CN110137326A - 一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，用于蓝光LED，其包括依次设置于基底上的第一半导体层，有源区和第二半导体层；所述有源区包括相互间隔设置的至少一层垒层与至少一层阱层；所述阱层包括第一N‑GaN层，设于所述第一N‑GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N‑GaN层；所述电流均化层通过在GaN中掺杂高电阻率材料形成。本发明通过在有源区设置N‑GaN+电流均化层+N‑GaN的阱层结构，使得LED外延结构在小电流情况下，有效提升电流的拥堵效应，使得小电流能够在阱层之中横向扩展，强化了扩散效应，从而达到了功率小、光效高的目的。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管，英文单词的缩写LED，主要含义：LED＝Light Emitting Diode，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，作为照明器件，相对传统照明器件，发光二极管有相当大优势——寿命长、光效高、无辐射、低功耗、绿色环保。目前LED主要用于显示屏、指示灯、背光源等领域。
LED节能是一个重大的指标，在美国LM80标准中，就有严格的标准。不过在LED低电流应用驱动下，电流会集中在部分区域，造成亮度无法均匀分布，也导致了发光效能无法提升，进一步影响产业的照明应用。
针对上述问题，专利申请201410742580.1提出了一种LED芯片，其在透明导电层的表面设置不同间隔的多个同心弧线沟槽；且所述弧线沟槽以所述P型电极为中心，越靠近所述P型电极所述弧线沟槽的间隔越大，越远离所述P型电极所述弧线沟槽的间隔越小。通过不同的间隔的弧线沟槽，逐渐增大透明导电层的电阻，使得电流在透明导电层内横向扩散时不会聚集在靠近N型电极的区域，从而减少电流拥堵效应；从而提升了LED芯片在小电流作用下的发光效率；但是在ITO层制备孔洞的工艺较为复杂，对透明导电层的性能要求较高，不利于推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其能提升电流的使用效率，保证LED芯片亮度均匀，光效高。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种上述可在小电流密度下提升发光效能的外延结构的制备方法，其工艺简单。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，用于蓝光LED，其包括依次设置于基底上的第一半导体层，有源区和第二半导体层；所述有源区包括相互间隔设置的至少一层垒层与至少一层阱层；
所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N-GaN层；
所述电流均化层通过在GaN中掺杂电阻率＞2.4×10-6Ω·cm的高电阻率材料形成。
作为上述技术方案的改进，所述高电阻率材料选自Al、B、Mg、氮化硅中的一种或多种；
所述电流均化层的电阻率＞109Ω·cm。
作为上述技术方案的改进，所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，设于所述电流均化层上的U-GaN层和设于所述U-GaN层上的第二N-GaN层。
作为上述技术方案的改进，所述阱层包括第一N-GaN层、第二N-GaN层，以及设于所述第一N-GaN层与第二N-GaN层之间的相互间隔设置的至少一层U-GaN层与至少一层电流均化层。
作为上述技术方案的改进，所述电流均化层中高电阻率材料的含量由所述第一N-GaN层到所述第二N-GaN层之间呈递减变化；或
各垒层中高电阻率材料的含量从所述第一半导体层到所述第二半导体层之间呈递减变化；
所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。
作为上述技术方案的改进，所述电流均化层为AlGaN层，其中Al的含量≤5wt％；
所述N-GaN层的电阻率≤3Ω·cm；
所述U-GaN层的电阻率为10000-50000Ω·cm。
作为上述技术方案的改进，所述第一N-GaN层与第二N-GaN的厚度为所述U-GaN层的厚度为所述电流均化层的厚度为
作为上述技术方案的改进，所述第一N-GaN层与第二N-GaN的厚度为所述U-GaN层的厚度为所述电流均化层的厚度为
所述第一N-GaN层与第二N-GaN层之间的相互间隔设置的2-9层U-GaN层与2-9层电流均化层。
相应的，本发明还公开了一种上述可在小电流密度下提升发光效能的外延结构的制备方法，其包括：
(1)提供一基底；
(2)在所述基底上形成第一半导体层；
(3)在所述第一半导体层生长若干个周期的垒层与阱层，以形成有源区；
(4)在所述有源区上生长第二半导体层，得到所述外延结构成品；
其中，所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N-GaN层；
所述电流均化层通过在GaN中掺杂高电阻率材料形成。
作为上述技术方案的改进，步骤(2)中，所述阱层由金属有机化合物化学气相沉淀法或分子束磊晶技术生长而成；
所述电流均化层的生长温度为500-800℃，生长压力为200-550torr。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过在有源区设置N-GaN+电流均化层+N-GaN的阱层结构，使得LED外延结构在小电流情况下，有效提升电流的拥堵效应，使得小电流能够在阱层之中横向扩展，强化了扩散效应，从而达到了功率小、光效高的目的。
