CN103078020A - Led外延结构 - Google Patents

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林翔
马培培
陈勇
梁秉文
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Abstract

本发明提供了一种LED外延结构，包括：衬底，所述衬底上形成有第一半导体层；多量子阱层，位于所述第一半导体层上；第二半导体层，位于所述多量子阱层上，所述第二半导体层与第一半导体层的导电类型相反，还包括：第三半导体层，位于第二半导体层上，所述第三半导体层的导电类型与第一半导体层的导电类型相同以提高扩展电流分布的均匀性，所述第三半导体层的材质为III-V族化合物。本发明提高了LED外延结构的量子效率。

Description

LED外延结构
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别涉及LED外延结构。
背景技术
自GaN基第三代半导体材料的兴起，蓝光LED研制成功，LED的发光强度和白光发光效率不断提高。LED被认为是下一代进入通用照明领域的新型固态光源，因此得到广泛关注。
现有的LED外延结构请参考图1，图1为现有技术的LED外延结构的剖面结构示意图。现有的LED外延结构包括：蓝宝石衬底10；缓冲层11，位于所述蓝宝石衬底10上；第一半导体层12，位于所述缓冲层11上，所述第一半导体层12的材质为N型GaN；多量子阱层13，位于所述N-GaN层12上；第二半导体层14，所述第二半导体层14的材质为P型GaN；ITO层15，位于所述第二半导体层14上；第一导电电极16，与第一半导体层12电连接；第二导电电极17，与ITO层15电连接。通常，为了将外延结构封装制作形成LED芯片，通常，ITO层15上还会覆盖氧化硅等封装材料层(图中未示出)。
利用现有的LED外延结构制作的LED芯片的量子效率偏低，有待进一步的提高。
发明内容
本发明实施例解决的问题是提供了一种LED外延结构提高了LED外延结构的量子效率。
为了提高现有LED外延结构的量子效率，本发明提供一种LED外延结构，包括：衬底，所述衬底上形成有第一半导体层；多量子阱层，位于所述第一半导体层上；第二半导体层，位于所述多量子阱层上，所述第二半导体层与第一半导体层的导电类型相反，还包括：
第三半导体层，位于第二半导体层上，所述第三半导体层的导电类型与第一半导体层的导电类型相同以提高扩展电流分布的均匀性，所述第三半导体层的材质为III-V族化合物。
可选地，还包括：透明粗化层，位于所述第三半导体层上，所述透明粗化层用于使得光线透出，所述透明粗化层的上表面为粗化处理的表面以使得更多的光线透过，所述透明粗化层的折射率介于所述第三半导体层的折射率与所述上表面面对的介质的折射率之间。
可选地，还包括：封装材料层，位于所述透明粗化层上，所述透明粗化层的折射率介于所述第三半导体层与所述封装材料层的折射率之间。
可选地，所述透明粗化层的折射率范围为1.6～2.1。
可选地，所述透明粗化层的材质为氧化锡铟、氧化锌、氧化铝锌或上述材料中的至少两种构成的复合材料。
可选地，所述透明粗化层包括至少两层：低速沉积层，以较低的沉积速率形成，以提高所述低速沉积层与下方的材料层的结合的强度；高速沉积层，以较高的沉积速率形成，以使得形成的高速沉积层的上表面为粗糙的表面，所述高速沉积层形成于所述低速沉积层的上方，且所述高速沉积层的沉积速率大于所述低速沉积层的沉积速率。
可选地，所述低速沉积层的厚度范围为10～800埃，所述高速沉积层的厚度范围为500～2000埃。
可选地，所述低速沉积层的厚度小于所述高速沉积层的厚度。
可选地，所述低速沉积层的沉积速率为0.5～2埃每秒，所述高速沉积层的沉积速率不小于10埃每秒。
可选地，所述透明粗化层对波长为450～475纳米的光线的吸收率不超过15％。
可选地，所述透明粗化层的材质为氧化锡铟。
可选地，所述第一半导体层的导电类型和第三半导体层的导电类型为N型，所述第二半导体层的导电类型为P型。
可选地，还包括：第一重掺杂半导体层，位于所述第二半导体层与所述第三半导体层之间。
可选地，所述第一重掺杂半导体层的导电类型与所述第二半导体层的导电类型相同。
可选地，所述第一重掺杂半导体层的导电类型为P型，所述第一重掺杂半导体层的掺杂离子的浓度为所述第二半导体层的掺杂离子浓度的100倍以上。
可选地，所述第一重掺杂半导体层的掺杂离子为Mg离子。
