一種提高大尺寸晶片光效的外延結構及其生長方法

2024-02-19 13:49:15 1

專利名稱：一種提高大尺寸晶片光效的外延結構及其生長方法
技術領域：
本發明涉及一種LED外延結構及其製備方法，將傳統的N型GaN層(NGaN)被NAlGaN/NGaN超晶格取代，使得器件可以提高電子的遷移率，可以降低中小尺寸的電壓，大尺寸晶片的光效。
背景技術：
現在市場上大尺寸大功率晶片規格45mil*45mil運用在路燈照明上，中小尺寸10mil*23mil運用在背光光源上。大尺寸晶片散熱性是一個重要的指標，不再以高流明數定義大尺寸晶片的發光性能，現在大功率市場價值導向為流明/(瓦*單價)，中小尺寸不需要考慮散熱問題，市場價值導向為流明/單價；目前，提高光效或提高亮度有很多種外延生長方法，以下為一種傳統LED結構外延生長方法。請參閱圖1所示的外延結構，其具體步驟:1、在PSS襯底(Patterned Sapphire Substrate,即圖形化藍寶石襯底)上生長低溫緩衝層GaN ；2、持續生長2 2.5um的不摻雜GaN層，SP U型GaN層；3、然後先生長厚度為I 1.5μπι，並摻雜Si的N型GaN層，摻雜濃度為4 5Ε+18,接著生長0.8-1.0um的摻雜Si的N型GaN層，摻雜濃度為8 9Ε+18，再持續生長
0.4 0.5um的摻雜Si的N型GaN層，摻雜濃度為3 4E+18，三次生長的總厚度控制在
2.0-2.5 μ m ;其中，步驟3形成的的N型GaN能帶請參考圖2所示。4、接著周期性生長有源層MQW，在750°C左右生長摻雜In的3nm左右的InxGa(l-x)N(x大致取值為0.20-0.21)層，升溫至840°C左右繼續生長12nm左右GaN層。InxGa(l-x)N/GaN 周期數為 15 ；5、再持續生長形成PGaN層。現有的大部分結構創新在於量子阱和P型層，例如:將量子阱設計成階梯量子阱生長，改變電子和空穴波函數的重合度，P層增加PAlGaN/PInGaN、PAlGaN/PGaN、PAlGaN/GaN等超晶格的結構來提高電流的擴展能力達到提高亮度的目的。但是目前國內各外延廠的外延N型層外延結構比較統一，生長方法大抵相同，效果不佳。鑑於此，實有必要提供一種新的方法以解決上述技術問題。

發明內容
鑑於以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，用於解決現有的方法製備的外延結構使得晶片的驅動電壓較高，注入電子與空穴耦合發光的效率變低導致亮度偏低，大尺寸光效(亮度除以電壓)偏低的問題。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種提高大尺寸晶片光效的外延結構，該外延結構包括
形成於PSS襯底上的GaN緩衝層；形成於該緩衝層上的UGaN層；形成於所述U型GaN層上的摻雜Si的NGaN層；形成於所述NGaN層上的NAlGaN/NGaN交替結構；以及依次形成於所述NAlGaN/NGaN交替結構上的有源層MQW以及PGaN層。優選地，所述NAlGaN/NGaN交替結構厚度為1100nm-1400nm。本發明還提供一種提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，該方法包括以下步驟:I)在PSS襯底上生長GaN緩衝層；2)在該GaN緩衝層上生長UGaN層；3)在所述UGaN層上生長摻雜Si的N型GaN層；4)在所述摻雜Si的N型GaN層上形成NAlGaN/NGaN交替結構；5)周期性生長有源層MQW和PGaN層；形成NAlGaN/NGaN交替結構的具體步驟如下；a.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；b.接著交替形成生長摻雜Si和Al的第二 NAlGaN和不摻雜Si的第二 UGaN層，交替生長25-26個周期；c.接著交替生長形成摻雜Si和Al的第三NAlGaN層和摻雜Si的第三NGaN層，交替生長15-16個周期。優選地，在所述步驟I)之前還包括在1100-1200°C的的氫氣氣氛下高溫處理所述襯底5-6分鐘的步驟。優選地，所述步驟a)到步驟c)中的Al摻雜濃度逐漸增大。