CN103117340A - 一种发光二极管的外延结构及制造其增透层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光二极管的外延结构及制造其增透层的方法，其在LED外延结构的基础上，在多量子阱层和p型半导体层之间设置了一层具有逐渐变小的折射率的增透层，且所述增透层的总厚度为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一。所述增透层可以包括依次沉积的至少两层Al_xIn_yGa_1-x-yN层，通过增加各层的铝浓度使所述增透层具有逐渐变小的折射率。所述增透层还可以包括从下至上依次沉积InGaN层、SiN层和AlN层。本发明的增透层结构简单，增大了发光区的出光角度，增强了透射，从而提高了LED出光效率。

Description

一种发光二极管的外延结构及制造其增透层的方法

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延结构及其内增设的增透层的制造方法。

背景技术

发光二极管LED使用寿命长、光电转换效能高、制作过程简单，是一种广泛应用于光电子领域的低成本、低功耗、长寿命的固态光源，其在液晶显示器的背光照明、交通灯、汽车尾灯、一般照明设备和室外单色、全色显示设备上都有着广泛的应用。同时LED灯具有节能、环保等显著特点，并因此在目前强调低碳环保的大背景下显得尤为可贵。

虽然GaN基LED已经进入产业化阶段，但其芯片出光效率低的问题仍未很好地得到解决。这是由于界面之间的反射作用导致LED大部分光都局限在器件内部传播，并因而造成了光的损耗。因此如何采取有效措施使局限在器件内部的光逃逸出来以实现提高LED出光效率的目的，是发展大功率LED需要解决的关键问题。本发明正是基于这个问题提出了一种发光二极管的外延结构及制造其增透层的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种发光二极管的外延结构及制造其增透层的方法，用于解决现有技术中LED出光效率不高的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种发光二极管的外延结构，从下至上依次包括衬底、过渡层、u型半导体层、n型半导体层、多量子阱层和p型半导体层，在所述多量子阱层和所述p型半导体层之间设置有一层具有逐渐变小的折射率的增透层，且所述增透层的总厚度为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述增透层包括依次沉积的至少两层Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中x表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铝的组分，y表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铟的组分，且x的取值范围为0≤x<1，y的取值范围为0≤y<1，且0≤x+y＜1，并通过增加各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的组分得到折射率逐渐变小的增透层。

进一步，所述增透层包括从下至上依次沉积的InGaN层、SiN层和AlN层，沉积完成后即可得到折射率逐渐变小的增透层。

在上述技术方案的基础上，本发明的技术方案还包括两种增透层的制造方法。

一种制造增透层的方法，包括以下步骤：

步骤1：在700~1100℃时，在多量子阱层上依次沉积至少两层的Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中x表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铝的组分，y表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铟的组分，且x的取值范围为0≤x<1，y的取值范围为0≤y<1，且0≤x+y＜1，通过逐渐增加各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的组分，得到折射率逐渐变小的增透层；

步骤2：将步骤1中得到的增透层的总厚度设定为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一。

另外一种制造增透层的方法，包括以下步骤：

步骤A，在700~1100℃时，在多量子阱层上从下至上依次沉积InGaN层、SiN层和AlN层，得到具有渐变折射率的增透层；

步骤B，将步骤A中得到的增透层的总厚度设定为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一。

本发明的有益效果是：在多量子阱层与p型半导体层之间设置增透层，增大了发光区（即多量子阱层）的出光角度，增强了透射，从而提高了LED出光效率。本发明的增透层结构简单，易于制造，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明所述的发光二极管的外延结构的示意图；

图2为本发明实施例一中LED外延结构中增透层的结构示意图；

图3为本发明实施例二中LED外延结构中增透层的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、衬底，2、过渡层，3、u型半导体层，4、n型半导体层，5、多量子阱层，6、增透层，7、p型半导体层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

所述增透层靠近多量子阱端具有较高的折射率，发光区的光能更多地进入增透层，靠近P层具有较低的折射率，光线透过增透层进入P层不易发生全发射，增加了出光光锥的角度；总厚度设计为入射光等效波长的四分之一，能有效的抑制反射，达到增加出光效率的目的。

如图1所示，实施例一提供了一种发光二极管的外延结构，从下至上依次包括衬底1、过渡层2、u型半导体层3、n型半导体层4、多量子阱层5和p型半导体层7，在所述多量子阱层5和所述p型半导体层7之间设置有一层具有渐变折射率的增透层6，且所述增透层6的总厚度为入射光通过增透层6的等效波长的四分之一。

如图2所示，实施例一中的增透层包括依次沉积的至少两层Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中x表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铝的组分，y表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铟的组分，且x的取值范围为0≤x<1，y的取值范围为0≤y<1，并且有0≤x+y＜1。各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的浓度可在取值范围内调整，通过增加各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的组分得到折射率逐渐变小的增透层。

