CN111477727A - 一种改善电流扩展层的led芯片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善电流扩展层的LED芯片及制作方法，通过只对AlInGaN层进行掺杂，形成了一种间断掺杂的高晶体质量的电流扩展层，利用其间断掺杂的特征形成低阻和高阻交替的状态，进而增强横向电流扩展能力，使电流扩展更加均匀。并且，AlInGaN层能够减小AlaGa1‑aN层和InbGa1‑bN层的晶格失配，提高了晶体质量，减小了多量子阱层的极化电场，从而获得了更高的光效。以及，AlaGa1‑aN层、AlInGaN层和InbGa1‑bN层具有的带隙特点，形成对电子有效的束缚作用，减少了电子泄露，极大程度的提升了LED芯片的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种改善电流扩展层的LED芯片及制作方法。
背景技术
近年来，III-V族氮化物由于其具有优异的物理和化学特性，从而广泛应用于电子和光学领域。
其中，以GaN基为主要材料的发光器件，更是在照明、显示和数码等领域有着长足的发展。以蓝绿光发光器件为例，虽然商业化LED已经实现足够高的光电转换效率，但是，随着LED芯片尺寸的不断减小，市场对材料性能的要求也越来越严格。
那么，如何进一步提升晶体质量，如何让电流在不同尺寸的芯片上实现更好的电流扩展，以实现更高的光效，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种改善电流扩展层的LED芯片及制作方法，技术方案如下：
一种改善电流扩展层的LED芯片，所述LED芯片包括：
衬底；
依次生长在所述衬底上的N型半导体层、电流扩展层和多量子阱层；
其中，所述电流扩展层包括在第一方向上依次交叠设置的多层AlaGa1-aN层和多层InbGa1-bN层，0＜a＜0.1,0＜b＜0.1，以及设置在所述AlaGa1-aN层和所述InbGa1-bN层之间的AlInGaN层；
所述AlInGaN层中掺杂有Si元素，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型半导体层的方向。
优选的，在上述LED芯片中，所述AlInGaN层的掺杂浓度为1-10×1018cm-3。
优选的，在上述LED芯片中，所述AlInGaN层的Si掺杂浓度在所述第一方向上渐变增加或渐变减小或呈梯度变化。
优选的，在上述LED芯片中，多层所述AlaGa1-aN层中Al组分在所述第一方向上固定不变，多层所述InbGa1-bN层中In组分在所述第一方向上逐渐增加或减少或呈梯度变化。
优选的，在上述LED芯片中，多层所述AlaGa1-aN层中Al组分在所述第一方向上逐渐增加或减少或呈梯度变化，多层所述InbGa1-bN层中In组分在所述第一方向上固定不变。
优选的，在上述LED芯片中，所述AlaGa1-aN层的厚度为5nm-20nm。
优选的，在上述LED芯片中，所述AlInGaN层的厚度为5nm-20nm。
优选的，在上述LED芯片中，所述InbGa1-bN层的厚度为5nm-20nm。
优选的，在上述LED芯片中，所述LED芯片还包括：
设置在所述衬底和所述N型半导体层之间的缓冲层；
依次设置在所述多量子阱层背离所述衬底一侧的P型GaN帽层和P型半导体层；
设置在所述P型半导体层上的P电极和设置在所述N型半导体层上的N电极。
一种改善电流扩展层的LED芯片的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型半导体层、电流扩展层和多量子阱层；
其中，所述电流扩展层包括在第一方向上依次交叠设置的多层AlaGa1-aN层和多层InbGa1-bN层，0＜a＜0.1,0＜b＜0.1，以及设置在所述AlaGa1-aN层和所述InbGa1-bN层之间的AlInGaN层；
所述AlInGaN层中掺杂有Si元素，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型半导体层的方向。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种改善电流扩展层的LED芯片，只对AlInGaN层进行掺杂，形成了一种间断掺杂的高晶体质量的电流扩展层，利用其间断掺杂的特征形成低阻和高阻交替的状态，进而增强横向电流扩展能力，使电流扩展更加均匀。
并且，AlInGaN层能够减小AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层的晶格失配，提高了晶体质量，减小了多量子阱层的极化电场，从而获得了更高的光效。
以及，AlaGa1-aN层、AlInGaN层和InbGa1-bN层具有的带隙特点，形成对电子有效的束缚作用，减少了电子泄露，极大程度的提升了LED芯片的整体性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种改善电流扩展层的LED芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种电流扩展层中组分的变化示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种电流扩展层中组分的变化示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种电流扩展层中组分的变化示意图；
图5为本发明实施例提供的又一种电流扩展层中组分的变化示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种改善电流扩展层的LED芯片的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种改善电流扩展层的LED芯片的制作方法的流程示意图；
图8-图15为图7所示制作方法相对于的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种改善电流扩展层的LED芯片的结构示意图。
所述LED芯片包括：
