一種led外延結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型所述的LED外延結構，N型GaN層采用周期性的梯度摻雜結構，交替設置的摻雜Si的GaN和不摻雜的GaN層可以在不摻雜的GaN層聚集電子，形成高密度的二維電子氣，從而有效增加載流子濃度和遷移率；更重要的是，設置在多量子阱層上的U型的超晶格層與N型GaN層之間形成多結電容結構，能有效增強載流子的橫向擴展能力，擴大流入多量子阱層的電流分布面積，有效降低LED的驅動電壓。
【專利說明】—種LED外延結構
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體【技術領域】，具體涉及一種能降低LED正向壓降、提高發(fā)光效率和使用壽命的外延結構。
【背景技術】
[0002]氮化鎵(GaN)基發(fā)光二級管(Light-Emitting Diode，LED)具有壽命長、功耗低、無污染等優(yōu)點，可以應用在顯示、照明等諸多領域。雖然GaN基LED已經產業(yè)化，但現有的LED外延結構及其制備方法使得LED芯片正向壓降高、光效低的問題一直未能得到很好的解決。
[0003]中國專利CN103187497A公開了一種提高大尺寸芯片光效的外延結構及其生長方法，具體為:在PSS (Patterned Sapphire Substrate,譯為:圖形化的藍寶石襯底)上生長GaN緩沖層；在該GaN緩沖層上生長UGaN層；在所述U型GaN層上生長摻雜Si的N型GaN層；交替生長形成摻雜Si和Al的第一 NAlGaN層和不摻雜Si的第一 UGaN層，交替生長38-40個周期；接著交替生長形成摻雜Si和Al的第二 NAlGaN層和不摻雜Si的第二 UGaN層，交替生長25-26個周期；接著交替生長形成摻雜Si和Al的第三NAlGaN層和不摻雜Si的第三NGaN層，交替生長15-16個周期；周期性生長有源層MQW和PGaN層。該專利通過改變N型GaN層中Si的摻雜方式，即在N型GaN中周期性的摻雜或不摻雜Si，摻雜Si的GaN具有低電阻值，不摻雜Si的GaN具有高電阻值，高低電阻值交錯的N型GaN在電流輸送過程中使得電子橫向擴展能力加強。解決了同一阻值N型GaN層中，電子選擇最短路徑傳輸，使得最短路徑上電流擁擠，而流經量子阱的電流比較少，造成芯片正向壓降偏高的問題，而且使得量子阱電流均勻化，提高了亮度和光效。
[0004]中國專利CN103187497A中公開的外延結構可以解決現有技術中的外延結構使得芯片的驅動電壓較高，注入電子與空穴耦合發(fā)光效率變低導致亮度偏低的問題。但是，這種結構中N型GaN層的生長時間較長，而且會消耗大量的作為源材料的三甲基鋁，工藝復雜、制備成本高。
實用新型內容
[0005]為此，本實用新型所要解決的是現有技術中GaN基外延結構工藝復雜、制備成本高的問題，提供一種工藝簡單、制備成本低而且能有效降低正向壓降的LED外延結構。
[0006]為解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案如下:
[0007]本實用新型所述的一種LED外延結構，包括在依次疊加設置的襯底、緩沖層、U型GaN層、N型GaN層、多量子阱層、P型GaN層，
[0008]N型GaN層包括第一 N型層、第二 N型層和第三N型層，各層均進一步包括交替設置的摻雜Si的GaN層和不摻雜的GaN層；
[0009]所述第一 N型層厚度為900?lOOOnm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為2:1，Si的摻雜濃度為7?8 X IO1Vcm3，交替周期為15?20 ;[0010]所述第二 N型層厚度為1300?1400nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為3:1，Si的摻雜濃度為9?IOX IO1Vcm3，交替周期為20?30 ;
[0011]所述第三N型層厚度為200?300nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為1:1，Si的摻雜濃度為5?6X IO1Vcm3，交替周期為10?15 ;
[0012]所述第一 N型層靠近所述緩沖層設置；
[0013]所述多量子阱層與所述P型GaN層之間還直接設置有U型超晶格層；
[0014]所述P型GaN層包括依次設置的Mg摻雜GaN層、Mg摻雜AlInGaN層、Mg摻雜GaN層。
