CN110190083A - 高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件及制备方法，所述发光器件为LED的N型电极和P型电极首尾串联在绝缘基板上组成的微阵列，所述LED包括N型电极、导电性衬底、LED外延结构和P型电极；所述绝缘基板、N型电极、导电性衬底、LED外延结构、P型电极自下而上依次排布。本发明通过设计微米级别的LED组成阵列，降低了LED的结电容，工作的电流密度增大，提升了LED的调制带宽。同时使用垂直导电结构减小了LED的电流拥挤效应，减小了其热效应对带宽的影响，进而提高了其调制带宽。
Description
技术领域
本申请涉及LED可见光通信技术领域，尤其涉及高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件及制备方法。
背景技术
微阵列LED技术是通过微缩化和矩阵化发光二极管(LED)在一个芯片上高密度地集成微小尺寸的LED阵列，将像素间的距离降低到微米级别，其优点在于既具有光电转换效率高、发光强度大、体积小轻薄等的特点又具有响应频率高，能实现高的调制带宽的效果。
但现有的LED器件的带宽有限、响应速率不够、在高速调制状态下的LED 满足不了现有的通信照明的需求。而影响LED调制特性的因素主要取决于以下两个方面：RC时间常数和载流子自发辐射寿命。LED的有源区是多量子阱结构，具有电荷限制作用，在响应过程中的上升下降时间称为RC时间，主要受到结电容影响，对信号具有延迟作用；而器件有源区内载流子自发辐射寿命直接影响载流子从复合到光子逃逸出器件的时间。响应时间主要取决于载流子寿命、器件的结电容和电路阻抗。因此，有必要通过设计LED的结构和优化LED芯片尺寸来提高带宽。
发明内容
基于现有的LED器件存在的以上所述问题，本发明提供一种高带宽GaN基垂直导电结构微LED发光器件，目的在于有效地提高LED发光器件的-3dB调制带宽。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案。
本发明提供了一种高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，所述发光器件为LED通过N型电极和P型电极首尾串联在绝缘基板上组成的微阵列，所述 LED包括N型电极、导电性衬底、LED外延结构和P型电极；所述N型电极、导电性衬底、LED外延结构、P型电极在绝缘基板上自下而上依次排布。
优选地，所述绝缘基板位于发光器件的底部，用于固定LED；所述N型电极为欧姆接触电极；所述导电性衬底为m面导电自支撑导电性的SiC或GaN同质衬底；所述LED外延结构生长于所述的导电性衬底的上表面，包括N型掺杂的GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层、P型AlGaN电子阻挡层和P型 GaN覆盖层，所述N型掺杂的GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层、P 型AlGaN电子阻挡层和P型GaN覆盖层在导电性衬底的上表面自下而上依次排布形成；所述的P型电极位于LED外延结构的P型GaN覆盖层的上表面，P型电极为欧姆接触电极。
优选地，N型掺杂的GaN层生长于导电性衬底的上表面，N型掺杂的浓度为1×1018cm-3～5×1019cm-3，控制生长的温度范围是900-1100℃。
优选地，InGaN/GaN多量子阱有源区发光层生长于N型掺杂的GaN层的上表面，通过在N型掺杂的GaN层的上表面交替生长InGaN阱和GaN垒形成多量子阱有源区，发光波长的范围控制在410-470nm。
优选地，P型AlGaN电子阻挡层生长于InGaN/GaN多量子阱有源区发光层的上表面，P型浓度为1×1017cm-3～1×1018cm-3，生长的温度为900-1000℃；
P型GaN帽层生长于P型AlGaN电子阻挡层的上表面，P型浓度为5× 1017cm-3～1×1018cm-3，GaN的生长温度为900℃-1000℃。
优选地，所述N型电极为欧姆接触的ITO电极。
优选地，所述LED为长方形，所述长方形的尺寸为(20～70)×(20～70) μm。
优选地，LED发光器件的发光波长范围为410nm～470nm。
优选地，所述微阵列通过LED的N型电极和P型电极串联组成的矩形阵列，在所述矩形阵列的第一个LED和最后一个LED处分别引出一个P型电极接入端和一个N型电极接出端。
本发明还提供了一种如上所述高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件的制备方法，包括如下步骤：
1)在导电性衬底的上表面生长LED外延结构，LED外延结构包括N型掺杂的GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层、P型AlGaN电子阻挡层和P 型GaN覆盖层，所述N型掺杂的GaN层、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层、 P型AlGaN电子阻挡层和P型GaN覆盖层在导电性衬底的上表面自下而上依次排布形成；
2)通过光刻、刻蚀技术保证LED的尺寸达到微米级别，所述LED为长方形，所述长方形的尺寸为(20～70)×(20～70)μm；
3)焊电极，在P型GaN覆盖层的上表面制作P型电极和导电性衬底的下表面制作N型电极；
4)实现LED的串联连线，通过LED的N型电极与相邻后一个LED的P 型电极连接，形成一个首尾相连的串联结构微阵列；
5)制备绝缘基板，排列LED形成微阵列并固定单个LED的位置，组成矩形阵列。
和现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
