一种光取出效率高的LED外延结构及其生长方法技术

本发明专利技术提供一种LED外延结构，包括依次层叠的衬底、低温缓冲层、不掺杂GaN层、掺杂Si的n型GaN层、InxGa(1‑x)N/GaN发光层、InN/Mg3N2超晶格内粗化层、p型AlGaN层和掺镁的p型GaN层，InN/Mg3N2超晶格内粗化层包括层叠设置的8‑10个单体，单体包括InN层和Mg3N2层。应用本发明专利技术的技术方案，效果是：将InN/Mg3N2超晶格内粗化层覆盖发光层上，InN/Mg3N2材料具有和GaN晶格失配小的优点，外延层晶体质量好，既能提高光效，又能提升抗静电能力，LED产品质量得到提升；本发明专利技术作为一个整体技术方案，使得LED的光单位时间内取出光子数量增加，光子在LED内衰减次数减少，光取出强度得到相应提升。本发明专利技术还公开一种上述LED外延结构的生长方法，步骤精简，工艺参数容易控制，便于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种光取出效率高的LED外延结构及其生长方法
本专利技术涉及电子
，具体涉及一种光取出效率高的LED外延结构及其生长方法。
技术介绍
目前，LED是一种固体照明，因其具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、环保、坚固耐用等优点而受到广大消费者得认可。大功率器件驱动电压和光效要求是目前市场需求的重点。现有技术中，LED光的取出一般为光子从发光层出发任意角度的向LED内部四周传播，一部分从LED上部、侧部取出，一部分通过蓝宝石衬底的反射再次向四周传播，最终光子完成从发光层到外部的取出过程；侧面GaN、上层SiO2的折射率比空气大，导致光子从GaN、SiO2和空气交界面取出的时候，取出的效率或者取出的光子比例受到最大临界角的限制，当光子传播到交界面时，入射角小于a(a由GaN或SiO2和空气折射系数n决定，a理论值为23.6°)，发光层任意角度发光的光子通过传播，有一部分比例光子入射角小于a值，这一部分光将被完全反射至LED内部，完全反射的光子需要通过下一步的传播改变入射角直到它的入射角大于临界角时才能被取出，综上所述传统的LED内光子的取出效率受到临界角的的限制，被界面完全反射回来的光会进一步在传播中衰减，一定程度减弱了取出光的强度。现有LED外延结构(参照图1)的具体生长过程如下：第一步、在1000-1100℃的的氢气气氛下，通入100L/min-130L/min的H2，保持反应腔压力100-300mbar(气压单位)，处理蓝宝石材质的衬底1.1，处理时间为8-10分钟；第二步、降温至500-600℃下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、50-100sccm的TMGa、100L/min-130L/min的H2、在蓝宝石衬底上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层1.2；升高温度1000-1100℃下，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3、100-130L/min的H2、保持温度稳定持续300-500s将低温缓冲层1.2腐蚀成不规则小岛；第三步、升高温度到1000-1200℃，保持反应腔压力300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、200-400sccm的TMGa和100-130L/min的H2，持续生长厚度为2-4μm的不掺杂GaN层1.3；第四步、生长掺杂Si的n型GaN层1.4，具体是：保持反应腔压力和温度不变，通入流量为30000-60000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2和20-50sccm的SiH4，持续生长厚度为3-4μm的第一n型GaN层1.41，Si的掺杂浓度为5E18-1E19atoms/cm3(备注1E19代表10的19次方也就是10^19，以此类推)；保持反应腔压力和温度不变，通入流量为30000-60000sccm(sccm备注标准毫升每分钟)的NH3、200-400sccm的TMGa、100-130L/min的H2和2-10sccm的SiH4，持续生长厚度为200-400nm的第二n型GaN层1.42，Si的掺杂浓度为5E17-1E