優選地，所述步驟a)中形成第一 NAlGaN層的Si的摻雜濃度為5E+18 6E+18 ；Al的摻雜濃度為9E+19 1E+20 ；優選地，所述步驟b)中形成第二 NAlGaN層的Si的摻雜濃度為8E+18 9E+18 ；Al的摻雜濃度為1E+20 2E+20 ；優選地，所述步驟c)中形成第三NAlGaN層的Si的摻雜濃度4E+18 5E+18 ；A1的摻雜濃度3E+20 4E+20。本發明通過採用NAlGaN/NGaN超晶格結構取代傳統的N型GaN層，使N型GaN的能帶結構發生變化，NAlGaN/NGaN超晶格中高能帶的NAlGaN作為勢磊，低能帶NGaN作為勢阱，NAlGaN/NGaN超晶格能在NGaN勢阱處局域化電子，形成高密度的二維電子氣，高密度的二維電子氣能提高器件電子的縱向和橫向的傳播，微觀上該結構提高了器件的電子遷移率。


圖1顯示為現有的外延結構示意圖。其中，10為襯底；11為緩衝層；12為不摻雜Si的UGaN層；13為摻雜Si的NGaN層；14為發光層量子阱MQW ;15為PGaN層，其中151為低溫摻雜Mg的PGaN層；152為摻雜Mg、Al型PGaN層；153為高溫摻雜Mg的PGaN層。
圖2為現有的N型GaN的能帶結構示意圖。其中:(I)摻雜Si的GaN導帶能級，
(2)摻雜Si的GaN費米能級，(3)摻雜Si的GaN價帶能級，(4)摻雜Si4_5E+18的GaN，(5)摻雜 Si8-9E+18 的 GaN，(6)摻雜 Si3_4E+18 的 GaN圖3顯示為本發明延結構示意圖。其中，20為藍寶石PSS襯底；21為GaN緩衝層；22為不摻雜Si的UGaN層；23為摻雜Si的NGaN層；26為摻雜S1、Al的NAlGaN/NGaN交替結構；24為發光層量子阱MQW ;25為PGaN層，其中，251為低溫摻雜Mg的PGaN層；252為摻雜Mg、Al型PGaN層；253為高溫摻雜Mg的PGaN層。圖4為本發明N型GaN的能帶結構示意圖。其中，(I)摻雜Si的GaN導帶能級，(2)摻雜Si的GaN費米能級，(3)摻雜Si的GaN價帶能級，(4)摻雜Si4-5E+19的GaN，(5)低能帶摻雜Si的NGaN，(6)高能帶摻雜S1、Al 的 GaN0圖5顯不為兩種樣品的光效不意圖。圖6顯示為兩種樣品的電壓示意圖。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖3所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。請參閱圖3所示，一種提高大尺寸晶片光效的外延結構，該外延結構包括形成於襯底20上的GaN緩衝層21 ；(此處的襯底優選為藍寶石PSS襯底)形成於該GaN緩衝層21上的UGaN層22 ;形成於所述U GaN層22上的摻雜Si的NGaN層23 ;形成於所述NGaN層23上的NAlGaN/NGaN交替結構26 ；以及依次形成於所述NAlGaN/NGaN交替結構26上的有源層MQW24以及PGaN層25。其中所述PGaN層25包括低溫PGaN層251、位於所述低溫PGaN層251上的P型AlGaN層252以及位於P型AlGaN層252上的厚度大致為0.2 0.3um的摻鎂的P型GaN層253。其中，優選為交替生長3組形成於所述NGaN層23上摻雜Si和Al的NAlGaN層以及不摻雜Si的UGaN層，形成NAlGaN/NGaN交替結構26.具體生長方法如下:第一組NAlGaN/NGaN結構261生長方式如下:在摻雜Si的NGaN層23上生長8 IOnm摻雜Si且摻雜濃度為5E+18 6E+18 ;摻雜Al且摻雜濃度為9E+19 1E+20的NAlGaN，然後再生長3 5nm的不摻雜Si的UGaN層。接著再生長摻雜Si且摻雜Al的NAlGaN層後又再生長不摻雜Si的UGaN層。如此交替反覆。一共交替生長38 40個周期，使得第一組NAlGaN/NGaN結構厚度大致為418nm 600nm ；第二組NAlGaN/NGaN結構262生長方式如下:先生長厚度大致為14 16nm的摻雜Si且摻雜濃度大致為8E+18 9E+18，同時摻雜Al，且摻雜濃度1E+20 2E+20的NAlGaN，然後再生長厚度大致為2 3nm的不摻雜Si的UGaN層。接著，再生長摻雜Si且摻雜Al的NAlGaN層後又再生長不摻雜Si的UGaN層。