一种大功率LED及其制备方法与流程

一种大功率led及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体照明领域，具体为一种大功率led及其制备方法。


背景技术：

2.iii族氮化物gan在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。gan是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造高效的半导体器件，如led器件的理想材料。目前，gan基led的发光效率现在已经达到28％并且还在进一步的增长，该数值远远高于目前通常使用的白炽灯(约为2％)或荧光灯(约为10％)等照明方式的发光效率。
3.led要真正实现大规模广泛应用，需要进一步提高led芯片的发光效率，同时降低led芯片的价格。虽然led的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但是商业化led发光效率还是低于钠灯(150lm/w)，单位流明/瓦的价格偏高。但是在目前，iii族氮化物材料的高缺陷密度、强的自发和压电极化导致严重的非辐射复合，以及led量子阱与电子阻挡层的设计不够完善，这些因素导致了电子泄漏、空穴注入效率低、载流子分布不均等现象，所以led的发光效率和外量子效率还有进一步提升的空间。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：为了解决上述背景技术提出的问题，提供一种大功率led及其制备方法。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大功率led，包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的一侧设置有aln缓冲层，碳化硅衬底和aln缓冲层用于降低碳化硅衬底与ingan材料之间的晶格失配度；所述aln缓冲层的一侧设置有ingan缓冲层，用于为生长ingan材料提供模板；所述ingan缓冲层的一侧设置有非掺杂ingan层、n型掺杂ingan层、ingan/gan多量子阱层、in组分渐变锯齿型电子阻挡层和p型掺杂gan薄膜；所述n型掺杂ingan层、ingan/gan多量子阱层和p型掺杂gan薄膜构成了发光层。
6.一种大功率led的制备方法，包括以下步骤：s1:在所述碳化硅衬底上上生长aln缓冲层；s2：在所述aln缓冲层上生长ingan缓冲层；s3：在所述ingan缓冲层上生长非掺杂ingan层；s4：在所述非掺杂ingan层上外延生长n型掺杂ingan层；s5:在所述n型掺杂ingan层上外延生长ingan/gan多量子阱层；s6：在所述ingan/gan多量子阱层上外延生长in组分渐变锯齿型电子阻挡层；s7：在所述in组分渐变锯齿型电子阻挡层上外延生长p型掺杂gan薄膜。
7.优选地，在上述s1中采用物理气相沉积法生长aln缓冲层，生长温度为400～500℃，所述aln缓冲层的厚度为5～50nm。
8.优选地，在上述s2中采用金属有机化学气相沉积法在所述aln缓冲层上生长ingan缓冲层，反应室压力为50～300torr，生长温度为1000～1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
9.优选地，在上述s3中采用金属有机化学气相沉积法在所述ingan缓冲层上生长非掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，生长温度为1000～1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
10.优选地，在上述s4中采用金属有机化学气相沉积法在所述非掺杂ingan层上生长n型掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，生长温度为1000～1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h；所述n型掺杂ingan层掺杂有si，si掺杂浓度为1
×
1017～1
×
1020cm-3。
11.优选地，在上述s5中采用金属有机化学气相沉积法在所述n型掺杂ingan层上生长7～10个周期的ingan阱层/gan垒层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，生长温度为1000～1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
12.优选的，在上述s6中采用金属有机化学气相沉积法在所述ingan/gan多量子阱层上生长ingan电子阻挡层，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，生长温度为1000～1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
13.优选的，在上述s7中用金属有机化学气相沉积法在所述电子阻挡层上生长p型掺杂gan薄膜，工艺条件为：反应室压力为50～300torr，生长温度为1000～1060℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000～5000，生长速率为2～4μm/h。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