18atoms/cm3；第五步、生长InxGa(1-x)N/GaN发光层1.5，所述InxGa(1-x)N/GaN发光层1.5包括重复生长的7-15个单体，所述单体包括依次层叠的InxGa(1-x)N层1.51和GaN层1.52，其中x＝0.20-0.25，具体生长过程是：保持反应腔压力300-400mbar和温度700-750℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-40sccm的TMGa、1500-2000sccm的TMIn和100-130L/min的N2，生长掺杂In的厚度为2.5-3.5nm的InxGa(1-x)N层1.51，其中x＝0.20-0.25，发光波长450-455nm；接着升高温度750-850℃，保持反应腔压力300-400mbar通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa和100-130L/min的N2，生长厚度为8-15nm的GaN层1.52；第六步、保持反应腔压力200-400mbar和温度900-950℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的H2、100-130sccm的TMAl和1000-1300sccm的Cp2Mg，持续生长厚度为50-100nm的P型AlGaN层1.7，Al的掺杂浓度为1E20-3E20atoms/cm3，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20atoms/cm3；第七步、保持反应腔压力400-900mbar和温度950-1000℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、20-100sccm的TMGa、100-130L/min的H2和1000-3000sccm的Cp2Mg，持续生长厚度为50-200nm的掺镁的p型GaN层1.8，Mg的掺杂浓度为1E19-1E20atoms/cm3；第八步、最后降温至650-680℃，保温20-30min，接着关闭加热系统、关闭给气系统，随炉冷却。上述LED外延结构还包括氧化铟锡层1.9、SiO2保护层1.12、P电极1.10和N电极1.11，具体生长方式可以参照现有技术。现有技术中申请号为201610216967.2的专利技术申请还公开一种外延增加LED光取出效率的底部粗化生长方法，结构详见图2，具体生长方式包括处理衬底、生长低温缓冲层GaN、生长不掺杂GaN层、生长掺杂Si的N型GaN层、交替生长掺杂In的InxGa(1-x)N/GaN发光层、生长P型AlGaN层和生长掺杂Mg的P型GaN层，降温冷却，生长不掺杂GaN层后还包括生长InN/SiyGa(1-y)N超晶格底部粗化层，生长InN/SiyGa(1-y)N超晶格底部粗化层后、生长掺杂Si的N型GaN层还包括进一步生长不掺杂GaN层。此种方一定程度上能提高光取出效率，但是存在以下缺陷：(1)因为InN/SiyGa(1-y)N材料和GaN材料存在着较大的晶格失配，带来的影响是GaN材料位错密度高达80根/cm2；(2)因为GaN材料位错密大，晶体质量差，提供了漏电的通道，LED器件的抗静电能力相对比较弱，特别是高电压下抗静电能力急剧减弱。综上所述，急需一种光取出效率高的LED外延结构及其制作方法以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种结构精简以及光取出效率高的LED外延结构，具体技术方案如下：一种光取出效率高的LED外延结构，包括依次层叠的衬底、低温缓冲层、不掺杂GaN层、掺杂Si的n型GaN层、InxGa(1-x)N/GaN发光层、InN/Mg3N2超晶格内粗化层、p型AlGaN层以及掺镁的p型GaN层；所述InN/Mg3N2超晶格内粗化层包括层叠设置的8-10个单体，所述单体包括依次层叠设置的InN层和Mg3N2层，其中：所述InN层和所述Mg3N2层的厚度均为2.0-3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光取出效率高的LED外延结构，其特征在于，包括依次层叠的衬底(1.1)、低温缓冲层(1.2)、不掺杂GaN层(1.3)、掺杂Si的n型GaN层(1.4)、InxGa(1‑x)N/GaN发光层(1.5)、InN/Mg3N2超晶格内粗化层(1.6)、p型AlGaN层(1.7)以及掺镁的p型GaN层(1.8)；所述InN/Mg3N2超晶格内粗化层(1.6)包括层叠设置的8‑10个单体，所述单体包括依次层叠设置的InN层(1.61)和Mg3N2层(1.62)，其中：所述InN层(1.61)和所述Mg3N2层(1.62)的厚度均为2.0‑3.0nm。

