一种高光效LED外延片及其制备方法、LED芯片

技术领域

本发明属于LED制备工艺技术领域，具体涉及一种高光效LED外延片及其制备方法、LED芯片。

背景技术

目前，LED发光效率已经达到相当高的水平。在所有需要单色光的应用中，LED的性能已优于经过过滤的白炽灯。由于较高的发光效率和可调的禁带宽度（0.7～3.4 eV），InGaN 基 LED 在固态照明领域已吸引了研究人员们的大量关注。

在InGaN/GaN异质结构中，还存在极化的另一种类型，即压电极化，由于自发极化强度较弱，压电极化在InGaN/GaN LED 中起着更为重要作用，此压电场是由晶格失配（InN与GaN之间失配约为11%）导致异质界面产生极大应力而造成阳离子子晶格和阴离子子晶格移动引起的。对于传统InGaN/GaN量子阱LED来说，当有源区的失配应力导致压电极强度过高时，会对发光二极管造成诸多不良影响。强极化电场带来的主要问题有：第一，从某种程度上来说，InGaN量子阱有源区的巨大压电场会导致能带弯曲，造成有效禁带宽度变窄，发射波长红移；第二，InGaN 量子阱有源区的巨大压电场会造成多量子阱层的极化效应，导致平台量子阱中的电子和空穴产生空间分离，电子和空穴波函数重叠减少，振子强度减弱，辐射复合效率降低，从而致使 LED 内量子效率下降，降低发光二极管的发光效率，因此，需要一种新的技术方案加以改善。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本发明提供了一种高光效LED外延片及其制备方法、LED芯片，从而有效释放有源区的失配应力，防止能带弯曲并降低多量子阱层的极化效应，提升发光二极管的发光效率。

本发明通过以下技术方案实施：一种高光效LED外延片，包括衬底及依次沉积在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，所述应力释放层包括依次沉积在所述n型GaN层上的Cr

进一步的，所述Cr

进一步的，所述Cr

进一步的，所述Cr

进一步的，所述衬底为蓝宝石衬底、SiO

所述缓冲层为AlN层或GaN层；

所述多量子阱层包括周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层；

所述电子阻挡层为AlInGaN层。

本发明还提供了一种高光效LED外延片的制备方法，用于制备上述的高光效LED外延片，所述高光效LED外延片的制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层及、n型GaN层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；

其中，所述应力释放层包括依次沉积在所述n型GaN层上的Cr

进一步的，所述Cr

进一步的，所述应力释放层的生长压力为50torr～300torr。

进一步的，所述应力释放层的生长气氛为N

本发明还提供了一种LED芯片，包括上述的高光效LED外延片。

本发明的有益效果是：通过在n型GaN层上沉积形成的应力释放层，以应力释放层中的Cr

附图说明

图1为本发明实施例中高光效LED外延片的结构示意图。

图2为本发明实施例中高光效LED外延片的制备流程图；

附图说明：100-衬底、200-缓冲层、300-非掺杂GaN层、400-n型GaN层、500-应力释放层、510-Cr

具体实施方式

下面针对说明书附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

需要说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高光效LED外延片，包括衬底100及依次沉积在所述衬底100上的缓冲层200、非掺杂GaN层300、n型GaN层400、应力释放层500、多量子阱层600、电子阻挡层700和P型GaN层800，其中，所述应力释放层500包括依次沉积在所述n型GaN层400上的Cr

本实施例还提供了一种高光效LED外延片的制备方法，用于制备上述的高光效LED外延片，包括以下步骤：

S1：提供一衬底，衬底选用蓝宝石衬底，以此制成图形化衬底，由于蓝宝石是目前最常用的GaN基LED衬底材料，蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，且高温下有很好的稳定性，以此作为后续工艺提供良好的作业条件；

S2：将衬底送入PVD设备中，在应用材料PVD中沉积AlN缓冲层，其厚度为15 nm，采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了GaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长；

S3：采用中微A7 MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition金属有机气相沉积，简称MOCVD)设备，高纯H

将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H

S4：在缓冲层上沉积非掺杂GaN层，其中非掺杂的GaN层生长温度为1100℃，压力150torr，厚度为2.5um；通过设置沉积生长条件，令非掺杂GaN层生长温度较高、压力较低，以此制备得到GaN的晶体质量较优，同时厚度随着GaN厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低，在沉积过程中随着厚度增加，相当于同质外延，其晶格失配大幅下降，因此可令压应力得到有效释放；

但提高GaN层厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了LED的外延成本，因此，目前LED外延片通常非掺杂GaN生长2~3um，不仅节约生产成本，而且可确保GaN材料又具有较高的晶体质量；

S5：在非掺杂GaN层上沉积Si掺杂n型GaN层，其中n型GaN层生长温度为1120℃，压力100torr，厚度为2.5um，n型GaN层中的Si掺杂浓度为2.5E19atoms/cm

S6：在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

同时，CrN的晶格常数a=0.4150 nm，AlN晶格常数a=0.311 nm，GaN晶格常数a=0.389 nm，而Cr

根据Vegard定律：Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

1.借助Cr

2.交替堆叠Cr

S7：在应力释放层上沉积多量子阱层，多量子阱层由交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层形成，其堆叠周期数为10个，其中InGaN量子阱生长温度为795℃，厚度为3.5nm，压力200torr，In组分为0.22，AlGaN量子垒层生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05，多量子阱为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高 LED 器件发光效率；

S8：在多量子阱层上沉积电子阻挡层AlInGaN，其厚度为15 nm，其中Al组分按照外延层的生长方向由0.01渐变至0.05，In组分浓度为0.01，生长温度965℃，生长压力200torr，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率；

S9：在电子阻挡层上沉积Mg掺杂P型GaN层，其中P型GaN层的生长温度985℃，厚度15nm，生长压力200 torr，Mg掺杂浓度2E+20 atoms/cm

同时，对于含V 形坑的LED结构来说，P型GaN层较高的生长温度也有利于合并V形坑，以此得到表面光滑的LED外延片，并可确保LED外延片具有较好的轴向光高光效性质。

本实施例还包括一种LED芯片，所述LED芯片由本实施例中的LED外延片制成，以此获得高光效的LED芯片产品。

实施例2

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例3

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例4

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例5

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例6

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例7

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例8

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

实施例9

本实施例提供不同生长条件及参数的设置，具体包括以下步骤：

在n型GaN层上沉积形成Cr

在本实施例中，Cr

通过本实施例的生长条件，制成Cr

对比例1

通过目前常规量产技术制备得到LED外延片结构（无应力释放层结构），以此制成的LED芯片作为A样品，其光效性质与现阶段产品性能持平（光效提升0%）。

将实施例1中LED外延片制备得到的LED芯片作为B样品，将对比例1的A样品与实施例1的B样品使用相同芯片工艺条件制备成10 mil*24 mil芯片，两个样品分别抽取300颗LED芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，得出B样品光电效率提升5%，同时，其他项电学性能良好，因此，实施例1所提供的制备方法可有效提高发光二极管的发光效率。

将实施例1～实施例9提供制备方法得到的LED外延片制成LED芯片样品，通过电流测试光电效率，得出光效提升率如下表所示：

通过表中光效提升率可知，相对于现有技术（对比例1），实施例1～实施例9的LED芯片样品具有明显的光效提升优势，随Cr

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非针对本发明作出形式上的限制，应当理解，在权利要求书所限定的特征范围下，实施例还可作出其它等同形式的修改、变动，这些都应涵盖于本发明的保护范围之内。