15.本发明采用碳化硅作为led的衬底制备gan基蓝光led，并采用in组分渐变锯齿型电子阻挡层，采用锯齿结构电子阻挡层的led的电子和空穴浓度高于常规单一组分电子阻挡层的led，并且载流子浓度分布比较均匀；本发明的采用in组分渐变锯齿型电子阻挡层结构的gan基led外延片，能够有效减少电子的泄露，增加空穴的注入，因此提升载流子的复合率，改善led的光学性能，本发明采用in组分渐变锯齿型电子阻挡层结构的gan基led，很大程度上降低了电子阻挡层/p-gan和电子阻挡层/多量子阱垒层间界面处的极化电场强度，有效抑制界面的能带弯曲，从而降低了电子和空穴在界面处的累计，同时电子有效势垒高度提高，减少电子泄漏，增加了电子和空穴在有源区的辐射复合；本发明的制备工艺简单，具有可重复性，可实现大规模的生产应用。
附图说明
16.图1为本发明制备出的led封装结构示意图；
17.图2为本发明制备出的led外延片的el图谱。
18.图中：其电致发光峰为455.6nm，半峰宽为22.2nm，达到目前照明要求水平，显示出了本发明制备的大功率led器件优异的电学性能。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
21.请参阅图1-2，一种大功率led，包括碳化硅衬底10，发明碳化硅衬底10的一侧设置有aln缓冲层11，碳化硅衬底10和aln缓冲层11用于降低碳化硅衬底与ingan材料之间的晶格失配度；发明aln缓冲层11的一侧设置有ingan缓冲层12，用于为生长ingan材料提供模板；发明ingan缓冲层12的一侧设置有非掺杂ingan层13、n型掺杂ingan层14、ingan/gan多量子阱层15、in组分渐变锯齿型电子阻挡层16和p型掺杂gan薄膜17；发明n型掺杂ingan层14、ingan/gan多量子阱层15和p型掺杂gan薄膜17构成了发光层。
22.一种大功率led的制备方法，包括以下步骤：s1:在发明碳化硅衬底上上生长aln缓冲层；s2：在发明aln缓冲层上生长ingan缓冲层；s3：在发明ingan缓冲层上生长非掺杂ingan层；s4：在发明非掺杂ingan层上外延生长n型掺杂ingan层；s5:在发明n型掺杂ingan层上外延生长ingan/gan多量子阱层；s6：在发明ingan/gan多量子阱层上外延生长in组分渐变锯齿型电子阻挡层；s7：在发明in组分渐变锯齿型电子阻挡层上外延生长p型掺杂gan薄膜。
23.实施例1
24.在上述s1中采用物理气相沉积法生长aln缓冲层，生长温度为400℃，发明aln缓冲层的厚度为5nm。
25.在上述s2中采用金属有机化学气相沉积法在发明aln缓冲层上生长ingan缓冲层，反应室压力为50torr，生长温度为1000℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000，生长速率为2μm/h。
26.在上述s3中采用金属有机化学气相沉积法在发明ingan缓冲层上生长非掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为50torr，生长温度为1000℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000，生长速率为2μm/h。
27.在上述s4中采用金属有机化学气相沉积法在发明非掺杂ingan层上生长n型掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为50torr，生长温度为1000℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000，生长速率为2μm/h；发明n型掺杂ingan层掺杂有si，si掺杂浓度为1
×
1017～1
×
1020cm-3。
28.在上述s5中采用金属有机化学气相沉积法在发明n型掺杂ingan层上生长7个周期的ingan阱层/gan垒层，工艺条件为：反应室压力为50torr，生长温度为1000℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000，生长速率为2μm/h。
29.在上述s6中采用金属有机化学气相沉积法在发明ingan/gan多量子阱层上生长ingan电子阻挡层，工艺条件为：反应室压力为50torr，生长温度为1000℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000，生长速率为2μm/h。
30.在上述s7中用金属有机化学气相沉积法在发明电子阻挡层上生长p型掺杂gan薄膜，工艺条件为：反应室压力为50torr，生长温度为1000℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为3000，生长速率为2μm/h。
31.实施例2
32.在上述s1中采用物理气相沉积法生长aln缓冲层，生长温度为450℃，发明aln缓冲层的厚度为27nm。
33.在上述s2中采用金属有机化学气相沉积法在发明aln缓冲层上生长ingan缓冲层，反应室压力为175torr，生长温度为1130℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为4000，生长速率为3μm/h。
