《一種發光二極體外延片及其製造方法》是華燦光電（蘇州）有限公司於2014年5月23日申請的專利，該專利的申請號為201410222155X，公布號為CN104022197A，授權公布日為2014年9月3日，發明人是孫玉芹、王江波、劉榕。
《一種發光二極體外延片及其製造方法》公開了一種發光二極體外延片及其製造方法，屬於半導體技術領域。所述外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在藍寶石襯底上的未摻雜GaN層、N型層、有源層、P型層，有源層包括交替生長的量子阱層和量子壘層，量子阱層為InGaN層，量子壘層包括第一量子壘層和第二量子壘層，第二量子壘層為有源層中最靠近P型層的一個量子壘層，第一量子壘層為除第二量子壘層以外的量子壘層，第一量子壘層為GaN層，第二量子壘層包括交替生長的第一子層和第二子層，第一子層為GaN層，第二子層為AlGaN層。
2018年12月20日，《一種發光二極體外延片及其製造方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種發光二極體外延片及其製造方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種發光二極體外延片及其製造方法
- 公告號：CN104022197A
- 授權日：2014年9月3日
- 申請號：201410222155X
- 申請日：2014年5月23日
- 申請人：華燦光電（蘇州）有限公司
- 地址：江蘇省蘇州市張家港市經濟開發區晨豐公路
- 發明人：孫玉芹、王江波、劉榕
- Int.Cl.：H01L33/06(2010.01)I; H01L33/32(2010.01)I; H01L33/00(2010.01)I
- 代理機構：北京三高永信智慧財產權代理有限責任公司
- 代理人：徐立
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
LED（Light Emitting Diode，發光二極體）是一種能發光的半導體電子元件。LED具有長壽、節能、環保、可靠性高等優點，近年來在大螢幕彩色顯示、交通信號燈和照明等領域發揮了越來越重要的作用。
LED外延片是LED內部的晶片生產的原材料。截至2014年5月23日，LED外延片通常包括襯底、以及依次生長在襯底上的未摻雜GaN層、N型GaN層、有源層、P型GaN層。其中，有源層包括若干交替生長的InGaN層和GaN層。
在實現《一種發光二極體外延片及其製造方法》的過程中，發明人發現截至2014年5月23日的技術至少存在以下問題：
對於LED來說，N型GaN層提供載流子中的電子，P型GaN層提供載流子中的空穴，而這兩種載流子傳輸至有源層中時在量子阱（即InGaN層）中發生輻射複合發光。由於P型GaN層中的空穴濃度較低，而N型GaN層中的電子濃度較高，空穴一從P型GaN層注入有源層中，就與有源層中靠近P型GaN層的量子阱層中的電子發生輻射複合發光，導致空穴的傳輸距離有限，所以通常臨近P型GaN層的3個量子阱為主要發光區域，而能生長較好質量的量子阱的總個數通常為6～15不等，所以發光二極體的發光效率還有待提高。
發明內容
專利目的
《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例提供了一種發光二極體外延片及其製造方法。
技術方案
所述技術方案如下：
一方面，《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例提供了一種發光二極體外延片，所述外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在所述藍寶石襯底上的未摻雜GaN層、N型層、有源層、P型層，所述有源層包括交替生長的量子阱層和量子壘層，所述量子阱層為InGaN層，所述量子壘層包括第一量子壘層和第二量子壘層，所述第二量子壘層為所述有源層中最靠近所述P型層的一個量子壘層，所述第一量子壘層為除所述第二量子壘層以外的量子壘層，所述第一量子壘層為GaN層，所述第二量子壘層包括交替生長的第一子層和第二子層，所述第一子層為GaN層，所述第二子層為AlGaN層，所述第二子層中Al、Ga、N的組分含量比為x:（1-x）:1；
所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為13埃、15埃，x為0.4；