对于实施例一所述的发光二极管的外延结构，其制造方法包括以下步骤：

步骤1：1000~1100℃时，在MOCVD反应炉中将衬底1进行烘烤；

步骤2：在530~550℃时，在衬底1上沉积过渡层2；

步骤3：在1100℃左右，依次在过渡层3上沉积u型半导体层3、n型半导体层4；

步骤4：在750℃左右，在n型半导体层上沉积多量子阱层5；

步骤5：在700~1100℃时，在多量子阱层5上依次沉积至少两层Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中x表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铝的组分，y表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铟的组分，且x的取值范围为0≤x≤1，y的取值范围为0≤y≤1，并且有0≤x+y＜1，通过逐渐增加各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的组分，得到折射率逐渐变小的增透层6；

步骤6：将形成的增透层的总厚度设定为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一；

步骤7：继续在800~1000℃时，在所述增透层6上沉积p型半导体层7；

步骤8：温度冷却到室温后，再将温度升高到500℃左右，将此外延结构片在氮气中退火10min。

实施例二也提供了一种发光二极管的外延结构，其结构也如图1所示。

如图3所示，实施例二与实施例一的主要区别在于：实施例二的增量层从下至上依次沉积的InGaN层、SiN层和AlN层。

制造实施例二中所述的发光二极管的外延结构包括以下步骤：

步骤A：1000~1100℃时，在MOCVD反应炉中将衬底1进行烘烤；

步骤B：在530~550℃时，在衬底1上沉积过渡层2；

步骤C：在1100℃左右，依次沉积U型半导体层3、N型半导体层4；

步骤D：在750℃左右，在N型层上沉积多量子阱层5；

步骤E：在700~1100℃时，在多量子阱层5上从下至上依次沉积InGaN层、SiN层和AlN层，得到具有渐变折射率的增透层；

步骤F：将形成的增透层的总厚度设定为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一;

步骤G：继续在800~1000℃时，在所述增透层6上沉积P型半导体层7；

步骤H：温度冷却到室温后，再将温度升高到500℃左右，将此外延片在氮气中退火10min。

上述两个实施例中除增透层以外的外延结构一样，包括：

所述u型半导体层3为未掺杂的GaN层；

所述n型半导体层4为掺Si的GaN层，且Si的掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10²²/cm³；

所述多量子阱层5包括n个交替生长的量子阱和量子垒，其中1≤n≤100，所述量子阱材料为InGaN，所述量子垒材料为Al_aIn_bGa_1-a-bN，其中0≤a<1，0≤b＜1；

所述p型半导体层6为掺有Be或Mg的AlInGaN层，且Be或Mg的掺杂浓度均为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。

对于上述两个实施例中的增透层，其能提高出光效率的原理是：所述增透层靠近多量子阱层端具有较高的折射率，发光区的光能更多地进入增透层，靠近p型半导体层端具有较低的折射率，光线透过增透层进入p型半导体层不易发生全发射，增加了出光光锥的角度；总厚度设计为入射光等效波长的四分之一，能有效的抑制反射，达到增加出光效率的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种发光二极管的外延结构，从下至上依次包括衬底（1）、过渡层（2）、u型半导体层（3）、n型半导体层（4）、多量子阱层（5）和p型半导体层（7），其特征在于：在所述多量子阱层（5）和所述p型半导体层（7）之间设置有一层具有逐渐变小的折射率的增透层（6），且所述增透层（6）的总厚度为入射光通过该增透层（6）的等效波长的四分之一。

2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述增透层（6）包括依次沉积的至少两层Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中x表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铝的组分，y表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铟的组分，且x的取值范围为0≤x<1，y的取值范围为0≤y<1，且0≤x+y＜1，并通过增加各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的组分得到折射率逐渐变小的增透层。

3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于：所述增透层（6）包括从下至上依次沉积的InGaN层、SiN层和AlN层。

4.一种制造权利要求1或2中的增透层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在700~1100℃时，在多量子阱层上依次沉积至少两层Al_xIn_yGa_1-x-yN层，其中x表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铝的组分，y表示Al_xIn_yGa_1-x-yN中铟的组分，且x的取值范围为0≤x<1，y的取值范围为0≤y<1，且0≤x+y＜1，通过逐渐增加各Al_xIn_yGa_1-x-yN层中铝的组分，得到折射率逐渐变小的增透层；

步骤2：将步骤1中得到的增透层的总厚度设定为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一。

5.一种制造权利要求1或3中的增透层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，在700~1100℃时，在多量子阱层上从下至上依次沉积InGaN层、SiN层和AlN层，得到折射率逐渐变小的增透层；

步骤B，将步骤A中得到的增透层的总厚度设定为入射光通过该增透层的等效波长的四分之一。

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