34.在上述s3中采用金属有机化学气相沉积法在发明ingan缓冲层上生长非掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为175torr，生长温度为1130℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为4000，生
长速率为3μm/h。
35.在上述s4中采用金属有机化学气相沉积法在发明非掺杂ingan层上生长n型掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为175torr，生长温度为1130℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为4000，生长速率为3μm/h；发明n型掺杂ingan层掺杂有si，si掺杂浓度为1
×
1017～1
×
1020cm-3。
36.在上述s5中采用金属有机化学气相沉积法在发明n型掺杂ingan层上生长8个周期的ingan阱层/gan垒层，工艺条件为：反应室压力为175torr，生长温度为1130℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为4000，生长速率为3μm/h。
37.在上述s6中采用金属有机化学气相沉积法在发明ingan/gan多量子阱层上生长ingan电子阻挡层，工艺条件为：反应室压力为175torr，生长温度为1130℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为4000，生长速率为3μm/h。
38.在上述s7中用金属有机化学气相沉积法在发明电子阻挡层上生长p型掺杂gan薄膜，工艺条件为：反应室压力为175torr，生长温度为1130℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为4000，生长速率为3μm/h。
39.实施例3
40.在上述s1中采用物理气相沉积法生长aln缓冲层，生长温度为500℃，发明aln缓冲层的厚度为50nm。
41.在上述s2中采用金属有机化学气相沉积法在发明aln缓冲层上生长ingan缓冲层，反应室压力为300torr，生长温度为1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为5000，生长速率为4μm/h。
42.在上述s3中采用金属有机化学气相沉积法在发明ingan缓冲层上生长非掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为300torr，生长温度为1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为5000，生长速率为4μm/h。
43.在上述s4中采用金属有机化学气相沉积法在发明非掺杂ingan层上生长n型掺杂ingan层，工艺条件为：反应室压力为300torr，生长温度为1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为5000，生长速率为4μm/h；发明n型掺杂ingan层掺杂有si，si掺杂浓度为1
×
1017～1
×
1020cm-3。
44.在上述s5中采用金属有机化学气相沉积法在发明n型掺杂ingan层上生长10个周期的ingan阱层/gan垒层，工艺条件为：反应室压力为300torr，生长温度为1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为5000，生长速率为4μm/h。
45.在上述s6中采用金属有机化学气相沉积法在发明ingan/gan多量子阱层上生长ingan电子阻挡层，工艺条件为：反应室压力为300torr，生长温度为1260℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为5000，生长速率为4μm/h。
46.在上述s7中用金属有机化学气相沉积法在发明电子阻挡层上生长p型掺杂gan薄膜，工艺条件为：反应室压力为300torr，生长温度为1060℃，束流比
ⅴ
/ⅲ为5000，生长速率为4μm/h。
47.通过设置的碳化硅衬底10；aln缓冲层11，用于降低碳化硅衬底与ingan材料之间的晶格失配度；ingan缓冲层12，用于为生长高质量ingan材料提供模板；非掺杂ingan层13，由于ingan缓冲层的缺陷密度较高，因此在生长有源层(也就是n型、多量子阱层、p型层)之前，生长一层非掺杂ingan层；n型掺杂ingan层14；ingan/gan多量子阱层15；in组分渐变锯齿型电子阻挡层16；p型掺杂gan薄膜17。
48.n型掺杂ingan、ingan/gan多量子阱层、p型掺杂gan构成了发光层；为了避免注入
的电子无法高效在有源区进行辐射复合，因此在p型gan和量子垒之间插入电子阻挡层。
49.本发明采用in组分渐变锯齿型电子阻挡层结构的gan基led，很大程度上降低了电子阻挡层/p-gan和电子阻挡层/多量子阱垒层间界面处的极化电场强度，有效抑制界面的能带弯曲，从而降低了电子和空穴在界面处的累计，同时电子有效势垒高度提高，减少电子泄漏，增加了电子和空穴在有源区的辐射复合；本发明的制备工艺简单，具有可重复性，可实现大规模的生产应。
50.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。