【技术特征摘要】
1.一种光取出效率高的LED外延结构，其特征在于，包括依次层叠的衬底(1.1)、低温缓冲层(1.2)、不掺杂GaN层(1.3)、掺杂Si的n型GaN层(1.4)、InxGa(1-x)N/GaN发光层(1.5)、InN/Mg3N2超晶格内粗化层(1.6)、p型AlGaN层(1.7)以及掺镁的p型GaN层(1.8)；所述InN/Mg3N2超晶格内粗化层(1.6)包括层叠设置的8-10个单体，所述单体包括依次层叠设置的InN层(1.61)和Mg3N2层(1.62)，其中：所述InN层(1.61)和所述Mg3N2层(1.62)的厚度均为2.0-3.0nm。2.根据权利要求1所述的光取出效率高的LED外延结构，其特征在于，所述掺杂Si的n型GaN层(1.4)包括依次层叠的第一n型GaN层(1.41)和第二n型GaN层(1.42)，所述第一n型GaN层(1.41)的厚度为3-4μm，Si掺杂浓度5E18-1E19atoms/cm3；所述第二n型GaN层(1.42)的厚度为200-400nm，Si掺杂浓度5E17-1E18atoms/cm3；所述InxGa(1-x)N/GaN发光层(1.5)包括重复生长的7-15个单体，所述单体包括依次层叠的InxGa(1-x)N层(1.51)和GaN层(1.52)，其中x＝0.20-0.25，所述InxGa(1-x)N层(1.51)的厚度为2.5-3.5nm，所述GaN层(1.52)的厚度为8-15nm。3.根据权利要求1-2任意一项所述的光取出效率高的LED外延结构，其特征在于，所述衬底(1.1)的材质为蓝宝石；所述低温缓冲层(1.2)为腐蚀成不规则小岛的结构，其厚度为20-40nm；所述不掺杂GaN层(1.3)的厚度为2-4μm；所述p型AlGaN层(1.7)的厚度为50-100nm；所述掺镁的p型GaN层(1.8)的厚度为50-200nm。4.一种如权利要求1-3任意一项所述光取出效率高的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述InN/Mg3N2超晶格内粗化层(1.6)的生长过程具体是：所述InN/Mg3N2超晶格内粗化层(1.6)包括层叠设置的8-10个单体，所述单体的具体生长过程是：a、保持反应腔压力300-400mbar和温度为750℃-800℃，通入流量为50000-70000sccm的NH3、30-60sccm的TMGa、100-130L/min的N2和100-130sccm的TMIn，生长厚度为2-3nm的InN层(1.61)；b、保持反应腔压力和温度不变，通入流量为50000-70000sccm的NH3、100-130L/min的N2和1000-1300sccm的Cp2Mg，生长厚度为2-3nm的Mg3N2层(1.62)。5.根据权利要求4所述的光取出效率高的LED外延结构的生长方法，其特征在于，所述衬底(1.1)的处理过程是：在1000-1100℃的氢气气氛下，通入100-130L/min的H2，保持反应腔压力为100-300mbar，处理衬底(1.1)，处理时间为8-10分钟；所述低温缓冲层(1.2)的生长和处理过程是：降温至500℃-600℃下，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为10000-20000sccm的NH3、50-100sccm的TMGa和100L/min-130L/min的H2，在衬底(1.1)上生长厚度为20-40nm的低温缓冲层(1.2)；升高温度至1000℃-1100℃，保持反应腔压力为300-600mbar，通入流量为30000-40000sccm的NH3和100-130L/min的H2持续300-500s，将低温缓冲层(1.2)腐蚀成不规则小岛；所述不掺杂GaN层(1.3)的生...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐平，
申请(专利权)人：湘能华磊光电股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43