專利名稱：一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，將傳統(tǒng)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，大尺寸芯片的光效。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在市場(chǎng)上大尺寸大功率芯片規(guī)格45mil*45mil運(yùn)用在路燈照明上，中小尺寸10mil*23mil運(yùn)用在背光光源上。大尺寸芯片散熱性是一個(gè)重要的指標(biāo)，不再以高流明數(shù)定義大尺寸芯片的發(fā)光性能，現(xiàn)在大功率市場(chǎng)價(jià)值導(dǎo)向?yàn)榱髅?(瓦*單價(jià))，中小尺寸不需要考慮散熱問題，市場(chǎng)價(jià)值導(dǎo)向?yàn)榱髅?單價(jià)；目前，提高光效或提高亮度有很多種外延生長(zhǎng)方法，以下為一種傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)外延生長(zhǎng)方法。請(qǐng)參閱圖1所示的外延結(jié)構(gòu)，其具體步驟:1、在PSS襯底(Patterned Sapphire Substrate,即圖形化藍(lán)寶石襯底)上生長(zhǎng)低溫緩沖層GaN ；2、持續(xù)生長(zhǎng)2 2.5um的不摻雜GaN層，SP U型GaN層；3、然后先生長(zhǎng)厚度為I 1.5μπι，并摻雜Si的N型GaN層，摻雜濃度為4 5Ε+18,接著生長(zhǎng)0.8-1.0um的摻雜Si的N型GaN層，摻雜濃度為8 9Ε+18，再持續(xù)生長(zhǎng)
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(zhǎng)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(qǐng)參考圖2所示。4、接著周期性生長(zhǎng)有源層MQW，在750°C左右生長(zhǎng)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(xù)生長(zhǎng)12nm左右GaN層。InxGa(l-x)N/GaN 周期數(shù)為 15 ；5、再持續(xù)生長(zhǎng)形成PGaN層?，F(xiàn)有的大部分結(jié)構(gòu)創(chuàng)新在于量子阱和P型層，例如:將量子阱設(shè)計(jì)成階梯量子阱生長(zhǎng)，改變電子和空穴波函數(shù)的重合度，P層增加PAlGaN/PInGaN、PAlGaN/PGaN、PAlGaN/GaN等超晶格的結(jié)構(gòu)來提高電流的擴(kuò)展能力達(dá)到提高亮度的目的。但是目前國(guó)內(nèi)各外延廠的外延N型層外延結(jié)構(gòu)比較統(tǒng)一，生長(zhǎng)方法大抵相同，效果不佳。鑒于此，實(shí)有必要提供一種新的方法以解決上述技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，用于解決現(xiàn)有的方法制備的外延結(jié)構(gòu)使得芯片的驅(qū)動(dòng)電壓較高，注入電子與空穴耦合發(fā)光的效率變低導(dǎo)致亮度偏低，大尺寸光效(亮度除以電壓)偏低的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)包括
形成于PSS襯底上的GaN緩沖層；形成于該緩沖層上的UGaN層；形成于所述U型GaN層上的摻雜Si的NGaN層；形成于所述NGaN層上的NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)；以及依次形成于所述NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)上的有源層MQW以及PGaN層。優(yōu)選地，所述NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)厚度為1100nm-1400nm。本發(fā)明還提供一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，該方法包括以下步驟:I)在PSS襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層；2)在該GaN緩沖層上生長(zhǎng)UGaN層；3)在所述UGaN層上生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)；5)周期性生長(zhǎng)有源層MQW和PGaN層；形成NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)的具體步驟如下；a.交替生長(zhǎng)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(zhǎng)38-40個(gè)周期；b.接著交替形成生長(zhǎng)摻雜Si和Al的第二 NAlGaN和不摻雜Si的第二 UGaN層，交替生長(zhǎng)25-26個(gè)周期；c.接著交替生長(zhǎng)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(zhǎng)15-16個(gè)周期。優(yōu)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(yōu)選地，所述步驟a)到步驟c)中的Al摻雜濃度逐漸增大。優(yōu)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(yōu)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(yōu)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(fā)明通過采用NAlGaN/NGaN超晶格結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的N型GaN層，使N型GaN的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，NAlGaN/NGaN超晶格中高能帶的NAlGaN作為勢(shì)磊，低能帶NGaN作為勢(shì)阱，NAlGaN/NGaN超晶格能在NGaN勢(shì)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(jié)構(gòu)提高了器件的電子遷移率。


圖1顯示為現(xiàn)有的外延結(jié)構(gòu)示意圖。其中，10為襯底；11為緩沖層；12為不摻雜Si的UGaN層；13為摻雜Si的NGaN層；14為發(fā)光層量子阱MQW ;15為PGaN層，其中151為低溫?fù)诫sMg的PGaN層；152為摻雜Mg、Al型PGaN層；153為高溫?fù)诫sMg的PGaN層。
