期數(shù)為14-16個，每個周期的InxGa(l-x)N的In組分恒定，其中X = 0. 20?0. 25。 InGaN/GaN為一個周期，一個周期里有InGaN材料叫做每個周期的InGaN。
[0049] 步驟106、生長P型AlGaN層。
[0050] 升高溫度到900?930°C，持續(xù)生長20?30nm的P型AlGaN層，其中A1的摻雜濃 度為1E+20?2E+20, Mg的摻雜濃度為8E+18?1E+19。
[0051] 步驟107,生長摻鎂的P型GaN層。
[0052] 升高溫度到930?1000°C，持續(xù)生長100?150nm的摻鎂的P型GaN層，Mg摻雜 濃度為5E+18?1E+19。
[0053] 步驟108,冷卻。
[0054] 降溫至700?750°C，保溫20?30min，接著爐內(nèi)冷卻。
[0055] 圖2為利用圖1現(xiàn)有的LED外延層生長方法生產(chǎn)出的LED外延片結(jié)構(gòu)。如圖2所 示，201為藍(lán)寶石襯底，202為依據(jù)上述步驟102生長的低溫緩沖層GaN，203為依據(jù)上述步 驟103生長的不摻雜Si的GaN，204為依據(jù)上述步驟104生長的摻雜Si的GaN，205為發(fā)光 層，其中205-1依據(jù)上述步驟105生長的InGaN，205-2為依據(jù)步驟105生長的GaN，206為 依據(jù)上述步驟106生長的摻雜A1的P型GaN，207為依據(jù)上述步驟107生長的摻雜Mg的P 型 GaN。
[0056] 圖3為依據(jù)本發(fā)明一實施例的LED外延片生長方法的流程示意圖。在本發(fā)明的一 實施例中，運用Aixtron M0CVD來生長高亮度GaN基LED外延片。在本發(fā)明的一實施例中， 采用高純H2或高純N2或高純H 2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為N源，金屬有機(jī) 源三甲基鎵（TMGa)，三甲基銦（TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷（SiH 4)，三甲基鋁（TMA1) 作為鋁源P型摻雜劑為二茂鎂（CP2Mg)，襯底為（0001)面藍(lán)寶石，反應(yīng)壓力在lOOmbar到 800mbar之間。具體生長方式如下述步驟。
[0057] 步驟301，處理藍(lán)寶石襯底。
[0058] 在本發(fā)明的一實施例中，可在1000?1200°C的氫氣氣氛下高溫處理藍(lán)寶石襯底 3?5分鐘。
[0059] 步驟302,生長低溫緩沖層GaN。
[0060] 在本發(fā)明的一實施例中，可降溫至530?560°C，在藍(lán)寶石襯底上生長厚度為 20?30nm的低溫緩沖層GaN ;
[0061] 步驟303,生長不摻雜GaN。
[0062] 在本發(fā)明的一實施例中，可升高溫度到1000?1100°C，持續(xù)生長3?4um的不摻 雜 GaN ;
[0063] 步驟304,生長摻雜Si的N型GaN。
[0064] 在本發(fā)明的一實施例中，可生長3?4μπι持續(xù)摻雜Si的N型GaN，其中Si摻雜濃 度為 1E+19 ?2E+19。
[0065] 步驟305,生長發(fā)光層MQW。
[0066] 在本發(fā)明的一實施例中，步驟305又包括步驟305-1和305-2。
[0067] 其中在步驟305-1中，低溫700?750°C生長摻雜In的2. 5-3nm的InxGa(l-x)N 層，高溫800?850°C生長1 l_12nm的GaN層。其中，InxGa (1-x) N和GaN周期數(shù)為9-10個， 每個周期的InxGa(l-x)N的In組分恒定（In摻雜濃度相同），x = 0. 20?0. 25。因此，步 驟305-1生長的發(fā)光層，又可稱作組分恒定的發(fā)光層。