可选地，还包括：第二重掺杂半导体层，位于所述第一重掺杂半导体层与第三半导体层之间，所述第二重掺杂半导体层的导电类型与所述第三半导体层的导电类型相同。
可选地，所述第二重掺杂半导体层的导电类型为N型，所述第二重掺杂半导体层的掺杂离子的浓度为所述第三半导体层的掺杂离子的浓度的100倍以上。
可选地，所述第二重掺杂半导体层的掺杂离子为Si离子。
可选地，所述衬底的材质为蓝宝石、氧化锌、碳化硅、硅或上述材料中的至少两种构成的复合材料。
可选地，所述第一半导体层的材质为N型氮化镓，所述第二半导体层的材质为P型氮化镓，所述第三半导体层的材质为N型氮化镓。
可选地，所述第三半导体层的电阻为所述第一半导体层电阻的0.8～1.2倍。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的LED外延结构包括：衬底、位于衬底上的第一半导体层、多量子阱层、第二半导体层、第三半导体层，所述第三半导体层作为LED外延结构的电流扩展层，其导电类型与第一半导体层的导电类型相同，从而使得LED外延结构的扩展电流的分布更加均匀，提高了LED外延结构的内量子效率；
进一步优化地，本发明在所述第三半导体层上设置透明粗化层，所述透明粗化层作为光线的出光层，用于使得光线透过，所述透明粗化层具有粗化的表面，并且透明粗化层的折射率大于其上方的介质的折射率，减小了光线在所述粗化的表面处的全反射，提高了该透明粗化层的出光效率，提高了LED外延结构的外量子效率；
进一步优化地，所述第三半导体层的电阻为第一半导体层的电阻的0.8～1.2倍，从而进一步提高了外延结构的扩展电流分布的均匀性；
进一步优化地，在所述第二半导体层和第三半导体层之间设置第一重掺杂半导体层，所述第一重掺杂半导体层的导电类型与第二半导体层或第三半导体层的导电类型相同从而降低了LED外延结构制作的LED芯片的阈值电压；
进一步优化地，在所述第二半导体层和第三半导体层之间设置导电类型相反的第一重掺杂半导体层和第二重掺杂半导体层，在外延结构中形成隧道结(tunnel junction)，有助于进一步降低LED外延结构制作的LED芯片的阈值电压；
进一步优化地，所述透明粗化层包括以较低的沉积速率形成的低速沉积层与以较高的沉积速率形成的高速沉积层，一方面保证了透明粗化层与下方的材料层的结合的强度；另一方面也保证了透明粗化层的上表面为粗糙的表面。
附图说明
图1是现有的LED外延结构的剖面结构示意图；
图2是本发明一个实施例的LED外延结构的剖面结构示意图。
图3是本发明又一实施例的LED外延结构的剖面结构示意图。
具体实施方式
利用现有的LED外延结构制作的LED芯片的量子效率低，发明人经过研究发现，在现有的LED外延结构中，利用第二半导体层作为电流扩展层获得的扩展电流的均匀性无法满足要求，从而影响了外延结构的内量子效率。为了获得更为均匀的扩展电流，现有技术在第二半导体层上设置ITO层，ITO层既作为电流扩展层也作为光线出光层，但是利用ITO层作为电流扩展层会影响到ITO层作为光线的出光层的出光效率。
为了解决上述问题，本发明提供一种外延结构，包括：
衬底，所述衬底上形成有第一半导体层；多量子阱层，位于所述第一半导体层上；第二半导体层，位于所述多量子阱层上，所述第一半导体层与第二半导体层的导电类型相反，还包括：
第三半导体层，位于第二半导体层上，所述第三半导体层的导电类型与第一半导体层的导电类型相同以提高扩展电流分布的均匀性，所述第三半导体层的材质为III-V族化合物。
为了使得更多的光线能够透出，提高LED外延结构的外量子效率，本发明在第三半导体层上形成透明粗化层，该透明粗化层具有粗化的表面并且该透明粗化层的折射率介于第三介质层的折射率与该透明粗化层的上表面面对的介质层的折射率之间，从而能够减少发生在透明粗化层的上表面和下表面处的全反射，从而能够使得更多的光线透出。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。为了更好地说明本发明的技术方案，请结合图2所示的本发明一个实施例的外延结构的示意图。作为一个实施例，衬底100上形有缓冲层101，所述衬底100的材质为蓝宝石。在其他的实施例中，所述衬底100的材质还可以为碳化硅、氧化锌、碳化硅、硅或者所述衬底100为利用上述多种材料层的至少两种制作的复合衬底结构。所述缓冲层101的材质为GaN。所述缓冲层101的厚度范围为30纳米到3微米。