如此交替反覆。一共交替生長25 26個周期，使得第二組NAlGaN/NGaN結構厚度大致為400nm 494nm ；第三組NAlGaN/NGaN結構263生長方式如下:先生長厚度大致為17 18nm的、摻雜Si且摻雜濃度大致為4E+18 5E+18，同時摻雜Al且摻雜濃度大致為3E+20 4E+20的NAlGaN,然後繼續生長厚度大致為I 2nm的摻雜Si濃度大致為3E+18 4E+18的NGaN，接著，再生長摻雜Si且摻雜Al的NAlGaN層後又再生長摻雜Si的NGaN層。如此交替反覆。一共交替生長15-16個周期，使得第三組NAlGaN/NGaN結構厚度大致為270nm 320nm ；此階段形成的NAlGaN/NGaN交替結構26總厚度控制在IlOOnm 1400nm ;其中，NGaN層總厚度控制在2.0 2.5 μ m。本發明還提供一種外延結構的製備方法，具體如下:1、在1100-1200°C的的氫氣氣氛下高溫處理藍寶石襯底5_6分鐘，降溫至530 570°C下，在藍寶石襯底上生長厚度為20 40nm的低溫緩衝層GaN ；2、升高溫度到1000 1100°C下，持續生長2 2.5um的不摻雜GaN ；3、生長0.8 L 2 μ m持續摻雜Si的N型GaN，摻雜濃度摻雜濃度8 9E+18 ；4、再持續生長1.1 1.4um摻S1、Al的NAlGaN/N型摻Si的NGaN超晶格取代後面傳統的η型GaN，具體生長方法如下:(I )NGaN_l:接著交替生長8 IOnm的摻雜Si的摻雜濃度5E+18 6E+18同時摻雜Al的摻雜濃度9E+19 1E+20的NAlGaN，和3 5nm的不摻雜Si的UGaN，一共交替生長38 40個周期，一共418nm 600nm ；(2)NGaN-2:接著交替生長14 16nm的摻雜Si的摻雜濃度8E+18 9E+18同時摻雜Al的摻雜濃度1E+20 2E+20的NAlGaN,和2 3nm的不慘雜Si的UGaN, —共交替生長25 26個周期，一共400nm 494nm (3) NGaN-3:接著交替生長17 18nm的摻雜Si的摻雜濃度4E+18-5E+18同時摻雜Al的摻雜濃度3E+20 4E+20的NAlGaNjP I 2nm的摻雜Si濃度3E+18 4E+18的NGaN，一共交替生長15 16個周期，一共270nm 320nm ;此階段總厚度控制在IlOOnm 1400nm ；NGaN總厚度控制在2.0 2.5 μ m。5、周期性生長有源層MQW，低溫750°C左右生長摻雜In的3nm左右厚度的InxGa(l-x)N(x取值範圍大致為0.20 0.21)層，高溫840°C左右生長12nmGaN層。InxGaC 1-χ)N/GaN周期數為15 ；6、再升高溫度到780 800°C持續生長10 20nm的低溫PGaN層7、再升高溫度到930 950°C持續生長10 20nm的P型AlGaN層；8、再升高溫度到950 980°C持續生長0.2 0.3um的摻鎂的P型GaN層；9、最後降溫至670 680°C，保溫20 30min，接著爐內冷卻；本發明採用Aixtron Cruis I 31X2 〃 MOCVD來生長高亮度GaN基LED外延片。採用高純H2或高純N2或高純H2和高純N2的混合氣體作為載氣，高純NH3作為N源，金屬有機源三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為矽烷(SiH4)，三甲基鋁(TMAl)作為鋁源P型摻雜劑為二茂鎂(CP2Mg)，襯底為(0001)面藍寶石，反應壓力在IOOmbar到800mbar之間。具體生長方式如下(外延結構請參考圖3,第4步形成的N型GaN能帶請參考圖4):
根據傳統的LED的生長方法製備樣品1，根據本專利描述的方法製備樣品；樣品I和樣品2外延生長方法參數不同點在於生長N型GaN,生長其它外延層生長條件完全一樣(請參考表一)。樣品I和樣品2在相同的前工藝條件下鍍ITO層200nm，相同的條件下鍍Cr/Pt/Au電極130nm,相同的條件下鍍保護層Si02約50nm,然後在相同的條件下將樣品研磨切表I]成1143 u m*1143 u m(45mi*45mil)的晶片顆粒，然後樣品I和樣品2在相冋位直各自挑選150顆晶粒，在相同的封裝工藝下，封裝成白光LED。然後採用積分球在驅動電流350mA條件下測試樣品I和樣品2的光電性能。數據分析結論:將積分球獲得的數據進行分析對t匕，請參考附圖5和附圖6，從圖5數據得出樣品2較樣品I光效提升5 6%，從圖6數據得出樣品2較樣品I電壓降低0.1 0.15v。