[0015]所述第一 N型層中所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為2:1，所述第二 N型層中所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為3:1，所述第三N型層中所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為1:1。
[0016]所述U型超晶格層為交替設置的AlxGahN和GaN層，交替周期為4?8，單周期厚度為 2 ?4nm, x=0.10 ?0.15。
[0017]所述多量子阱層包括交替設置的InxGa1J層/GaN層，InxGapxN層的厚度為2?3nm, GaN層的厚度為8?10nm，交替周期為9?15，x=0.15?0.20。
[0018]所述P型GaN層中所述Mg摻雜GaN層的厚度為30?40nm，摻雜濃度為7?8X 1016/cm3 ；Mg摻雜AlInGaN層的厚度為10?20nm,摻雜濃度為8?9X 1016/cm3 ；Mg摻雜GaN層的厚度為150?200nm，摻雜濃度為9?10X1016/cm3。
[0019]所述N型GaN層與所述多量子阱層之間還直接設置有淺阱層，所述淺阱層包括交替設置的InGaN層/GaN層，交替周期為2?4，InGaN層的厚度為4?6nm，GaN層的厚度為30 ?36nm。
[0020]所述P型GaN層上還直接設置有歐姆接觸層，所述歐姆接觸層為Mg摻雜的InGaN層，厚度為2?3nm。
[0021]本實用新型的上述技術方案相比現有技術具有以下優(yōu)點:
[0022]1、本實用新型所述的LED外延結構，其中的N型GaN層采用周期性的梯度摻雜結構，交替設置的摻雜Si的GaN和不摻雜的GaN層可以在不摻雜的GaN層聚集電子，形成高密度的二維電子氣，從而有效增加載流子濃度和遷移率；更重要的是，設置在多量子阱層上的U型的超晶格層與N型GaN層之間形成多結電容結構，能有效增強載流子的橫向擴展能力，擴大流入多量子阱層的電流分布面積，有效降低LED的驅動電壓。
[0023]另外，N型GaN層中的摻雜結構簡單、層數少，超晶格層更采用不摻雜結構，工藝簡單，制作成本低。
[0024]2、本實用新型所述的LED外延結構，N型GaN層采用交替設置的摻雜Si的GaN和不摻雜GaN層厚度均很薄，可有效減小位錯缺陷，減少有源區(qū)的非輻射復合中心，從而提高發(fā)光效率。
[0025]3、本實用新型所述的LED外延結構，U型的超晶格層中含有Al組分能形成勢壘層，可加強P型層下面加強載流子的橫向擴展作用，從而降低LED的工作壓降。
[0026]4、本實用新型所述的LED外延結構，還設置有淺阱層，不但可以提高多量子阱層的晶體質量，降低多量子阱層與N型GaN層之間的晶格失配，降低兩者之間的界面自由能，還可以減少多量子阱層中的極化場，提高內量子發(fā)光效率，增強發(fā)光強度?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0027]為了使本實用新型的內容更容易被清楚的理解，下面根據本實用新型的具體實施例并結合附圖，對本實用新型作進一步詳細的說明，其中
[0028]圖1是本實用新型所述LED外延結構示意圖；
[0029]圖2是本實用新型實施例中所述白光LED的工作電壓統(tǒng)計圖；
[0030]圖3是對比例中所述白光LED的工作電壓統(tǒng)計圖。
[0031]圖中附圖標記表示為:1_襯底、2-緩沖層、3-U型GaN層、4-N型GaN層、5-多量子阱層、51-淺阱層、6-超晶格層、7-P型GaN層、8-歐姆接觸層。
【具體實施方式】
[0032]為了使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型的實施方式作進一步地詳細描述。
[0033]實施例
[0034]本實用新型可以以許多不同的形式實施，而不應該被理解為限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例，使得本公開將是徹底和完整的，并且將把本實用新型的構思充分傳達給本領域技術人員，本實用新型將僅由權利要求來限定。在附圖中，為了清晰起見，會夸大層和區(qū)域的尺寸和相對尺寸。應當理解的是，當元件例如層被稱作“形成在”或“設置在”另一元件“上”時，該元件可以直接設置在所述另一元件上，或者也可以存在中間元件。相反，當元件被稱作“直接形成在”或“直接設置在”另一元件上時，不存在中間元件。