附图说明
图1是本发明一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构的结构示意图；
图2是本发明一实施例中垒层的结构示意图；
图3是本发明另一实施例中垒层的结构示意图；
图4是本发明另一实施例中垒层的结构示意图；
图5是本发明中一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构的制备方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1和图2，本发明公开了一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其包括基底1，依次设置于基底上的第一半导体层2，有源区3和第二半导体层4；其中，有源区3包括相互间隔设置的至少一层垒层31和至少一层阱层32。垒层31包括第一N-GaN层33，设于所述第一N-GaN层33上的电路均化层34以及设于所述电流均化层34上的第二N-GaN层35；其中所述电流均化层34通过在GaN中掺杂高电阻率材料形成，所述电流均化层的电阻率远大于第一N-GaN层和第二N-GaN层。本发明通过在有源区设置N-GaN+电流均化层+N-GaN的阱层结构，通过高电阻率的电流均化层与低电阻率的N-GaN层复合，形成了高电阻率的强化扩散结构；使得在具有本发明外延结构的LED在使用小电流的情况下，可有效提升小电流的拥堵效应，使得小电流能够在进程之中横向扩展，分散分布，强化了扩散效应，从而达到了功率小、光效高的效果。
具体的，在本发明中，小电流密度是指低于500mA的电流；所述高电阻率材料是指电导率大于2.4×10-6Ω·cm的物质，本发明中的高电阻率材料选用Al、B、氮化硅中的一种或几种，通过上述高电阻率材料的掺杂，使得本发明中的电流均化层34的电阻率＞109Ω·cm，而N-GaN层的电阻率≤3Ω·cm；N-GaN层33/35与电流均化层34之间的巨大差异会形成能阶形变，使得阱层整体电阻值更大，从而具有更加良好的分散电流的效果。
优选的，所述高电阻率材料选用Al，AlGaN层的电阻率可大于10 11Ω·cm，拥有更加良好的电流分散效果。且采用Al掺杂工艺简单，其掺杂温度＜800℃，易于操作；通过掺杂后，AlGaN层中Al的含量≤5wt％。
进一步的，参见图3，本发明的一实施例中，所述垒层31包括第一N-GaN层33，设于所述第一N-GaN层33上的电流均化层34，设于所述电流均化层34上的U-GaN层36，和设于所述U-GaN层36上的第二N-GaN层35。通过先在N-GaN层33/35生长一层U-GaN层36之后再生长电流均化层34，可有效缩小晶格失配，杜绝晶格空洞，保证高光效。
具体的，在实施例之中，所述电流均化层34厚度：U-GaN层36厚度：N-GaN层33/35厚度＝(1-2)：(2-5)：(1-2)，优选的为(1.5-2)：(4-5)：1；此厚度比例范围的垒层31结构能够更好的发挥电流均化层的作用，使得小电流情况下，电流的分散效果更好。
具体的，所述垒层31与阱层32的总厚度为其中，第一N-GaN层33与第二N-GaN层35的厚度为U-GaN层36的厚度为电流均化层34的厚度为优选的，第一N-GaN层33与第二N-GaN层35的厚度为U-GaN层36的厚度为电流均化层34的厚度为或第一N-GaN层33与第二N-GaN层35的厚度为U-GaN层36的厚度为电流均化层34的厚度为
进一步的，为了增强外延结构的光效，在本实施例中，所述电流均化层34中高电阻率材料的含量由所述第一N-GaN层33到所述第二N-GaN层35之间呈递减变化；所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化；这种递减变化可有效降低电流均化层34与N-GaN层33/35之间的晶格失配，提高LED的光效。具体的，连续变化是指在电流均化层34中，高电阻率材料的浓度从第一N-GaN层33到第二N-GaN层34之间呈连续递减变化。梯度变化是指高电阻率材料的浓度从第一N-GaN层33到第二N-GaN层34之间呈阶梯状变化，即在第一个厚度范围内，其维持恒定，在下一个厚度范围内，其减小为另外一个恒定浓度。混合梯度变化是指两者的融合。
或者，各垒层31中高电阻率材料的含量从所述第一半导体层2到所述第二半导体层3之间呈递减变化。这种递减变化可有效缩小电流均化层与N-GaN层之间的晶格适配，同时也能够在小电流传输过程形成梯度扩散结构，多层诱发，在不同垒层之间逐步扩散小电流，更加有利于电流的充分分散。
参考图4，在本发明的另一实施例之中，所述垒层31包括第一N-GaN层33、第二N-GaN层35和设于两者之间的相互间隔设置的至少一层U-GaN层36和至少一层电流均化层34。这种U-GaN层与电流均化层循环的结构有助于形成梯度扩散结构，使得电流在不同电流均化层之间逐步扩散，进而使得电流在一层垒层之中充分扩散，达到小电流高光效的效果。
具体的，在本实施例中，在N-GaN层33/35之间设有2-9层U-GaN层36和2-9层电流均化层，但不限于此。所述U-GaN层的电阻率为10000-50000Ω·cm。
需要说明的是，在一些LED产品之中，需要芯片纯度很高，即需要最大的程度的减少量子阱的数目，但同时要求LED芯片具有高光效，这就对垒层之中电流的扩散性提出了更高的要求。而采用本发明中的U-GaN层与电流均化层循环的垒层结构，即可满足上述使用需求，最大程度的减少量子阱的数目。
具体的，在实施例之中，所述电流均化层34厚度：U-GaN层36厚度＝(1.5-3)：1；此厚度比例的循环结构分散电流效果最佳。同时可有效避免阱层隧穿。