衬底11；
依次生长在所述衬底11上的N型半导体层12、电流扩展层13和多量子阱层14；
其中，所述电流扩展层13包括在第一方向上依次交叠设置的多层AlaGa1-aN层131和多层InbGa1-bN层133，0＜a＜0.1,0＜b＜0.1，以及设置在所述AlaGa1-aN层131和所述InbGa1-bN层133之间的AlInGaN层132；
所述AlInGaN层132中掺杂有Si元素，所述第一方向为垂直于所述衬底11，且由所述衬底11指向所述N型半导体层12的方向。
在该实施例中，通过只对AlInGaN层进行掺杂，形成了一种间断掺杂的高晶体质量的电流扩展层，利用其间断掺杂的特征形成低阻和高阻交替的状态，进而增强横向电流扩展能力，使电流扩展更加均匀。
并且，AlInGaN层能够减小AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层的晶格失配，提高了晶体质量，减小了多量子阱层的极化电场，从而获得了更高的光效。
以及，AlaGa1-aN层、AlInGaN层和InbGa1-bN层具有的带隙特点，形成对电子有效的束缚作用，减少了电子泄露，极大程度的提升了LED芯片的整体性能。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述AlInGaN层132的掺杂浓度为1-10×1018cm-3。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述AlInGaN层132的Si掺杂浓度在所述第一方向上渐变增加或渐变减小或呈梯度变化。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种电流扩展层中组分的变化示意图。
多层所述AlaGa1-aN层131中Al组分在所述第一方向上固定不变，多层所述InbGa1-bN层133中In组分在所述第一方向上固定不变。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种电流扩展层中组分的变化示意图。
多层所述AlaGa1-aN层131中Al组分在所述第一方向上固定不变，多层所述InbGa1-bN层133中In组分在所述第一方向上逐渐增加。
在该实施例中，需要说明的是，多层所述InbGa1-bN层133中In组分在所述第一方向上还可以逐渐减少或呈梯度变化。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种电流扩展层中组分的变化示意图。
多层所述AlaGa1-aN层131中Al组分在所述第一方向上逐渐增加，多层所述InbGa1-bN层133中In组分在所述第一方向上固定不变。
在该实施例中，需要说明的是，多层所述AlaGa1-aN层131中Al组分在所述第一方向上还可以逐渐减少或呈梯度变化。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种电流扩展层中组分的变化示意图。
多层所述AlaGa1-aN层131中Al组分在所述第一方向上逐渐增加，多层所述InbGa1-bN层133中In组分在所述第一方向上逐渐增加。
在该实施例中，需要说明的是，多层所述InbGa1-bN层133中In组分在所述第一方向上还可以逐渐减少或呈梯度变化。
多层所述AlaGa1-aN层131中Al组分在所述第一方向上还可以逐渐减少或呈梯度变化。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述AlaGa1-aN层131的厚度为5nm-20nm；所述AlInGaN层132的厚度为5nm-20nm；所述InbGa1-bN层133的厚度为5nm-20nm。
在该实施例中，所述AlaGa1-aN层131、所述AlInGaN层132和所述InbGa1-bN层133的厚度可以相同也可以不同，可根据实际情况而定，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的另一种改善电流扩展层的LED芯片的结构示意图。
所述LED芯片还包括：
设置在所述衬底11和所述N型半导体层12之间的缓冲层15；
依次设置在所述多量子阱层14背离所述衬底11一侧的P型GaN帽层16和P型半导体层17；
设置在所述P型半导体层17上的P电极18和设置在所述N型半导体层12上的N电极19。
在该实施例中，所述P型GaN帽层16为P型Cap层，所述P型半导体层17为P型GaN层，所述缓冲层15为GaN层，所述N型半导体层12为N型GaN层。
进一步的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中，还提供了一种改善电流扩展层的LED芯片的制作方法，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种改善电流扩展层的LED芯片的制作方法的流程示意图。
所述制作方法采用的设备包括但不限于为MOCVD设备，以三甲基镓TMGa、三甲基铝TMAl、三甲基铟TMIn、氨气NH3、为Ga源；Al源、In源、N源和H2为载气，N型和P型掺杂源分别是硅烷SiH4和二茂镁CP2Mg
所述制作方法包括：
S101：如图8所示，提供一衬底11。
在该步骤中，所述衬底11包括但不限定于c面蓝宝石衬底。
S102：如图9所示，在所述衬底11上生长缓冲层15。
在该步骤中，将蓝宝石衬底放入MOCVD反应室中，在1100℃左右的环境下通入高纯氢气氢化5-10min，然后降温至900℃-1100℃通入Ga源和N源生长20nm-50nm未掺杂的GaN缓冲层。
S103：如图10所示，在所述缓冲层15上生长N型半导体层12。
在该步骤中，当缓冲层15生长完成后，再继续通入Ga源、N源和硅烷，生长2μm-4μm厚度的Si掺杂GaN作为N型半导体层12，其掺杂浓度为1-10×1018cm-3。
S104：如图11所示，在所述N型半导体层12上生长电流扩展层13。
在该步骤中，当N型半导体层12生长完成后，通入Al源、Ga源和N源生长厚度为5nm-20nm的AlaGa1-aN层131，0＜a＜0.1。