[0068] 然后，在步驟305-2中，低溫700?750 °C生長摻雜In的1. 5?3. 5nm的 InxGa (1-x) N 層，高溫 800 ?850°C 生長 6 ?12nm 的 GaN 層。其中，InxGa (1-x) N 或 GaN 周 期數(shù)為3?6個，每個周期的InxGa(l-x)N的In組分不恒定（In摻雜濃度不相同），X = 0. 1?0. 25, X由0. 25逐漸減少至0. 1，或者X由0. 1逐漸減少至0. 25。因此，步驟305-2 生長的發(fā)光層，又可稱作組分漸變的發(fā)光層。在本發(fā)明的一實施例中，在步驟305-2中，適 當(dāng)?shù)卦贗nGaN/GaN中輕度摻雜Mg、In、A1 (上述三種均有），濃度約lE+17atom/cnT3。摻雜 Mg有利于空穴的注入；摻雜A1有利于阻擋電子的泄露，增加發(fā)光層的電子空穴復(fù)合效率； 摻雜In可以適當(dāng)?shù)販p緩GaN對InGaN材料的應(yīng)力影響，還有利于空穴的注入。由于步驟 305-2中生長的InGaN/GaN是不參與發(fā)光的，其作用是防止電子的外溢和增加發(fā)光層的空 穴濃度，而適當(dāng)?shù)靥砑?Mg、A1或In則上述效果更好。需要說明的是，在步驟305-2中不能 摻雜Si元素，如果摻雜了 Si整個LED將不能正常工作。
[0069] 步驟306、生長P型AlGaN層。
[0070] 在本發(fā)明的一實施例中，升高溫度到900?930°C，持續(xù)生長20?30nm的P型 AlGaN層，其中A1的摻雜濃度為1E+20?2E+20, Mg的摻雜濃度為8E+18?1E+19。
[0071] 步驟307,生長摻鎂的P型GaN層。
[0072] 在本發(fā)明的一實施例中，升高溫度到930?1000°C，持續(xù)生長100?150nm的摻鎂 的P型GaN層，Mg摻雜濃度為5E+18?1E+19。
[0073] 步驟3〇8,冷卻。
[0074] 在本發(fā)明的一實施例中，降溫至700?750°C，保溫20?30min，接著爐內(nèi)冷卻。
[0075] 圖4為利用圖3的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片結(jié)構(gòu)。如圖4所示， 401為藍(lán)寶石襯底，402為依據(jù)上述步驟302生長在藍(lán)寶石襯底之上的低溫緩沖層GaN，403 為依據(jù)上述步驟303生長在低溫緩沖層GaN之上的不摻雜Si的GaN，404為依據(jù)上述步驟 304生長在不摻雜Si的GaN之上的摻雜Si的GaN，405為發(fā)光層，生長在摻雜Si的GaN之 上，包括405-1和生長在405-1之上的405-2,其中405-1為組分恒定發(fā)光層，405-2為組 分漸變發(fā)光層。405-1包括405-1-1和405-1-2,其中405-1-1依據(jù)上述步驟305-1生長 的InGaN，405-1-2為依據(jù)步驟305-1生長的GaN。405-2包括405-2-1和405-2-2,其中 405-2-1依據(jù)上述步驟305-2生長的InGaN，405-2-2為依據(jù)步驟305-2生長的GaN。需說 明的是，本發(fā)明并不限制組分恒定發(fā)光層和組分漸變發(fā)光層的InGaN和GaN的排列順序，也 就是說，InGaN可位于GaN之上，也可位于GaN之下。406為依據(jù)上述步驟306生長在發(fā)光 層405之上的摻雜A1的P型GaN，407為依據(jù)上述步驟307生長在摻雜A1的P型GaN之上 的摻雜Mg的P型GaN。
[0076] 由上述可知，本發(fā)明提出的LED外延片生長方法與現(xiàn)有的LED結(jié)構(gòu)外延生長方法 相比，區(qū)別在于步驟305的發(fā)光層的生長方法。現(xiàn)有的發(fā)光層包括14-16個周期的勢阱 InGaN和勢磊GaN，參與發(fā)光的是靠近P層的4-6個周期的勢阱InGaN和勢磊GaN，靠近N層 由于空穴濃度非常低，電子和空穴不產(chǎn)生發(fā)光復(fù)合。而本發(fā)明提出的發(fā)光層的生長方法通 過摻雜Mg、Ιη、Α1來調(diào)整發(fā)光層的電子填充狀態(tài)的分布，調(diào)節(jié)了發(fā)光層的能帶，從而提高空 穴和電子的復(fù)合效率。
[0077] 圖5為利用圖1現(xiàn)有的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片的發(fā)光層的能帶 示意圖。
[0078] 如圖5所示，橫坐標(biāo)EV :GaN材料能帶價帶，EF :GaN材料能帶費米能級，EC :GaN材 料能帶導(dǎo)帶；向下箭頭代表名稱對應(yīng)能帶區(qū)域。
[0079] 圖6為利用圖3的LED外延片生長方法生產(chǎn)出的LED外延片的發(fā)光層的能帶示意 圖。
[0080] 發(fā)光層性能比較
[0081] 接下來通過實驗來說明用本發(fā)明提出的LED外延層生長方法生產(chǎn)出的LED外延層 的發(fā)光層的性能。