所述缓冲层101上形成有第一半导体层102。所述第一半导体层102的导电类型为N型。所述第一半导体层102上形成有多量子阱层103和第一电极109。所述第一电极109与所述第一半导体层102电连接，所述第一电极109与所述多量子阱层103之间具有间隙。作为一个实施例，所述多量子阱层103包括InGaN层和GaN层，其厚度范围为100纳米到1微米。作为其他的实施例，所述多量子阱层103的材质还可以包括InAlGaN层和GaN层。
所述多量子阱层103上依次形成有第二半导体层104、第一重掺杂半导体层105、第二重掺杂半导体层106、第三半导体层107、透明粗化层108、第二电极110。所述第二半导体层104的导电类型与第一半导体层102的导电类型相反，本实施例中，所述第二半导体层104的导电类型为P型，其厚度范围为100纳米到300纳米。
作为一个实施例，所述第一重掺杂半导体层105的导电类型与所述第二半导体层104的导电类型相同。本实施例中，所述第一重掺杂半导体层105的导电类型为P型。所述第一重掺杂半导体层105的掺杂离子为Mg离子，其浓度范围为1E18/cm3～9E21/cm3。所述第一重掺杂半导体层105的厚度范围为1～15纳米。所述第一重掺杂半导体层105的掺杂离子的浓度是第二半导体层104的掺杂离子浓度的100倍以上，从而有利于提高外延结构的扩展电流分布的均匀性，降低LED外延结构的阈值电压。
所述第二重掺杂半导体层106的导电类型与第一重掺杂半导体层105的导电类型相反。本实施例中，所述第二重掺杂半导体层106的导电类型为N型，其掺杂离子为Si离子，掺杂离子的浓度范围为1E19/cm3～9E21/cm3。所述第二重掺杂半导体层106的厚度范围为1～15纳米。所述第二重掺杂半导体层106的掺杂离子的浓度为所述第三半导体层107的掺杂离子的浓度的100倍以上，从而一方面可以提高第三半导体层107中的电流分布的均匀性，另一方面，所述第二重掺杂半导体层106与第一重掺杂半导体层105之间能够形成隧道结，从而使得电子更容易通过该隧道结，有利于进一步降低LED外延结构的阈值电压。
所述第三半导体层107位于所述第二重掺杂半导体层106上。所述第三半导体层107与第二电极110电连接。所述第三半导体层107的导电类型与第一半导体层102的导电类型相同。所述第三半导体层107的材质为III-V族化合物，所述III-V族化合物可以为AlGaAs、InGaAs、GaAs或InAs。
本实施例中，所述第三半导体层107的导电类型为N型。所述第三半导体层107的厚度范围为30～3000纳米。所述第三半导体层107用于使得外延结构的扩展电流均匀分布，从而使得透明粗化层108无需像现有的ITO层一样同时具有电流扩展层和光线透过层的两种功能，本领域技术人员可以对透明粗化层108的结构和制作工艺进行进一步改良而无需考虑其对外延结构的扩展电流的均匀性的分布，在满足更多光线透过透明粗化层108的同时也提高了外延结构的内量子效率。
为了获得更好的电流扩展效果，所述第三半导体层107的电阻应与所述第一半导体层102的电阻接近。作为优选的实施例，所述第三半导体层107的电阻为第一半导体层102的电阻的0.8～1.2倍，比如所述第三半导体层107的电阻可以为第一半导体层102的电阻的0.8倍、0.9倍、1.1倍或1.2倍，较为优选地，所述第三半导体层107的电阻等于所述第一半导体层102的电阻。
所述透明粗化层108用于使得光线透出，所述透明粗化层108的上表面(即远离衬底100一侧的表面)为粗化处理的表面以使得更多的光线透过，所述透明粗化层108的折射率介于所述第三半导体层107的折射率与所述上表面面对的介质的折射率之间。所述透明粗化层108的材质为氧化锡铟，其折射率范围为1.6～2.1。所述透明粗化层108的厚度不小于50纳米。在其他的实施例中，所述透明粗化层108的材质还可以为氧化锌或氧化铝锌，或者所述透明粗化层108的材质还可以为氧化锌层、氧化锡铟层和氧化铝锌层中的至少两层堆叠构成的复合材料；或所述透明粗化层108的材质还可以为氧化锌、氧化锡铟、氧化铝锌以一定的比例构成的复合材料。
作为可选的实施例，所述透明粗化层108对波长为450～475内米的光线的吸收率不超过15％，这样减少了多量子阱层103发出的光线在透过所述透明粗化层108时被该透明粗化层108反射吸收比例，提高了LED外延结构的外量子效率。
作为可选的实施例，所述透明粗化层108包括至少两层：低速沉积层(图中未示出)，以较低的沉积速率形成，以提高所述低速沉积层与下方的材料层的结合的强度；高速沉积层(图中未示出)，以较高的沉积速率形成，以使得形成的高速沉积层的上表面为粗糙的表面，所述高速沉积层形成于所述低速沉积层的上方，且所述高速沉积层的沉积速率大于所述低速沉积层的沉积速率。采用本发明实施例的透明粗化层的结构，一方面保证了透明粗化层与下方的材料层的结合的强度；另一方面也保证了透明粗化层的上表面为粗糙的表面。
