CN109860361A - 一种led外延结构及其制备方法、led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，LED外延结构包括依次叠加在一衬底上的第一子外延结构、N型掺杂结构和第二子外延结构，N型掺杂结构包括依次叠加的第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，电子流扩散层掺杂有N型离子，第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于电子流扩散层的N型离子浓度，以提高电子流扩散层内部的电子迁移率，增加了N型掺杂结构中电子迁移的有效面积，从而提高空穴和电子的复合率，进而提高LED发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别涉及一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体固态发光器件，其利用半导体P-N结作为发光材料，可以直接将电能转换为光能。在各种半导体材料中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有散热好，能够承载大电流，发光强度高，耗电量小，寿命长等优点，使得发光二极管特别是高亮度的蓝光发光二极管和白光二极管在通用照明、景观照明、显示器背光照明、汽车照明中被广泛应用。
如图1所示，以蓝光LED为例，蓝光LED外延结构依次包括蓝宝石衬底10、成核层20、非掺杂GaN层30、N型GaN层40、应力调节层50、多量子阱层60、电子阻挡层70和P型GaN层80。而在LED中空穴迁移速率(约10cm2/Vs)远远低于电子迁移速率(约300cm2/Vs)，于是，在LED中容易出现多量子阱层60靠近N型GaN层40一侧，以及多量子阱层60靠近P型GaN层80一侧的多数载流子不平衡的问题，使得空穴和电子的复合率偏低，从而严重限制了LED发光效率的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，以提高空穴和电子的复合率，从而提高LED发光效率。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种LED外延结构，包括依次叠加在所述衬底上的第一子外延结构、N型掺杂结构和第二子外延结构，所述N型掺杂结构包括依次叠加的第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，所述电子流扩散层掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度。
可选的，所述电子流扩散层为包括至少一个周期的周期性交叠结构；当所述电子流扩散层包括一个周期的周期性交叠结构时，该周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中的至少一层；当所述电子流扩散层包括多个周期的周期性交叠结构时，每个周期包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中的至少一层。
进一步的，所述第一N型掺杂层的离子浓度的范围在5e18cm-3～1e19cm-3之间，所述第二N型掺杂层的离子浓度的范围在1e18cm-3～2e18cm-3之间，所述电子流扩散层的N型离子浓度的范围在0～1e18cm-3之间。
可选的，所述第一N型掺杂层的厚度的范围在1μm～3μm之间，所述电子流扩散层的厚度的范围在10nm～200nm之间，所述第二N型掺杂层的厚度的范围在10nm～80nm之间。进一步的，所述电子流扩散层掺杂有Si离子。可选的，所述第二子外延结构包括依次形成于所述N型掺杂结构上的应力调节层、多量子阱结构层、电子阻挡层和P型掺杂层，其中，所述应力调节层包括M个周期性交叠的InyAlxGa1-x-yN层和AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x≤1；0≤y≤1；x+y≤1；M≥1，且为整数。
另一方面，本发明还提供了一种LED芯片，包括：
衬底；以及
如上述所述的LED外延结构。
再一方面，本发明还提供了一种LED外延结构的制备方法，用于制备上述的LED外延结构，所述LED外延结构的制备方法包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底上形成有第一子外延结构；
在所述第一子外延结构上依次形成第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，以形成N型掺杂结构，所述电子流扩散层掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度；以及
在所述第二N型掺杂层上形成第二子外延结构。
可选的，所述第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层通过金属有机化学气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法形成。