或者，所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為22埃、25埃，x為0.25；
或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為10埃、12埃，x為0.3；
或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為6埃、8埃，x為0.45。
另一方面，《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例提供了一種發光二極體外延片的製造方法，所述方法包括：
將藍寶石襯底放置在石墨盤上並送入金屬有機化合物化學氣相沉澱反應腔中加熱；
在所述藍寶石襯底上依次生長未摻雜GaN層、N型層；
在所述N型層上生長有源層，所述有源層包括交替生長的量子阱層和量子壘層，所述量子阱層為InGaN層，所述量子壘層包括第一量子壘層和第二量子壘層，所述第二量子壘層為所述有源層中最靠近P型層的一個量子壘層，所述第一量子壘層為除所述第二量子壘層以外的量子壘層，所述第一量子壘層為GaN層，所述第二量子壘層包括交替生長的第一子層和第二子層，所述第一子層為GaN層，所述第二子層為AlGaN層；
在所述有源層上生長所述P型層；
其中，所述第二子層中Al、Ga、N的組分含量比為x:（1-x）:1；
所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為13埃、15埃，x為0.4；
或者，所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為22埃、25埃，x為0.25；
或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為10埃、12埃，x為0.3；
或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為6埃、8埃，x為0.45。
有益效果
通過將有源層中最靠近P型層的量子壘層（即第二量子壘層）改為交替生長的GaN層和AlGaN層，而交替生長的GaN層和AlGaN層為多重雙勢壘結構，該結構具備發生量子遂穿效應的巨觀條件，當入射空穴能量等於兩個勢壘之間的勢阱中空穴的量子化能級時，空穴就會發生遂穿效應，從而大大提高注入到有源層中的空穴濃度，空穴從P型層注入有源層後，一部分空穴與有源層中靠近P型層的3個量子阱層中的電子進行複合發光，還有多餘的空穴離開有源層中靠近P型層的3個量子阱層，傳輸到更遠更多的量子阱層中進行輻射複合發光，從而有源層中進行輻射複合發光的量子阱的個數隨之增加，提高了發光二極體的發光效率。
附圖說明
圖1是《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例一提供的一種LED外延片的結構示意圖；
圖2是《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例二提供的一種LED外延片的製備方法的流程圖。
技術領域
《一種發光二極體外延片及其製造方法》涉及半導體技術領域，特別涉及一種發光二極體外延片及其製造方法。
權利要求
1.一種發光二極體外延片，所述外延片包括藍寶石襯底、以及依次層疊在所述藍寶石襯底上的未摻雜GaN層、N型層、有源層、P型層，所述有源層包括交替生長的量子阱層和量子壘層，所述量子阱層為InGaN層，其特徵在於，所述量子壘層包括第一量子壘層和第二量子壘層，所述第二量子壘層為所述有源層中最靠近所述P型層的一個量子壘層，所述第一量子壘層為除所述第二量子壘層以外的量子壘層，所述第一量子壘層為GaN層，所述第二量子壘層包括交替生長的第一子層和第二子層，所述第一子層為GaN層，所述第二子層為AlGaN層，所述第二子層中Al、Ga、N的組分含量比為x:（1-x）:1；所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為13埃、15埃，x為0.4；或者，所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為22埃、25埃，x為0.25；或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為10埃、12埃，x為0.3；或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為6埃、8埃，x為0.45。