具体的，在本实施例中，所述垒层31与阱层32的总厚度为其中，所述第一N-GaN层33与第二N-GaN层35的厚度为所述U-GaN层36的厚度为所述电流均化层34的厚度为优选的，所述第一N-GaN层33与第二N-GaN层35的厚度为所述U-GaN层36的厚度为所述电流均化层34的厚度为
进一步的，为了充分发挥本发明中外延结构的作用，在所述外延结构还包括设于所述第一半导体层2与所述有源区3之间的应力缓冲层5，以及一次设于所述基底1与第一半导体层之间的缓冲层6和U-GaN层7。
对采用本发明中外延结构的LED芯片的光效进行测试；效果如下表：
可见，本发明中的外延结构对于蓝光LED在小电流情况下的发光效率有明显的提升效果，尤其是对于电流/面积越小的产品，光效提升率越为明显。
相应的，参见图5，本发明还公开了一种上述外延结构的制备方法，其包括：
S1：提供一基底；
所述基底可为蓝宝石，但不限于此；
S2：在所述基底上形成第一半导体层；
具体的，S2包括：
S21：在所述基底上生长一层缓冲层；
S22：在所述基底上生长一层U-GaN层；
S23：在所述U-GaN层上生长第一半导体层；
所述第一半导体层为N-GaN层，但不限于此。
S3：在所述第一半导体层生长若干个周期的垒层与阱层，以形成有源区；
具体的，S3包括：
S31：在所述第一半导体层上生长一层应力缓冲层(SL-layer)；
S32：在所述应力缓冲层上生长若干个周期的垒层和阱层，形成有源区；
具体的，采用金属有机化合物化学气相沉淀法(MOCVD)或分子束磊晶技术(MBE)生长有源区；
其中，垒层中的电流均化层的生长温度为500-800℃，生长压力为200-550torr。
S4：在所述有源区上生长第二半导体层，得到所述外延结构成品；
以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，用于蓝光LED，其包括依次设置于基底上的第一半导体层，有源区和第二半导体层；其特征在于，所述有源区包括相互间隔设置的至少一层垒层与至少一层阱层；
所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N-GaN层；
所述电流均化层通过在GaN中掺杂电阻率＞2.4×10-6Ω·cm的高电阻率材料形成。
2.如权利要求1所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述高电阻率材料选自Al、B、Be、Mg、氮化硅中的一种或多种；
所述电流均化层的电阻率＞109Ω·cm。
3.如权利要求1所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，设于所述电流均化层上的U-GaN层和设于所述U-GaN层上的第二N-GaN层。
4.如权利要求3所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述阱层包括第一N-GaN层、第二N-GaN层，以及设于所述第一N-GaN层与第二N-GaN层之间的相互间隔设置的至少一层U-GaN层与至少一层电流均化层。
5.如权利要求3所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述电流均化层中高电阻率材料的含量由所述第一N-GaN层到所述第二N-GaN层之间呈递减变化；或
各垒层中高电阻率材料的含量从所述第一半导体层到所述第二半导体层之间呈递减变化；
所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。
6.如权利要求3-5任一项所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述电流均化层为AlGaN层，其中Al的含量≤5wt％；
所述N-GaN层的电阻率≤3Ω·cm；
所述U-GaN层的电阻率为10000-50000Ω·cm。
7.如权利要求3所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述第一N-GaN层与第二N-GaN的厚度为所述U-GaN层的厚度为所述电流均化层的厚度为
8.如权利要求4所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构，其特征在于，所述第一N-GaN层与第二N-GaN的厚度为所述U-GaN层的厚度为所述电流均化层的厚度为
所述第一N-GaN层与第二N-GaN层之间的相互间隔设置的2-9层U-GaN层与3-8层电流均化层。
9.如权利要求1-8任一项所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
(1)提供一基底；
(2)在所述基底上形成第一半导体层；
(3)在所述第一半导体层生长若干个周期的垒层与阱层，以形成有源区；
(4)在所述有源区上生长第二半导体层，得到所述外延结构成品；
其中，所述阱层包括第一N-GaN层，设于所述第一N-GaN层上的电流均化层，以及设于所述电流均化层上的第二N-GaN层；
所述电流均化层通过在GaN中掺杂高电阻率材料形成。
10.如权利要求9所述的可在小电流密度下提升发光效能的外延结构的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述阱层由金属有机化合物化学气相沉淀法或分子束磊晶技术生长而成；
所述电流均化层的生长温度为500-800℃，生长压力为200-550torr。
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