[0035]下述實施例和對比例中所述的金屬有機化學氣相沉積工藝所采用的設備為購自德國愛思強(Aixtron)的金屬有機化合物化學氣相淀積設備(英文全稱為Metal-organicChemical Vapor Deposition,簡稱為 MOCVD),型號為 Close coupled Showerhead(31X2，’)。
[0036]載氣為高純H2或者高純N2或者兩者的混合氣，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)或者三乙基鎵(TEGa)作為鎵源，三甲基銦(TMIn)作為銦源，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源，N型摻雜劑為硅烷(SiH4)，P型摻雜劑為二茂鎂(CP2Mg);生長壓力在IOOmbar到650mbar。
[0037]本實施例提供一種LED外延結構，包括在垂直方向上依次設置的襯底1、緩沖層2、U型GaN層3、N型GaN層4、多量子阱層5、P型GaN層7。
[0038]所述N型GaM包括第一 N型層、第二 N型層和第三N型層，各層均進一步包括交替設置的摻雜Si的GaN和不摻雜GaN層。
[0039]所述第一 N型層靠近所述緩沖層2設置，厚度為900?lOOOnm，Si的摻雜濃度為7?8 X IO1Vcm3,交替周期為15?20 ;本實施例中，所述第一 N型層厚度優(yōu)選為950nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為2:1，Si的摻雜濃度優(yōu)選為8 X IO18/cm3,交替周期優(yōu)選為18。
[0040]所述第二 N型層厚度為1300?1400nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為3:1，Si的摻雜濃度為9?10X IO1Vcm3，交替周期為20?30 ;本實施例中，所述第二 N型層厚度優(yōu)選為1400nm，Si的摻雜濃度優(yōu)選為10 X 1018/cm3，交替周期優(yōu)選為25。[0041]所述第三N型層厚度為200?300nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為l:l，si的摻雜濃度為5?6X IO1Vcm3，交替周期為10?15 ;本實施例中，所述第三N型層厚度優(yōu)選為200nm，Si的摻雜濃度優(yōu)選為6 X 1018/cm3，交替周期優(yōu)選為12。
[0042]所述多量子阱層5與所述P型GaN層7之間還直接設置有U型超晶格層6 ;所述超晶格層6優(yōu)選交替設置的AlxGahN和GaN層，交替周期為4?8，單周期厚度為2?4nm，x=0.10?0.15 ;本實施例中，所述AlxGa1J層優(yōu)選為Alai2Gaa88N層，厚度優(yōu)選為2nm、所述GaN層的厚度優(yōu)選為2nm，交替周期優(yōu)選為6。
[0043]N型GaN層4采用周期性的梯度摻雜結構，按比例交替設置的摻雜Si的GaN和不摻雜GaN層可以在不摻雜的GaN層聚集電子，形成高密度的二維電子氣，從而有效增加載流子濃度和遷移率；更重要的是，設置在多量子阱層5上的U型的超晶格層6與N型GaN層4之間形成多結電容結構，能有效增強載流子的橫向擴展能力，擴大流入多量子阱層5的電流分布面積，有效降低LED的驅動電壓。
[0044]所述P型GaN層7包括依次設置的Mg摻雜GaN層、Mg摻雜AlInGaN層、Mg摻雜GaN層。所述P型GaN層7中所述Mg摻雜GaN層的厚度為30?40nm，摻雜濃度為7?8X 1016/cm3，本實施例優(yōu)選厚度為36nm，優(yōu)選摻雜濃度為8 X IOlfVcm3 ;Mg摻雜AlInGaN層的厚度為10?20nm，摻雜濃度為8?9 X 1016/cm3，本實施例優(yōu)選厚度為18nm，優(yōu)選摻雜濃度為9 X IO1Vcm3 ;Mg摻雜GaN層的厚度為150?200nm，摻雜濃度為9?10 X 1016/cm3，本實施例優(yōu)選厚度為200nm，優(yōu)選摻雜濃度為lX1017/cm3。
[0045]所述多量子阱層5包括交替設置的InxGa1J層/GaN層，InxGai_xN層的厚度為2?3nm, GaN層的厚度為8?IOnm,交替周期為9?15, x=0.15?0.20 ;本實施例中所述InxGahN層優(yōu)選為Ina2Gaa8N層，厚度優(yōu)選為3nm，GaN層的厚度優(yōu)選為10nm，交替周期優(yōu)選為13。