[0082] 根據(jù)現(xiàn)有的LED外延層生長方法生制備樣品1，根據(jù)本發(fā)明提出的LED外延層生長 方法制備樣品2、3、4、5、6 ;樣品1和樣品2、3、4、5、6的外延生長方法參數(shù)的不同點在于生 長發(fā)光層勢阱的生長條件不一樣（如表中粗體參數(shù)），其它外延層生長條件完全一樣。請參 考表1?表5,樣品1和樣品2、3、4、5、6在相同的工藝條件下鍍ΙΤ0層約150nm，相同的條 件下鍍Cr/Pt/Au電極約70nm，相同的條件下鍍保護(hù)層Si0 2約30nm，然后在相同的條件下 將樣品研磨切割成762 μ m*762 μ m(30mil*30mil)的芯片顆粒，然后在相同位置挑選樣品1 和樣品2各150顆晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED。然后采用積分球在驅(qū)動電 流350mA條件下測試樣品1和樣品2、3、4、5、6的光電性能。
[0083] 表 1
[0084]

【權(quán)利要求】
1. 一種發(fā)光二極管的外延片，其特征在于，包括： 摻雜Si的GaN層； 組分恒定發(fā)光層，位于所述摻雜Si的GaN層之上； 組分漸變發(fā)光層，位于所述組分恒定發(fā)光層之上；以及 P型AlGaN層，位于所述組分漸變發(fā)光層之上； 其中，所述組分漸變發(fā)光層包括GaN層和摻雜In的InGaN層，每個周期的所述InGaN 層的In摻雜濃度不同。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的外延片，其特征在于，所述InGaN層是通過在低 溫700?750°C生長摻雜In的L 5?3. 5nm的InxGa (1-x) N層得到，所述InxGa (1-x) N層 的周期數(shù)為3?6, X = (λ 1?0· 25。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的外延片，其特征在于，所述GaN層是通過在高溫 800?850°C生長6?12nm的GaN層得到，所述GaN層的周期數(shù)為3?6, X = 0· 1?0· 25。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的外延片，其特征在于，在所述InGaN層和/或所述 GaN層中摻雜Mg、In或A1。
5. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管的外延片，其特征在于，摻雜濃度為lE+17atom/ cm"3〇
6. -種發(fā)光二極管的外延片制作方法，其特征在于，包括： 生長摻雜Si的GaN層； 在所述摻雜Si的GaN層之上生長組分恒定發(fā)光層； 在所述組分恒定發(fā)光層之上生長組分漸變發(fā)光層；以及 在所述組分漸變發(fā)光層之上生長P型AlGaN層； 其中，所述組分漸變發(fā)光層包括GaN層和摻雜In的InGaN層，每個周期的所述InGaN 層的In摻雜濃度不同。
7. 如權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管的外延片制作方法，其特征在于，通過在低溫 700?750°C生長摻雜In的1. 5?3. 5nm的InxGa(l-x)N層得到所述InGaN層，其中所述 InxGa(l-x)N層的周期數(shù)為3?6, X = 0· 1?0· 25。
8. 如權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管的外延片制作方法，其特征在于，通過在高溫800? 850°C生長6?12nm的GaN層得到所述GaN層，其中所述GaN層的周期數(shù)為3?6, X = 0. 1 ?0. 25。
9. 如權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管的外延片制作方法，其特征在于，在所述InGaN層和 /或所述GaN層中摻雜Mg、In或A1。
10. 如權(quán)利要求9所述的發(fā)光二極管的外延片制作方法，其特征在于，摻雜濃度為 lE+17atom/cnT3〇
【文檔編號】H01L33/06GK104157760SQ201410381826
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月6日
【發(fā)明者】馬海慶, 張宇, 徐迪 申請人:湘能華磊光電股份有限公司