作为本发明的一个实施例，所述透明粗化层的材质为氧化锡铟，所述低速沉积层的沉积速率为0.5～2埃每秒，形成的低速沉积层与下方的材料层紧密结合，所述高速沉积层的沉积速率不小于10埃每秒，保证透明粗化层的上表面的粗糙程度。
在本发明的一个实施例中，所述低速沉积层的厚度范围为10～800埃，所述高速沉积层的厚度范围为500～2000埃。为了在保证能够较快地形成所述透明粗化层，所述低速沉积层的厚度应小于所述高速沉积层的厚度。
作为一个实施例，所述透明粗化层108上还形成有封装保护层(图中未示出)，位于所述透明粗化层108的上表面上。所述封装保护层108的材质为氧化硅、环氧树脂。本实施例中，所述封装保护层108的材质为氧化硅，其折射率约为1.5。在本发明的其他实施例中，所述封装保护层108的材质还可以为氧化硅层和环氧树脂层堆叠形成的复合材料，或者所述封装保护层108的材质还可以为氧化硅与环氧树脂以一定的比例混合形成的复合材料。
请结合图3所示的本发明的又一实施例的外延结构的示意图，与前一实施例相同的结构采用相同的标号表示。本实施例与前一实施例的区别在于，本实施例中第二半导体层104和第三半导体层107之间只有第一重掺杂半导体层105。作为一个实施例，所述第一重掺杂半导体层105的导电类型为N型。在本发明的其他实施例中，所述第一重掺杂半导体层105的导电类型也可以为P型。
综上，本发明提供的LED外延结构包括：衬底、位于衬底上的第一半导体层、多量子阱层、第二半导体层、第三半导体层，所述第三半导体层作为LED外延结构的电流扩展层，其导电类型与第一半导体层的导电类型相同，从而使得LED外延结构的扩展电流的分布更加均匀，提高了LED外延结构的内量子效率；
进一步优化地，本发明在所述第三半导体层上设置透明粗化层，所述透明粗化层作为光线的出光层，用于使得光线透过，所述透明粗化层具有粗化的表面，并且透明粗化层的折射率大于其上方的介质的折射率，减小了光线在所述粗化的表面处的全反射，提高了该透明粗化层的出光效率，提高了LED外延结构的外量子效率；
进一步优化地，所述第三半导体层的电阻与所述第一半导体层的电阻接近，从而进一步提高了外延结构的扩展电流分布的均匀性，进一步提高了外延结构的电流分布的均匀性，当所述第三半导体层的电阻为第一半导体层的电阻的0.8～1.2倍时，所述外延结构的电流分布更加均匀；
进一步优化地，在所述第二半导体层和第三半导体层之间设置第一重掺杂半导体层，所述第一重掺杂半导体层的导电类型与第二半导体层或第三半导体层的导电类型相同从而降低了LED外延结构制作的LED芯片的阈值电压；
进一步优化地，在所述第二半导体层和第三半导体层之间设置导电类型相反的第一重掺杂半导体层和第二重掺杂半导体层，在外延结构中形成隧道结(tunnel junction)，有助于进一步降低LED外延结构制作的LED芯片的阈值电压；
进一步优化地，所述透明粗化层包括以较低的沉积速率形成的低速沉积层与以较高的沉积速率形成的高速沉积层，一方面保证了透明粗化层与下方的材料层的结合的强度；另一方面也保证了透明粗化层的上表面为粗糙的表面。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (22)

1.一种LED外延结构，包括：衬底，所述衬底上形成有第一半导体层；多量子阱层，位于所述第一半导体层上；第二半导体层，位于所述多量子阱层上，所述第二半导体层与第一半导体层的导电类型相反，其特征在于，还包括：
第三半导体层，位于第二半导体层上，所述第三半导体层的导电类型与第一半导体层的导电类型相同以提高扩展电流分布的均匀性，所述第三半导体层的材质为III-V族化合物。
2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，还包括：透明粗化层，位于所述第三半导体层上，所述透明粗化层用于使得光线透出，所述透明粗化层的上表面为粗化处理的表面以使得更多的光线透过，所述透明粗化层的折射率介于所述第三半导体层的折射率与所述上表面面对的介质的折射率之间。
3.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，还包括：封装材料层，位于所述透明粗化层上，所述透明粗化层的折射率介于所述第三半导体层与所述封装材料层的折射率之间。