權利要求
1.一種提高大尺寸晶片光效的外延結構，其特徵在於，該外延結構包括 形成於PSS襯底上的GaN緩衝層； 形成於該GaN緩衝層上的UGaN層； 形成於所述U型GaN層上的摻雜Si的NGaN層； 形成於所述NGaN層上的NAlGaN/NGaN交替結構； 以及依次形成於所述NAlGaN/NGaN交替結構上的有源層MQW以及PGaN層。
2.根據權利要求1所述的提高大尺寸晶片光效的外延結構，其特徵在於，所述NAlGaN/NGaN 交替結構厚度為1100nm-1400nm。
3.一種提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，其特徵在於:該方法包括以下步驟: 1)在PSS襯底上生長GaN緩衝層； 2)在該GaN緩衝層上生長UGaN層； 3)在所述UGaN層上生長摻雜Si的N型GaN層； 4)在所述摻雜Si的N型GaN層上形成NAlGaN/NGaN交替結構； 5)周期性生長有源層MQW和PGaN層； 形成NAlGaN/NGaN交替結構的具體步驟如下； a.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； b.接著交替形成生長摻雜Si和Al的第二NAlGaN和不摻雜Si的第二 UGaN層，交替生長 25-26個周期； c.接著交替生長形成摻雜Si和Al的第三NAlGaN層和摻雜Si的第三NGaN層，交替生長 15-16個周期。
4.根據權利要求3所述的提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，其特徵在於:在所述步驟I)之前還包括在1100-1200°C的的氫氣氣氛下高溫處理所述襯底5-6分鐘的步驟。
5.根據權利要求3所述的提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，其特徵在於:所述步驟a)到步驟c)中的Al摻雜濃度逐漸增大。
6.根據權利要求3所述的提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，其特徵在於:所述步驟a)中形成第一 NAlGaN層的Si的摻雜濃度為5E+18 6E+18 ；A1的摻雜濃度為9E+19 1E+20 ;7、根據權利要求3所述的提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，其特徵在於:所述步驟b)中形成第二 NAlGaN層的Si的摻雜濃度為8E+18 9E+18 ；A1的摻雜濃度為1E+20 2E+20 ;8、根據權利要求3所述的提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，其特徵在於:所述步驟c)中形成第三NAlGaN層的Si的摻雜濃度4E+18 5E+18 ；A1的摻雜濃度3E+20 4E+20。
全文摘要
本發明提供一種提高大尺寸晶片光效的外延結構製備方法，該方法包括以下步驟在PSS襯底上生長GaN緩衝層；在該GaN緩衝層上生長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；接著交替形成生長摻雜Si和Al的第二NAlGaN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。本發明採用NAlGaN/NGaN超晶格結構取代傳統N型GaN層(NGaN)的方法有效提高了LED的外量子發光效率，使得器件可以提高電子的遷移率，可以降低大尺寸晶片的正向電壓、提高發光效率。
文檔編號H01L33/00GK103187497SQ20131003228
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者覃曉燕, 吳迅飛, 謝文通 申請人:上海博恩世通光電股份有限公司