圖2為現(xiàn)有的N型GaN的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。其中:(I)摻雜Si的GaN導(dǎo)帶能級(jí)，
(2)摻雜Si的GaN費(fèi)米能級(jí)，(3)摻雜Si的GaN價(jià)帶能級(jí)，(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(fā)明延結(jié)構(gòu)示意圖。其中，20為藍(lán)寶石PSS襯底；21為GaN緩沖層；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(jié)構(gòu)；24為發(fā)光層量子阱MQW ;25為PGaN層，其中，251為低溫?fù)诫sMg的PGaN層；252為摻雜Mg、Al型PGaN層；253為高溫?fù)诫sMg的PGaN層。圖4為本發(fā)明N型GaN的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。其中，(I)摻雜Si的GaN導(dǎo)帶能級(jí)，(2)摻雜Si的GaN費(fèi)米能級(jí)，(3)摻雜Si的GaN價(jià)帶能級(jí)，(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(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱圖3所示。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。請(qǐng)參閱圖3所示，一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)，該外延結(jié)構(gòu)包括形成于襯底20上的GaN緩沖層21 ；(此處的襯底優(yōu)選為藍(lán)寶石PSS襯底)形成于該GaN緩沖層21上的UGaN層22 ;形成于所述U GaN層22上的摻雜Si的NGaN層23 ;形成于所述NGaN層23上的NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)26 ；以及依次形成于所述NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)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、位于所述低溫PGaN層251上的P型AlGaN層252以及位于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(yōu)選為交替生長(zhǎng)3組形成于所述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(jié)構(gòu)26.具體生長(zhǎng)方法如下:第一組NAlGaN/NGaN結(jié)構(gòu)261生長(zhǎng)方式如下:在摻雜Si的NGaN層23上生長(zhǎng)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，然后再生長(zhǎng)3 5nm的不摻雜Si的UGaN層。接著再生長(zhǎng)摻雜Si且摻雜Al的NAlGaN層后又再生長(zhǎng)不摻雜Si的UGaN層。如此交替反復(fù)。一共交替生長(zhǎng)38 40個(gè)周期，使得第一組NAlGaN/NGaN結(jié)構(gòu)厚度大致為418nm 600nm ；第二組NAlGaN/NGaN結(jié)構(gòu)262生長(zhǎng)方式如下:先生長(zhǎng)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(shí)摻雜Al，且摻雜濃度1E+20 2E+20的NAlGaN，然后再生長(zhǎng)厚度大致為2 3nm的不摻雜Si的UGaN層。接著，再生長(zhǎng)摻雜Si且摻雜Al的NAlGaN層后又再生長(zhǎng)不摻雜Si的UGaN層。如此交替反復(fù)。一共交替生長(zhǎng)25 26個(gè)周期，使得第二組NAlGaN/NGaN結(jié)構(gòu)厚度大致為400nm 494nm ；第三組NAlGaN/NGaN結(jié)構(gòu)263生長(zhǎng)方式如下:先生長(zhǎng)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(shí)摻雜Al且摻雜濃度大致為3E+20 4E+20的NAlGaN,然后繼續(xù)生長(zhǎng)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(zhǎng)摻雜Si且摻雜Al的NAlGaN層后又再生長(zhǎng)摻雜Si的NGaN層。如此交替反復(fù)。一共交替生長(zhǎng)15-16個(gè)周期，使得第三組NAlGaN/NGaN結(jié)構(gòu)厚度大致為270nm 320nm ；此階段形成的NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)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(fā)明還提供一種外延結(jié)構(gòu)的制備方法，具體如下:1、在1100-1200°C的的氫氣氣氛下高溫處理藍(lán)寶石襯底5_6分鐘，降溫至530 570°C下，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)厚度為20 40nm的低溫緩沖層GaN ；2、升高溫度到1000 1100°C下，持續(xù)生長(zhǎng)2 2.5um的不摻雜GaN ；3、生長(zhǎng)0.8 L 2 μ m持續(xù)摻雜Si的N型GaN，摻雜濃度摻雜濃度8 9E+18 ；4、再持續(xù)生長(zhǎng)1.1 1.4um摻S1、Al的NAlGaN/N型摻Si的NGaN超晶格取代后面?zhèn)鹘y(tǒng)的η型GaN，具體生長(zhǎng)方法如下:(I )NGaN_l:接著交替生長(zhǎng)8 IOnm的摻雜Si的摻雜濃度5E+18 6E+18同時(shí)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(zhǎng)38 40個(gè)周期，一共418nm 600nm ；(2)NGaN-2:接著交替生長(zhǎng)14 16nm的摻雜Si的摻雜濃度8E+18 9E+18同時(shí)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(zhǎng)25 26個(gè)周期，一共400nm 494nm (3) NGaN-3:接著交替生長(zhǎng)17 18nm的摻雜Si的摻雜濃度4E+18-5E+18同時(shí)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(zhǎng)15 16個(gè)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(zhǎng)有源層MQW，低溫750°C左右生長(zhǎng)摻雜In的3nm左右厚度的InxGa(l-x)N(x取值范圍大致為0.20 0.21)層，高溫840°C左右生長(zhǎng)12nmGaN層。