2.一種發光二極體外延片的製造方法，其特徵在於，所述方法包括：將藍寶石襯底放置在石墨盤上並送入金屬有機化合物化學氣相沉澱反應腔中加熱；在所述藍寶石襯底上依次生長未摻雜GaN層、N型層；在所述N型層上生長有源層，所述有源層包括交替生長的量子阱層和量子壘層，所述量子阱層為InGaN層，所述量子壘層包括第一量子壘層和第二量子壘層，所述第二量子壘層為所述有源層中最靠近P型層的一個量子壘層，所述第一量子壘層為除所述第二量子壘層以外的量子壘層，所述第一量子壘層為GaN層，所述第二量子壘層包括交替生長的第一子層和第二子層，所述第一子層為GaN層，所述第二子層為AlGaN層；在所述有源層上生長所述P型層；其中，所述第二子層中Al、Ga、N的組分含量比為x:（1-x）:1；所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為13埃、15埃，x為0.4；或者，所述第二量子壘層中不摻雜Mg，所述第一子層的層數為6，所述第二子層的層數為6，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為22埃、25埃，x為0.25；或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為10埃、12埃，x為0.3；或者，所述第二量子壘層中摻有Mg，所述第一子層的層數為4，所述第二子層的層數為4，所述第一子層和所述第二子層的厚度依次為6埃、8埃，x為0.45。
實施方式
- 實施例一
《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例提供了一種LED外延片，參見圖1，該外延片包括藍寶石襯底1、以及依次層疊在藍寶石襯底1上的未摻雜GaN層2、N型層3、有源層4、P型層5。
在該實施例中，有源層4包括交替生長的量子阱層41和量子壘層，量子阱層41為InGaN層。量子壘層包括第一量子壘層42和第二量子壘層43，第二量子壘層43為有源層4中最靠近P型層5的一個量子壘層，第一量子壘層42為除第二量子壘層43以外的量子壘層。第一量子壘層42為GaN層，第二量子壘層43包括交替生長的第一子層431和第二子層432，第一子層431為GaN層，第二子層432為AlGaN層。
可選地，第一子層431和第二子層432的層數為2-15。
優選地，第一子層431和第二子層432的層數為4-8。
可選地，第二子層432中Al、Ga、N的組分含量比為x:（1-x）:1，0.05≤x≤1。
可選地，第二量子壘層43中摻有Mg或不摻雜Mg。
可選地，第一子層431和第二子層432的厚度均小於或等於30納米。
優選地，第一子層431和第二子層432的厚度均小於或等於5納米。
需要說明的是，《一種發光二極體外延片及其製造方法》對除第二量子壘層以外的層不作限制。例如，量子阱層41的層數可以為6，第一量子壘層42的層數可以為5，P型層5的厚度可以為200納米，P型層5中可以摻有Mg。未摻雜GaN層2和N型層3的厚度可以均為2微米，N型層3中可以摻有Si。
需要說明的是，該實施例提供的LED外延片主要用於藍綠光LED的生產。
《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例通過將有源層中最靠近P型層的量子壘層（即第二量子壘層）改為交替生長的GaN層和AlGaN層，而交替生長的GaN層和AlGaN層為多重雙勢壘結構，該結構具備發生量子遂穿效應的巨觀條件，當入射空穴能量等於兩個勢壘之間的勢阱中空穴的量子化能級時，空穴就會發生遂穿效應，從而大大提高注入到有源層中的空穴濃度，空穴從P型層注入有源層後，一部分空穴與有源層中靠近P型層的3個量子阱層中的電子進行複合發光，還有多餘的空穴離開有源層中靠近P型層的3個量子阱層，傳輸到更遠更多的量子阱層中進行輻射複合發光，從而有源層中進行複合發光的量子阱的個數隨之增加，提高了發光二極體的發光效率。
- 實施例二
《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例提供了一種LED外延片的製造方法，該方法用於製造如實施例一所述的LED外延片，參見圖2，該方法包括：