导电型的衬底生长的LED结构，可以降低制作垂直导电LED的难度。通过所述微米级别的LED降低了LED的芯片接触面积，减小了结电容并且增强了其工作电流密度，减小了工作时的载流子寿命，将LED的调制带宽由普通商用LED 的10MHz以下提高到70MHz以上。
附图说明
图1为实施例1提供的垂直导电结构LED外延结构示意图；
图2为实施例1提供的串联的垂直导电结构的LED微阵列的示意图；
图3为实施例1提供的单个垂直导电结构LED俯视图；
图4为实施例1提供的由9个垂直导电结构LED组成的阵列俯视图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请各实施例中的附图，对本申请各实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例借助MOCVD(金属有机物化学气相沉积)来完成 LED外延结构4在导电性衬底3的上表面生长。所述LED外延结构4从下到上依次包括：N型掺杂的GaN层401、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层402、 P型AlGaN电子阻挡层403和P型GaN覆盖层404。
所述导电性衬底3为m面导电自支撑GaN同质衬底。
所述N型掺杂的GaN层401生长于所述导电性衬底3的上表面，N型掺杂的浓度为1×1018cm-3，控制生长的温度是990℃；
所述InGaN/GaN多量子阱有源区发光层402生长于所述N型掺杂的GaN 层401的上表面，通过在所述N型掺杂的GaN层401的上表面交替生长InGaN 阱和GaN垒形成5对多量子阱有源区，发光波长的范围控制在410-470nm；
所述P型AlGaN电子阻挡层403生长于所述InGaN/GaN多量子阱有源区发光层402的上表面，P型浓度为1×1017cm-3，生长的温度为1000℃。
所述P型GaN帽层404生长于所述P型AlGaN电子阻挡层403的上表面， P型浓度为5×1017cm-3，GaN的生长温度为990℃。
本发明通过使用导电性衬底可以直接在衬底上面镀电极，形成垂直导电结构，垂直导电LED结构减小芯片工艺步骤和降低成本，同时也提高载流子注入效率，降低结电容，最终提高LED的带宽。
本发明中的由70×70μm的GaN基垂直导电结构LED组成的3x3阵列，相较于传统的商用LED，在40mA的电流下其调制带宽值达到80MHz。
图2为本实施例串联的垂直导电结构的LED微阵列的示意图，LED的N型电极2和P型电极5首尾串联在绝缘基板1上组成微阵列，所述LED包括N型电极2、导电性衬底3、LED外延结构4和P型电极5；所述N型电极2、导电性衬底3、LED外延结构4、P型电极5在绝缘基板1上自下而上依次排布。
所述绝缘基板1，位于微阵列的底部，用于固定LED。
所述N型电极2，为欧姆接触ITO电极。
所述导电性衬底3，为m面导电自支撑GaN同质衬底。
LED外延结构4使用MOCVD完成其外延生长，生长于导电性衬底3的上表面，从下到上依次包括：N型掺杂的GaN层401、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层402、P型AlGaN电子阻挡层403和P型GaN覆盖层404。
所述P型电极5，位于P型GaN覆盖层404的上表面，为欧姆接触电极。通过LED的N极电极2和相邻后一个微LED的P型电极5相连形成串联的垂直导电结构的LED微阵列。
图3为本实施例的单个LED的俯视图，其中，N型电极和P型电极为分别为2和5，为欧姆接触电极，采用电流限制层布局。LED的边界为7，其尺寸为 70×70μm。
图4为本实施例中的由GaN基垂直导电结构LED组成的阵列俯视图，如图 4所示，9个相同尺寸的LED通过串联的方式连接在一起形成一个3×3的矩形阵列，通过N型电极和P型电极的串联分别引出一个N型电极接出端和P型电极接入端。
实施例2
本实施例借助MOCVD完成垂直导电结构微LED的外延生长。外延结构请参考图1，串联的LED微阵列垂直导电结构的侧视图如图2所示。通过单个LED 的N型电极和P型电极形成首尾串联的形式组成一个3×3的微阵列。其制备方法包括以下步骤：
1)在导电性衬底3的上表面生长LED外延结构4，LED外延结构4包括N 型掺杂的GaN层401、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层402、P型AlGaN电子阻挡层403和P型GaN覆盖层404，所述N型掺杂的GaN层401、InGaN/GaN 多量子阱有源区发光层402、P型AlGaN电子阻挡层403和P型GaN覆盖层404 在导电性衬底3表面上依次排布形成；
2)通过光刻、刻蚀技术保证LED的尺寸达到微米级别，所述LED为长方形，所述长方形的尺寸为70×70μm；
3)焊电极，在P型GaN覆盖层404的上表面制作P型电极5和导电性衬底3的下表面制作N型电极2；
4)实现LED的串联连线，通过在前一个LED的N型电极2引出一根导线与后一个LED的P型电极5连接，形成一个首尾相连的串联结构微阵列；
5)制备绝缘基板1，排列LED形成微阵列并固定单个LED的位置，组成3×3 矩形阵列。
本发明通过设计微米级别的LED，组成阵列，降低了LED的结电容，使其工作的电流密度增大，减小了载流子工作时的寿命，提升了LED的调制带宽。同时使用垂直导电结构减小了LED的电流拥挤效应，减小了其热效应对带宽的影响，采用串联结构既能克服照明发光功率不足的问题，还能减小整体的电容进而改进了其调制带宽，相较于普通的LED只有几兆赫兹的调制带宽，其调制带宽增加至70MHz以上。