进一步的，所述第一N型掺杂层的生长温度的范围在500℃～1000℃之间，所述第一N型掺杂层的压力环境的范围在50torr～600torr之间；所述电子流扩散层的生长温度的范围在500℃～1000℃之间，所述电子流扩散层的压力环境的范围在50torr～600torr之间；所述第二N型掺杂层的生长温度的范围在500℃～1000℃之间，所述第二N型掺杂层的压力环境的范围在50torr～600torr之间。
与现有技术相比，本发明提供的一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，通过在第一子外延结构第二子外延结构之间形成N型掺杂结构，所述N型掺杂结构包括第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，所述电子流扩散层掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度，以提高电子流扩散层内部的电子迁移率，增加了N型掺杂结构中电子迁移的有效面积，从而提高空穴和电子的复合率，进而提高LED发光效率。
附图说明
图1为一种外延结构的剖面结构示意图；
图2为本发明一实施例的LED外延结构的剖面结构示意图；
图3为本发明一实施例的LED外延结构的制备方法的流程示意图；
图4a为本发明一实施例所提供的衬底的剖面结构示意图；
图4b为本发明一实施例的形成第二N型掺杂层后的剖面结构示意图。
附图标记说明：
图1中：
10-衬底；20-成核层；30-非掺杂GaN层；40-N型GaN层；50-应力调节层；
60-多量子阱层；70-电子阻挡层；80-P型GaN层；
图2-4b中：
100-衬底；
200-第一子外延结构；210-成核层；220-非掺杂层；
300-N型掺杂结构；310-第一N型掺杂层；320-电子流扩散层；321-GaN层；322-AlGaN层；330-第二N型掺杂层；
400-第二子外延结构；410-应力调节层；420-多量子阱结构层；430-电子阻挡层；440-P型掺杂层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
图2为本实施例的LED外延结构的剖面结构示意图。如图2所示，本实施例提供了一种LED外延结构。所述LED外延结构包括第一子外延结构200，所述第一子外延结构200位于一衬底100上。所述第一子外延结构200包括依次形成于所述衬底100上的成核层210和非掺杂层220，所述成核层210的材料包括GaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或几种组合，所述非掺杂层220的材料包括GaN、AlGaN或AlInGaN中的一种或几种组合。
所述LED外延结构还包括N型掺杂结构300，所述N型掺杂结构300位于所述第一子外延结构200上。所述N型掺杂结构300包括依次叠加的第一N型掺杂层310、电子流扩散层320和第二N型掺杂层330。所述第一N型掺杂层310例如是掺杂有Si离子的GaN、AlGaN和AlInGaN中的一种或几种组合，当然，所述第一N型掺杂层310还可以掺杂其他种类的N型离子，例如磷(P)离子、砷(As)离子和锑(Sb)离子中的一种或几种组合，本发明对此不作限定。所述第一N型掺杂层310中掺杂的Si离子的离子浓度的范围例如是包括5e18cm-3～1e19cm-3，所述第一N型掺杂层的厚度的范围例如是包括1μm～3μm，所述第一N型掺杂层310位于所述第一子外延结构200上。
所述电子流扩散层320例如未掺杂或低掺杂有N型离子(例如是Si离子)，也就是说，所述电子流扩散层320所掺杂的N型离子浓度的范围例如是包括0～1e18cm-3，所述电子流扩散层320的厚度的范围例如是包括10nm～200nm。所述电子流扩散层320例如是包括至少一个周期的周期性交叠结构，当所述电子流扩散层320包括一个周期的周期性交叠结构时，该周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中至少一层，优选的，该周期性交叠结构中包括AlInGaN层；当所述电子流扩散层320包括多个周期的周期性交叠结构时，每个周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中至少一层，优选的，每层包括AlInGaN层以减少由于衬底100与N型掺杂结构300之间的晶格常数差导致的晶格失配度，增强所述第二子外延结构400的晶体性能。
所述第二N型掺杂层330例如是掺杂有Si离子的GaN、AlGaN和AlInGaN中的一种或几种组合，当然，所述第二N型掺杂层330还可以掺杂其他种类的N型离子，例如磷(P)离子、砷(As)离子和锑(Sb)离子中的一种或几种组合，本发明对此不作限定。所述第二N型掺杂层330中掺杂的Si离子的离子浓度的范围例如是包括1e18cm-3～2e18cm-3，所述第二N型掺杂层330的厚度的范围例如是包括10nm～80nm。所述第一N型掺杂层310、电子流扩散层320和第二N型掺杂层330中各层N型离子浓度的变化为高-低-高，由于所述电子流扩散层320中的N型离子浓度较低，提高了提高电子流扩散层内部的电子迁移率，增加了N型掺杂结构中电子迁移的有效面积，从而提高空穴和电子的复合率，进而提高了LED发光效率。