InxGaC 1-χ)N/GaN周期數(shù)為15 ；6、再升高溫度到780 800°C持續(xù)生長(zhǎng)10 20nm的低溫PGaN層7、再升高溫度到930 950°C持續(xù)生長(zhǎng)10 20nm的P型AlGaN層；8、再升高溫度到950 980°C持續(xù)生長(zhǎng)0.2 0.3um的摻鎂的P型GaN層；9、最后降溫至670 680°C，保溫20 30min，接著爐內(nèi)冷卻；本發(fā)明采用Aixtron Cruis I 31X2 〃 MOCVD來生長(zhǎng)高亮度GaN基LED外延片。采用高純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(jī)源三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn)作為銦源，N型摻雜劑為硅烷(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(lán)寶石，反應(yīng)壓力在IOOmbar到800mbar之間。具體生長(zhǎng)方式如下(外延結(jié)構(gòu)請(qǐng)參考圖3,第4步形成的N型GaN能帶請(qǐng)參考圖4):
根據(jù)傳統(tǒng)的LED的生長(zhǎng)方法制備樣品1，根據(jù)本專利描述的方法制備樣品；樣品I和樣品2外延生長(zhǎng)方法參數(shù)不同點(diǎn)在于生長(zhǎng)N型GaN,生長(zhǎng)其它外延層生長(zhǎng)條件完全一樣(請(qǐng)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(hù)層Si02約50nm,然后在相同的條件下將樣品研磨切表I]成1143 u m*1143 u m(45mi*45mil)的芯片顆粒，然后樣品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。然后采用積分球在驅(qū)動(dòng)電流350mA條件下測(cè)試樣品I和樣品2的光電性能。數(shù)據(jù)分析結(jié)論:將積分球獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)t匕，請(qǐng)參考附圖5和附圖6，從圖5數(shù)據(jù)得出樣品2較樣品I光效提升5 6%，從圖6數(shù)據(jù)得出樣品2較樣品I電壓降低0.1 0.15v。
權(quán)利要求
1.一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，該外延結(jié)構(gòu)包括 形成于PSS襯底上的GaN緩沖層； 形成于該GaN緩沖層上的UGaN層； 形成于所述U型GaN層上的摻雜Si的NGaN層； 形成于所述NGaN層上的NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)； 以及依次形成于所述NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)上的有源層MQW以及PGaN層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述NAlGaN/NGaN 交替結(jié)構(gòu)厚度為1100nm-1400nm。
3.一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 1)在PSS襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層； 2)在該GaN緩沖層上生長(zhǎng)UGaN層； 3)在所述UGaN層上生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)； 5)周期性生長(zhǎng)有源層MQW和PGaN層； 形成NAlGaN/NGaN交替結(jié)構(gòu)的具體步驟如下； a.交替生長(zhǎng)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(zhǎng) 38-40個(gè)周期； b.接著交替形成生長(zhǎng)摻雜Si和Al的第二NAlGaN和不摻雜Si的第二 UGaN層，交替生長(zhǎng) 25-26個(gè)周期； c.接著交替生長(zhǎng)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(zhǎng) 15-16個(gè)周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求3所述的提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于:所述步驟a)到步驟c)中的Al摻雜濃度逐漸增大。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求3所述的提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求3所述的提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，其特征在于: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(fā)明提供一種提高大尺寸芯片光效的外延結(jié)構(gòu)制備方法，該方法包括以下步驟在PSS襯底上生長(zhǎng)GaN緩沖層；在該GaN緩沖層上生長(zhǎng)UGaN層；在所述U型GaN層上生長(zhǎng)摻雜Si的N型GaN層；交替生長(zhǎng)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(zhǎng)38-40個(gè)周期；接著交替形成生長(zhǎng)摻雜Si和Al的第二NAlGaN和不摻雜Si的第二UGaN層，交替生長(zhǎng)25-26個(gè)周期；接著交替生長(zhǎng)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(zhǎng)15-16個(gè)周期；周期性生長(zhǎng)有源層MQW和PGaN層。本發(fā)明采用NAlGaN/NGaN超晶格結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)N型GaN層(NGaN)的方法有效提高了LED的外量子發(fā)光效率，使得器件可以提高電子的遷移率，可以降低大尺寸芯片的正向電壓、提高發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK103187497SQ20131003228
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月28日
發(fā)明者覃曉燕, 吳迅飛, 謝文通 申請(qǐng)人:上海博恩世通光電股份有限公司