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，以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求 的保护范围为准，根据上述说明书的揭示和教导，本发明 所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了更好说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，所述发光器件为LED通过N型电极（2）和P型电极（5）首尾串联在绝缘基板（1）上组成的微阵列，所述LED包括N型电极（2）、导电性衬底（3）、LED外延结构（4）和P型电极（5）；所述N型电极（2）、导电性衬底（3）、LED外延结构（4）、P型电极（5）在绝缘基板（1）上自下而上依次排布。
2.根据权利要求1所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，所述绝缘基板（1）位于发光器件的底部，用于固定LED；所述N型电极（2）为欧姆接触电极；所述导电性衬底（3）为导电性的m面导电自支撑SiC或GaN同质衬底；所述LED外延结构（4）生长于所述的导电性衬底（3）的上表面，包括N型掺杂的GaN层（401）、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层（402）、P型AlGaN电子阻挡层（403）和P型GaN覆盖层（404），所述N型掺杂的GaN层（401）、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层（402）、P型AlGaN电子阻挡层（403）和P型GaN覆盖层（404）在导电性衬底（3）的上表面自下而上依次排布形成；所述的P型电极（5）位于LED外延结构（4）的P型GaN覆盖层（404）的上表面，P型电极（5）为欧姆接触电极。
3.根据权利要求2所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，N型掺杂的GaN层（401）生长于导电性衬底（3）的上表面，N型掺杂的浓度为1×1018cm-3 ~ 5×1019cm-3，控制生长的温度范围是900-1100℃。
4.根据权利要求2所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，InGaN/GaN多量子阱有源区发光层（402）生长于N型掺杂的GaN层（401）的上表面，通过在N型掺杂的GaN层（401）的上表面交替生长InGaN阱和GaN垒形成多量子阱有源区，发光波长的范围控制在410-470nm。
5.根据权利要求2所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，P型AlGaN电子阻挡层（403）生长于InGaN/GaN多量子阱有源区发光层（402）的上表面，P型浓度为1×1017cm-3 ~ 1×1018cm-3，生长的温度为900-1000℃；
P型GaN帽层（404）生长于P型AlGaN电子阻挡层（403）的上表面，P型浓度为5×1017cm-3 ~1×1018cm-3，GaN的生长温度为900℃-1000℃。
6.根据权利要求1所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，所述N型电极（2）为欧姆接触的ITO电极。
7.根据权利要求1所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于， 所述LED为长方形，所述长方形的尺寸为（20 ~ 70）×（20 ~70）μm。
8.根据权利要求1所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，LED发光器件的发光波长范围为410nm ~ 470nm。
9.根据权利要求1所述的高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件，其特征在于，所述微阵列通过LED的N型电极（2）和P型电极（5）串联组成的矩形阵列，在所述矩形阵列的第一个LED和最后一个LED处分别引出一个P型电极（5）接入端和一个N型电极（2）接出端。
10.一种制备权利要求1至9任一项所述高带宽GaN基垂直导电结构LED发光器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）在导电性衬底（3）的上表面生长LED外延结构（4），LED外延结构（4）包括N型掺杂的GaN层（401）、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层（402）、P型AlGaN电子阻挡层（403）和P型GaN覆盖层（404），所述N型掺杂的GaN层（401）、InGaN/GaN多量子阱有源区发光层（402）、P型AlGaN电子阻挡层（403）和P型GaN覆盖层（404）在导电性衬底（3）的上表面自下而上依次排布形成；
2）通过光刻、刻蚀技术保证LED的尺寸达到微米级别，所述LED为长方形，所述长方形的尺寸为（20 ~ 70）×（20 ~ 70）μm；
3）焊电极，在P型GaN覆盖层（404）的上表面制作P型电极（5）和导电性衬底（3）的下表面制作N型电极（2）；
4）实现LED的串联连线，通过LED的N型电极（2）与相邻后一个LED的P型电极（5）连接，形成一个首尾相连的串联结构微阵列；
5）制备绝缘基板（1），排列LED形成微阵列并固定单个LED的位置，组成矩形阵列。
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