然后将温度降至800℃-900℃，通入In源生长厚度为5nm-20nm的Si掺杂的AlInGaN层132，其掺杂浓度为1-10×1018cm-3。
最后将温度降至700℃-800℃，通入In源、Ga源和N源生长厚度为5nm-20nm的InbGa1-bN层133，0＜b＜0.1。
如此交替生长3-10个周期，即形成了间断掺杂的高晶体质量的电流扩展层13。
S105：如图12所示，在所述电流扩展层13上生长多量子阱层14。
在该步骤中，当生长完电流扩展层13后，通入In源、Ga源、N源和硅烷，生长厚度为10nm-12nm的InxGa1-xN量子垒层141，0＜x＜1，掺杂浓度为1-5×1018cm-3。
在InxGa1-xN量子垒层141上生长厚度为3nm-5nm的未掺杂的InyGa1-yN量子阱层142，0＜y＜1。
需要说明的是，InyGa1-yN量子阱层142中的In组分比InxGa1-xN量子垒层141重的In组分高约0.05-0.1。
重复生长4-10个周期，形成所述多量子阱层14，所述多量子阱层14的生长温度为700℃-800℃。
S106：如图13所示，在所述多量子阱层14上生长P型GaN帽层16。
在该步骤中，当多量子阱层14生长完成后，降温至700℃-800℃左右，生长厚度为30nm-100nm的低温P型GaN帽层16，其掺杂浓度为1-10×1019cm-3，类似空穴注入层的效果，目的是为了维持多量子阱层14的晶体质量，避免后续高温生长对多量子阱层14中组分和结构的破坏。
S107：如图14所示，在所述P型GaN帽层16上生长P型半导体层17。
在该步骤中，当生长完P型GaN帽层16后，最后再生长一层P型GaN层，厚度为100nm-200nm，充当接触层，P型掺杂浓度为1-10×1019cm-3，N2氛围下800℃-900℃退火20-30分钟。
S108：如图15所示，在所述P型半导体层17上形成P电极18，在所述N型半导体层12上形成N电极19。
在该实施例中，该制作方法通过只对AlInGaN层进行掺杂，形成了一种间断掺杂的高晶体质量的电流扩展层，利用其间断掺杂的特征形成低阻和高阻交替的状态，进而增强横向电流扩展能力，使电流扩展更加均匀。
并且，AlInGaN层能够减小AlaGa1-aN层和InbGa1-bN层的晶格失配，提高了晶体质量，减小了多量子阱层的极化电场，从而获得了更高的光效。
以及，AlaGa1-aN层、AlInGaN层和InbGa1-bN层具有的带隙特点，形成对电子有效的束缚作用，减少了电子泄露，极大程度的提升了LED芯片的整体性能。
以上对本发明所提供的一种改善电流扩展层的LED芯片及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种改善电流扩展层的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括：
衬底；
依次生长在所述衬底上的N型半导体层、电流扩展层和多量子阱层；
其中，所述电流扩展层包括在第一方向上依次交叠设置的多层AlaGa1-aN层和多层InbGa1-bN层，0＜a＜0.1,0＜b＜0.1，以及设置在所述AlaGa1-aN层和所述InbGa1-bN层之间的AlInGaN层；
所述AlInGaN层中掺杂有Si元素，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型半导体层的方向。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述AlInGaN层的掺杂浓度为1-10×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述AlInGaN层的Si掺杂浓度在所述第一方向上渐变增加或渐变减小或呈梯度变化。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，多层所述AlaGa1-aN层中Al组分在所述第一方向上固定不变，多层所述InbGa1-bN层中In组分在所述第一方向上逐渐增加或减少或呈梯度变化。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，多层所述AlaGa1-aN层中Al组分在所述第一方向上逐渐增加或减少或呈梯度变化，多层所述InbGa1-bN层中In组分在所述第一方向上固定不变。
6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述AlaGa1-aN层的厚度为5nm-20nm。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述AlInGaN层的厚度为5nm-20nm。
8.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述InbGa1-bN层的厚度为5nm-20nm。
9.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括：
设置在所述衬底和所述N型半导体层之间的缓冲层；
依次设置在所述多量子阱层背离所述衬底一侧的P型GaN帽层和P型半导体层；
设置在所述P型半导体层上的P电极和设置在所述N型半导体层上的N电极。
10.一种改善电流扩展层的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长N型半导体层、电流扩展层和多量子阱层；
其中，所述电流扩展层包括在第一方向上依次交叠设置的多层AlaGa1-aN层和多层InbGa1-bN层，0＜a＜0.1,0＜b＜0.1，以及设置在所述AlaGa1-aN层和所述InbGa1-bN层之间的AlInGaN层；
所述AlInGaN层中掺杂有Si元素，所述第一方向为垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述N型半导体层的方向。
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