所述LED外延结构还包括第二子外延结构400，所述第二子外延结构400位于所述N型掺杂结构300上。所述第二子外延结构400包括依次形成于所述N型掺杂结构300上的应力调节层410、多量子阱结构层420、电子阻挡层430和P型掺杂层440。所述应力调节层410包括M个周期层叠的第一势阱层和第一势垒层(图中未示出)，M≥1，且为整数。所述第一势阱层为InyAlxGa1-x-yN，第一势垒层为AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1，以通过第一势阱层中含In的组分和/或第一势垒层中含Al的组分变化来缓解多量子阱结构层420、电子阻挡层430和P型掺杂层440形成时所产生的应力。所述多量子阱结构层420包括周期层叠的第二势阱层和第二势垒层(图中未示出)，所述多量子阱结构层420可以由1～40组周期性的第二势阱层和第二势垒层组成，所述第二势阱层和所述第二势垒层均为InbAlaGa1-a-bN，其中，0≤a≤1；0≤b≤1；a+b≤1。所述第二势垒层的厚度大于所述第二势阱层的厚度，例如所述第二势垒层的厚度范围包括4nm～7nm，所述第二势阱层的厚度范围包括2nm～4nm。所述电子阻挡层430例如是P型电子阻挡层，用于阻挡量子阱内的电子进入所述P型掺杂层440，以增大电子在量子阱区与空穴的复合效率，即可以提高量子阱的内量子效率。所述电子阻挡层430为P型AlGaN、P型InAlGaN和P型AlGaN/GaN中的至少一种，所述电子阻挡层430可以为超晶格结构，所述电子阻挡层430的厚度为10nm～70nm，Mg掺杂浓度为1e17cm-3～1.5e20cm-3。所述P型掺杂层440例如是掺杂有P型离子(例如是Mg离子)GaN、AlGaN和AlInGaN中的一种或几种组合，所述P型掺杂层440的厚度为10nm～100nm，所述P型掺杂层440的Mg掺杂浓度为1e17cm-3～1.5e21cm-3。
如图2所示，本实施例还提供了一种LED芯片，包括衬底和上述LED外延结构。所述LED外延结构包括衬底100，所述衬底例如是蓝宝石衬底、GaN衬底、AlN衬底、AlGaN衬底、Si衬底或SiC衬底中的一种衬底或几种衬底的复合衬底。与现有技术相比，所述衬底100无需采用图像衬底(PSS)技术的处理，即，所述衬底100无需图形化处理，其降低了LED外延结构的生产成本。
图3为本实施例的LED外延结构的制备方法的流程示意图。如图3所示，本实施例还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底，所述衬底上形成有第一子外延结构；
步骤S2：在所述第一子外延结构上依次形成第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，以形成N型掺杂结构，所述电子流扩散层掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度；以及
步骤S3：在所述第二N型掺杂层上形成第二子外延结构。
下面结合图2～4b对本发明实施例的一种LED外延结构的制备方法进行详细说明。
图4a为本实施例所提供的衬底的剖面结构示意图。如图4a所示，首先执行步骤S1，提供一衬底100，所述衬底100上形成有第一子外延结构200。所述第一子外延结构200包括依次形成于所述衬底100上的成核层210和非掺杂层220。
图4b为本实施例形成第二N型掺杂层后的剖面结构示意图。如图4b所示，接着执行步骤S2，在所述第一子外延结构200上依次形成第一N型掺杂层310、电子流扩散层320和第二N型掺杂层330，以形成N型掺杂结构300，所述电子流扩散层320掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层310和第二N型掺杂层330中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层320中掺杂的N型离子浓度。
在本步骤中，所述第一N型掺杂层310、电子流扩散层320和第二N型掺杂层330例如是通过金属有机化学气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法形成。在本实施例中，所述第一N型掺杂层310、电子流扩散层320和第二N型掺杂层330均通过金属有机化学气相沉积方法生长而成。所述第一N型掺杂层310的生长温度的范围包括500℃～1000℃，所述第一N型掺杂层310的压力环境的范围包括50torr～600torr(托)；所述电子流扩散层320的生长温度的范围包括500℃～1000℃，所述电子流扩散层32的压力环境的范围包括50torr～600torr；所述第二N型掺杂层330的生长温度的范围包括500℃～1000℃，所述第二N型掺杂层330的压力环境的范围包括50torr～600torr。其中，所述电子流扩散层320例如是包括至少一个周期的周期性交叠结构，当所述电子流扩散层320包括一个周期的周期性交叠结构时，该周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中至少一层，优选的，该周期性交叠结构中包括AlInGaN层；当所述电子流扩散层320包括多个周期的周期性交叠结构时，每个周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中至少一层。