4.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述透明粗化层的折射率范围为1.6～2.1。
5.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述透明粗化层的材质为氧化锡铟、氧化锌、氧化铝锌或上述材料中的至少两种构成的复合材料。
6.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述透明粗化层包括至少两层：低速沉积层，以较低的沉积速率形成，以提高所述低速沉积层与下方的材料层的结合的强度；高速沉积层，以较高的沉积速率形成，以使得形成的高速沉积层的上表面为粗糙的表面，所述高速沉积层形成于所述低速沉积层的上方，且所述高速沉积层的沉积速率大于所述低速沉积层的沉积速率。
7.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述低速沉积层的厚度范围为10～800埃，所述高速沉积层的厚度范围为500～2000埃。
8.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述低速沉积层的厚度小于所述高速沉积层的厚度。
9.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述低速沉积层的沉积速率为0.5～2埃每秒，所述高速沉积层的沉积速率不小于10埃每秒。
10.如权利要求2或6所述的LED外延结构，其特征在于，所述透明粗化层对波长为450～475纳米的光线的吸收率不超过15％。
11.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述透明粗化层的材质为氧化锡铟。
12.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一半导体层的导电类型和第三半导体层的导电类型为N型，所述第二半导体层的导电类型为P型。
13.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，还包括：第一重掺杂半导体层，位于所述第二半导体层与所述第三半导体层之间。
14.如权利要求13所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一重掺杂半导体层的导电类型与所述第二半导体层的导电类型相同。
15.如权利要求13所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一重掺杂半导体层的导电类型为P型，所述第一重掺杂半导体层的掺杂离子的浓度为所述第二半导体层的掺杂离子浓度的100倍以上。
16.如权利要求13～15中任一权利要求所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一重掺杂半导体层的掺杂离子为Mg离子。
17.如权利要求13所述的LED外延结构，其特征在于，还包括：第二重掺杂半导体层，位于所述第一重掺杂半导体层与第三半导体层之间，所述第二重掺杂半导体层的导电类型与所述第三半导体层的导电类型相同。
18.如权利要求17所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二重掺杂半导体层的导电类型为N型，所述第二重掺杂半导体层的掺杂离子的浓度为所述第三半导体层的掺杂离子的浓度的100倍以上。
19.如权利要求17所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二重掺杂半导体层的掺杂离子为Si离子。
20.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述衬底的材质为蓝宝石、氧化锌、碳化硅、硅或上述材料中的至少两种构成的复合材料。
21.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一半导体层的材质为N型氮化镓，所述第二半导体层的材质为P型氮化镓，所述第三半导体层的材质为N型氮化镓。
22.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第三半导体层的电阻为所述第一半导体层电阻的0.8～1.2倍。
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