[0046]所述N型GaN層4與所述多量子阱層5之間還直接設置有淺阱層51，所述淺阱層51包括交替設置的InGaN層/GaN層，交替周期為2?4，所述淺阱層51中InGaN層的厚度為4?6nm, GaN層的厚度為30?36nm ;本實施例中，所述InGaN層的厚度優(yōu)選為5nm, GaN層的厚度優(yōu)選為32nm，交替周期優(yōu)選3。
[0047]所述淺阱層51不但可以提高多量子阱層的晶體質量，降低多量子阱層5與N型GaN層4之間的晶格失配，以降低兩者之間的界面自由能，還可以減少多量子阱層5中的極化場，提高內量子發(fā)光效率，增強發(fā)光強度。
[0048]所述P型GaN層7上還直接設置有歐姆接觸層8，所述歐姆接觸層8為Mg摻雜的InGaN層，厚度為2?3nm ;本實施例優(yōu)選厚度為3nm，優(yōu)選摻雜濃度為I X 1018/cm3。
[0049]所述一種LED外延結構的制備方法，包括如下步驟:
[0050]S1、沿襯底I的垂直方向依次在襯底I上直接通過金屬有機化學氣相沉積工藝生長緩沖層2，所述緩沖層2為GaN層，厚度為24nm，生長溫度為650°C，通過金屬有機化學氣相沉積工藝生長U型GaN層3，厚度為2400nm，生長溫度為1020°C。
[0051]作為本實用新型的其他實施例，所述緩沖層2的生長溫度還可以為600?680°C，厚度為20?30nm，所述U型GaN層3的生長溫度還可以為1010?1030°C，厚度為2000?2500nm，均可以實現本實用新型的目的，屬于本實用新型的保護范圍。
[0052]S2、通過金屬有機化學氣相沉積工藝，在U型GaN層3上直接形成N型GaN層4，即依次生長第一 N型層、第二 N型層和第三N型層，各層均進一步包括依次交替生長的摻雜Si的GaN層和不摻雜的GaN層，生長溫度為1025°C，
[0053]作為本實用新型的其他實施例，所述N型GaN層4的生長溫度還可以為1020?1030°C，均可以實現本實用新型的目的，屬于本實用新型的保護范圍。
[0054]S3、通過金屬有機化學氣相沉積工藝，在N型GaN層4上形成多量子阱層5，即交替設置的InxGapxN層/GaN層，InxGapxN層的生長溫度為750°C ;GaN層的生長溫度為840°C ；作為本實用新型的其他實施例，所述InxGahN層生長溫度還可以為740?760°C，GaN層的生長溫度為830?850°C，均可以實現本實用新型的目的，屬于本實用新型的保護范圍。
[0055]S4、通過金屬有機化學氣相沉積工藝，在所述多量子阱層5上直接設置U型超晶格層6，所述Ala 12Gaa88N層的生長溫度可以為960?970°C，本實施例優(yōu)選965°C;所述GaN層的生長溫度可以為960?970°C，本實施例優(yōu)選965°C。
[0056]S5、通過金屬有機化學氣相沉積工藝，在多量子阱層5上形成P型GaN層7，即依次在810?840°C生長的低溫Mg摻雜的GaN層、在860?890°C生長的Mg摻雜AlInGaN層和在920?980°C生長的高溫Mg摻雜GaN層；本實施例中，所述低溫Mg摻雜的GaN層的生長溫度優(yōu)選820°C、所述Mg摻雜AlInGaN層的生長溫度優(yōu)選870°C、所述高溫Mg摻雜GaN層的生長溫度優(yōu)選950°C。
[0057]步驟S3還包括通過金屬有機化學氣相沉積工藝，在N型GaN層4上直接形成淺阱層51，即依次交替生長InGaN層和GaN層，生長溫度均為為816 °C;生長溫度還可以為810?820°C，均可以實現本實用新型的目的，屬于本實用新型的保護范圍。
[0058]步驟S5之后還包括在所述P型GaN層7上直接形成歐姆接觸層8的步驟，所述歐姆接觸層8為通過金屬有機化學氣相沉積工藝制備的Mg摻雜InGaN層,形成溫度為910?930°C，本實施例優(yōu)選為920°C ;厚度為2?4nm，本實施例優(yōu)選為3nm;摻雜濃度為9?10 X IO1Vcm3,本實施例優(yōu)選為 I X 1018/cm3。
[0059]本實用新型所述的LED外延結構的制備方法，N型GaN層4中的摻雜結構簡單、層數少；而且，超晶格層6更采用不摻雜結構，工藝簡單，制作成本低。
[0060]將所述LED外延結構按現有技術制備白光LED，具體為:
[0061]步驟一:通過光刻和刻蝕技術，對所述LED外延結構上進行N極刻蝕，以露出N型GaN層4 ;然后再通過磁控濺射工藝在所述歐姆接觸層上以及N型GaN層4上形成ITO (銦錫氧化物)層，厚度為200nm，并通過光刻和刻蝕技術進行圖案化。