步驟201：將藍寶石襯底放置在石墨盤上並送入MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金屬有機化合物化學氣相沉澱）反應腔中加熱。
具體地，加熱溫度為1060℃，加熱時間為5分鐘。
需要說明的是，該實施例提供的製造方法是採用MOCVD法在MOCVD反應腔中進行的。在其它實施例中，也採用其它方法和/或其它反應腔實現《一種發光二極體外延片及其製造方法》提供的LED外延片的製造方法。
步驟202：在藍寶石襯底上依次生長未摻雜GaN層、N型層。
具體地，未摻雜GaN層和N型層的厚度為2微米，N型層中摻有Si。
步驟203：在N型層上生長有源層。
具體地，有源層包括交替生長的量子阱層和量子壘層，量子阱層為InGaN層，量子壘層包括第一量子壘層和第二量子壘層，第二量子壘層為有源層中最靠近P型層的一個量子壘層，第一量子壘層為除第二量子壘層以外的量子壘層。第一量子壘層為GaN層，第二量子壘層包括交替生長的第一子層和第二子層，第一子層為GaN層，第二子層為AlGaN層。
可選地，第一子層和第二子層的層數為2-15。
可選地，第二子層中Al、Ga、N的組分含量比為x:（1-x）:1，0.05≤x≤1。
優選地，第一子層和第二子層的層數為4-8。
可選地，第二量子壘層中摻有Mg或不摻雜Mg。
可選地，第一子層和第二子層的厚度均小於或等於30納米。
優選地，第一子層431和第二子層432的厚度均小於或等於5納米。
在該實施例中，量子阱層的層數可以為6，第一量子壘層的層數可以為5。在其它實施例中，量子阱層和第一量子壘層的層數也可以為其它值，《一種發光二極體外延片及其製造方法》對此不作限制。
在該實施例中，當生長第二量子壘層時，生長壓力為200乇，生長氣氛中氮氣為70升，氫氣為0升，氨氣為20升，生長溫度為900℃，生長過程中不摻雜Mg。交替生長的GaN層和AlxGa1-xN層的層數為6，厚度依次為13埃、15埃，x為0.4。
在另一實施例中，當生長第二量子壘層時，生長壓力為200乇，生長氣氛中氮氣為80升，氫氣為0升，氨氣為40升，生長溫度為910℃，生長過程中不摻雜Mg。交替生長的GaN層和AlxGa1-xN層的層數為6，厚度依次為22埃、25埃，x為0.25。
在又一實施例中，當生長第二量子壘層時，生長壓力為100乇，生長氣氛中氮氣為100升，氫氣為0升，氨氣為10升，生長溫度為800℃，生長過程中摻雜Mg800毫升/分鐘。交替生長的GaN層和AlxGa1-xN層的層數為4，厚度依次為10埃、12埃，x為0.3。
在又一實施例中，當生長第二量子壘層時，生長壓力為100乇，生長氣氛中氮氣為110升，氫氣為0升，氨氣為11升，生長溫度為820℃，生長過程中摻雜Mg1000毫升/分鐘。交替生長的GaN層和AlxGa1-xN層的層數為4，厚度依次為6埃、8埃，x為0.45。
檢測結果顯示，上述實施例得到的LED外延片的發光效率，可以提高5％，具有顯著的進步。
需要說明的是，上述實施例中生長第二量子壘層的條件僅為舉例。在實際套用中，在生長第二量子壘層時，生長壓力為150-250乇，生長氣氛中氮氣為50-90升，氨氣為20-60升，生長溫度為850-950℃，生長過程中不摻雜Mg，或者，在生長第二量子壘層時，生長壓力為50-150乇，生長氣氛中氮氣為90-120升，氨氣為5-15升，生長溫度為780-850℃，生長過程中摻雜Mg即可。
步驟204：在有源層上生長P型層。
具體地，P型層的厚度為200納米，P型層中摻有Mg。
《一種發光二極體外延片及其製造方法》實施例通過將有源層中最靠近P型層的量子壘層（即第二量子壘層）改為交替生長的GaN層和AlGaN層，而交替生長的GaN層和AlGaN層為多重雙勢壘結構，該結構具備發生量子遂穿效應的巨觀條件，當入射空穴能量等於兩個勢壘之間的勢阱中空穴的量子化能級時，空穴就會發生遂穿效應，從而大大提高注入到有源層中的空穴濃度，空穴從P型層注入有源層後，一部分空穴與有源層中靠近P型層的3個量子阱層中的電子進行複合發光，還有多餘的空穴離開有源層中靠近P型層的3個量子阱層，傳輸到更遠更多的量子阱層中進行輻射複合發光，從而有源層中進行複合發光的量子阱的個數隨之增加，提高了發光二極體的發光效率。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種發光二極體外延片及其製造方法》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