如图2所示，接着执行步骤S3，在所述第二N型掺杂层330上形成第二子外延结构400。所述第二子外延结构400包括依次形成于所述N型掺杂结构300上的应力调节层410、多量子阱结构层420、电子阻挡层430和P型掺杂层440。
综上所述，本发明提供了一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片，通过在第一子外延结构第二子外延结构之间形成N型掺杂结构，N型掺杂结构包括第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，电子流扩散层掺杂有N型离子，第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度，以提高电子流扩散层内部的电子迁移率，增加了N型掺杂结构中电子迁移的有效面积，提高空穴和电子的复合率，从而提高LED发光效率。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种LED外延结构，其特征在于，包括依次叠加在一衬底上的第一子外延结构、N型掺杂结构和第二子外延结构，所述N型掺杂结构包括依次叠加的第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，所述电子流扩散层掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度。
2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述电子流扩散层包括至少一个周期的周期性交叠结构；当所述电子流扩散层包括一个周期的周期性交叠结构时，该周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中至少一层；当所述电子流扩散层包括多个周期的周期性交叠结构时，每个周期性交叠结构包括GaN层、AlGaN层、InGaN层、AlInGaN层、AlN层和InN层中至少一层。
3.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一N型掺杂层的离子浓度的范围在5e18cm-3～1e19cm-3之间，所述第二N型掺杂层的离子浓度的范围在1e18cm-3～2e18cm-3之间，所述电子流扩散层的N型离子浓度的范围在0～1e18cm-3之间。
4.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一N型掺杂层的厚度的范围在1μm～3μm之间，所述电子流扩散层的厚度的范围在10nm～200nm之间，所述第二N型掺杂层的厚度的范围在10nm～80nm之间。
5.如权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述电子流扩散层掺杂有Si离子。
6.如权利要求1-5中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二子外延结构包括依次形成于所述N型掺杂结构上的应力调节层、多量子阱结构层、电子阻挡层和P型掺杂层，其中，所述应力调节层包括M个周期性交叠的InyAlxGa1-x-yN层和AlxInyGa1-x-yN，其中，0≤x≤1；0≤y≤1；x+y≤1；M≥1，且为整数。
7.一种LED芯片，其特征在于，包括：
衬底；以及
如权利要求1～6中任一项所述的LED外延结构。
8.一种LED外延结构的制备方法，用于制备如权利要求1-6中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底上形成有第一子外延结构；
在所述第一子外延结构上依次形成第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层，以形成N型掺杂结构，所述电子流扩散层掺杂有N型离子，所述第一N型掺杂层和第二N型掺杂层中掺杂的离子浓度均大于所述电子流扩散层中掺杂的N型离子浓度；以及
在所述第二N型掺杂层上形成第二子外延结构。
9.如权利要求8中所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一N型掺杂层、电子流扩散层和第二N型掺杂层通过金属有机化学气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、分子束外延方法或氢化物气相外延方法形成。
10.如权利要求9中所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一N型掺杂层的生长温度的范围在500℃～1000℃之间，所述第一N型掺杂层的压力环境的范围在50torr～600torr之间；所述电子流扩散层的生长温度的范围在500℃～1000℃之间，所述电子流扩散层的压力环境的范围在50torr～600torr之间；所述第二N型掺杂层的生长温度的范围在500℃～1000℃之间，所述第二N型掺杂层的压力环境的范围在50torr～600torr之间。
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