[0062]步驟二、通過磁控濺射工藝，在所述ITO層上形成依次堆疊的Cr/Pt/Au層，以形成電極，厚度分別為30nm\70nm\30nm。
[0063]步驟三、在所述ITO層上直接形成部分覆蓋所述電極層的二氧化硅保護層，厚度為50nm，制得LED芯片。
[0064]步驟四、對所述LED芯片進行減薄和裂片，形成45X45mil的芯片顆粒。
[0065]步驟五、選取230顆芯片顆粒，加入熒光粉復合封裝為白光LED。
[0066]對比例
[0067]本對比例提供一種LED外延結構以及由該外延結構制備的白光LED，所述LED外延結構的制備方法同中國專利文件CN103187497A中的實施例部分，白光LED的制備方法同實施例I。[0068]用電致發(fā)光測試設備(臺灣惠特科技，型號為IPT6000)對分別對實施例和對比例中所述的白光LED進行測試，測試得到的工作電壓分別如圖2和3所示。
[0069]從圖中數據可以看出，本實用新型所述的LED外延結構所制備的白光LED工作電壓平均值為2.88V，而對比例中所述的白光LED的工作電壓平均值為3.41V，與對比例相比，本實用新型所提供的LED外延結構能有效降低LED的工作電壓，降幅達15.5%。
[0070]顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。
【權利要求】
1.一種LED外延結構，包括在依次疊加設置的襯底、緩沖層、U型GaN層、N型GaN層、多量子阱層、P型GaN層，其特征在于， N型GaN層包括第一 N型層、第二 N型層和第三N型層，各層均進一步包括交替設置的摻雜Si的GaN層和不摻雜的GaN層； 所述第一 N型層厚度為900~lOOOnm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為2:1，交替周期為15~20; 所述第二 N型層厚度為1300~1400nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為3:1，交替周期為20~30 ; 所述第三N型層厚度為200~300nm，所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為1:1，交替周期為10~15 ; 所述第一 N型層靠近所述緩沖層設置； 所述多量子阱層與所述P型GaN層之間還直接設置有U型超晶格層； 所述P型GaN層包括依次設置的Mg摻雜GaN層、Mg摻雜AlInGaN層、Mg摻雜GaN層。
2.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于，所述U型超晶格層為交替設置的AlxGahN和GaN層，交替周期為4~8，單周期厚度為2~4nm, x=0.10~0.15。
3.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于，所述第一N型層中所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為2:1，所述第二 N型層中所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為3:1，所述第三N型層中所述摻雜Si的GaN層和所述不摻雜的GaN層的厚度比為1:1。`
4.根據權利要求1-3任一所述的LED外延結構，其特征在于，所述多量子阱層包括交替設置的InxGa^xN層/GaN層，InxGa^xN層的厚度為2~3nm,GaN層的厚度為8~IOnm,交替周期為9~15，x=0.15~0.20。
5.根據權利要求4所述的LED外延結構，其特征在于，所述P型GaN層中所述Mg摻雜GaN層的厚度為30~40nm ;Mg摻雜AlInGaN層的厚度為10~20nm ;Mg摻雜GaN層的厚度為 150 ~200nm。
6.根據權利要求5所述的LED外延結構，其特征在于，所述N型GaN層與所述多量子阱層之間還直接設置有淺阱層，所述淺阱層包括交替設置的InGaN層/GaN層，交替周期為2~4, InGaN層的厚度為4~6nm, GaN層的厚度為30~36nm。
7.根據權利要求6所述的LED外延結構，其特征在于，所述P型GaN層上還直接設置有歐姆接觸層，所述歐姆接觸層為Mg摻雜的InGaN層，厚度為2~3nm。
【文檔編號】H01L33/00GK203659911SQ201320657752
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權日:2013年10月23日
【發(fā)明者】李勇, 崔德國 申請人:蘇州矩陣光電有限公司