CN113224215B - 一种led外延结构及其制备方法 - 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，在有源层背离所述N型半导体层一侧设有复合电流扩展层，其中，所述复合电流扩展层包括若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，且以所述空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面；进一步地，所述空穴供给层的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层的禁带宽度。使所述复合电流扩展层在通过空穴供给层提供空穴的同时，并通过空穴势垒层形成有效空穴势垒高度，以此提高P型掺杂浓度，拉高材料在该区域的价带，进而有效提升电流的横向扩展能力。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，尤其涉及一种LED外延结构及其制备方法。
背景技术
近来年，III-V族氮化物，由于其优异的物理及化学特性(禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和迁移率高等)，从而广泛应用于电子、光学领域。其中，以GaN/AlGaN基为主要材料的蓝绿光和紫外光发光二极管，更是在照明、显示、固化，杀等领域有着长足的发展。随着LED应用端的逐渐扩大，市场对LED性能的要求也越来越高，而大电流密度下的正装，倒装芯片常因其电流拥挤效应引起热效应导致效率下降，亮度发光不均等一系列技术问题，成为了当前各大LED外延和芯片厂商技术研发的热点。
常规的LED外延结构主要包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层。其中，P型半导体层通常通过Mg原子的掺杂获得P型材料，然而由于低的受主掺杂物溶解度缺陷引起的自补偿效应以及氮化镓基材料中高的Mg受主激活能，使得高空穴浓度的P型氮化镓材料一直难以获得；同时，由于其较低的掺杂效率，使得P型氮化镓材料电阻较大，限制了电流的横向扩展，特别在同侧电极结构的正装芯片和倒装芯片中，电流扩展能力受限的表现尤其明显。然而，由于电流横向扩展能力受限，将直接导致电流的拥挤，引起局部热效应明显、芯片发光不均匀、非辐射复合增加等一系列问题。
目前，为了改善因电流横向扩展能力不足引起的电流拥挤效应，通常会采用更厚的欧姆接触层、增加芯片ITO厚度、增加P-Finger等技术手段。然而，欧姆接触层厚度的增加，直接影响器件光子的出光效率，特别是在紫外光波段(UVB～UVC)，因欧姆接触层通常采用GaN材料，其严重吸收紫外光，从而降低发光效率。当增加ITO厚度或者增加P-Finger，同样也存在吸光或者挡光的问题，影响芯片光提取效率，进而带来发光效率低的问题。
有鉴于此，本发明人专门设计了一种LED外延结构及其制备方法，本案由此产生。
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，以在不影响LED的光提取效率的前提下增加电流的横向扩展能力。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种LED外延结构，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的N型半导体层；
位于所述N型半导体层背离所述衬底一侧的有源层；
位于所述有源层背离所述N型半导体层一侧的复合电流扩展层；
其中，所述复合电流扩展层包括若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，且以所述空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面。
优选地，所述空穴供给层的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层的禁带宽度。
优选地，所述复合电流扩展层应用于氮化镓基发光二极管，用于为所述氮化镓基发光二极管提供空穴并实现电流的横向扩展；且所述空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
优选地，所述空穴供给层包括Mg掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层包括Si掺杂的AlyGa1-yN层。
优选地，所述空穴供给层包括Mg掺杂的AlxGa1-xN层，且Mg的掺杂浓度包括5*1018-1*1020/cm3；所述空穴势垒层包括Si掺杂的AlyGa1-yN层，且Si的掺杂浓度包括5*1017-5*1018/cm3。
优选地，所述复合电流扩展层包括10个由所述空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，及设于最后一周期单元表面的独立空穴供给层，所述独立空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面。
优选地，在所述衬底与所述N型半导体层之间设有缓冲层及U-GaN层。
优选地，在所述有源区与所述复合电流扩展层之间设有电子阻挡层。
本发明还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面依次形成N型半导体层、有源层及复合电流扩展层；
其中，所述复合电流扩展层包括若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，且以所述空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面；
且，所述空穴供给层的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层的禁带宽度。
优选地，所述复合电流扩展层应用于氮化镓基发光二极管，用于为所述氮化镓基发光二极管提供空穴并实现电流的横向扩展；且所述空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
优选地，所述复合电流扩展层的制备方法包括：
步骤S01、采用MOCVD设备，在预设温度和生长压力下，通过金属有机物化学气相沉积法，在外延结构表面生长空穴供给层；所述空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≤x＜1；
步骤S02、生长空穴势垒层，所述空穴势垒层包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤y＜1；
步骤S03、重复步骤S01至S02若干次，形成若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元；
步骤S04、生长一独立的空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面，所述独立的空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≤x＜1。
优选地，所述复合电流扩展层的制备方法具体包括如下步骤：
步骤A01、采用MOCVD设备，设定反应腔内部的压强范围为300-600Torr，反应腔内的温度为900-1100摄氏度，向反应腔中通入三甲基铝、氨气、三甲基镓以及二茂镁，持续时间为5-300s；以形成所述空穴供给层；
步骤A02、维持所述反应腔内的压强及温度，中断所述三甲基铝及三甲基镓的通入，且持续通入氨气及二茂镁，持续时间为1-50s；
步骤A03、维持所述反应腔内的压强及温度，向反应腔中通入三甲基铝、氨气、三甲基镓以及硅烷，持续时间为5-300s；以形成所述空穴势垒层；
步骤A04、重复步骤A01至S03若干次，形成若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元；
步骤A05、维持所述反应腔内的压强及温度，向反应腔中通入三甲基铝、氨气、三甲基镓以及二茂镁，持续时间为5-300s；以形成一独立的空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面。
优选地，所述周期单元的个数为10个，且所述空穴供给层厚度为10-50nm，包括端点值；所述空穴势垒层的厚度为5-30nm，包括端点值。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的LED外延结构，在有源层背离所述N型半导体层一侧设有复合电流扩展层，其中，所述复合电流扩展层包括若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，且以所述空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面；进一步地，所述空穴供给层的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层的禁带宽度。使所述复合电流扩展层在通过空穴供给层提供空穴的同时，并通过空穴势垒层形成有效空穴势垒高度，以此提高P型掺杂浓度，拉高材料在该区域的价带，进而有效提升电流的横向扩展能力。
本发明还提供了一种LED外延结构的制备方法，在实现上述技术效果的同时，其操作简单，易于实现。同时，通过步骤A02中断所述三甲基铝及三甲基镓的通入，且持续通入氨气及二茂镁；可有效提高Mg原子的并入，以此提高P型掺杂浓度，拉高材料在该区域的价带，从而有效提升掺杂诱导的AlGaN材料的价带在该界面处形成的空穴势垒高度，进而有效提升电流的横向扩展能力；以解决P型掺杂的AlxGa1-xN材料在生长过程中，由于Mg原子的低受主掺杂物溶解度缺陷所引起的自补偿效应以及伴随Al组分升高，Mg激活能持续增加等诸多困难，改善高空穴浓度的P型掺杂的AlxGa1-xN材料一直难以获得的技术问题。
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为本发明实施例所提供的LED外延结构的结构示意图；
图2为本发明实施例所提供的LED外延结构的复合电流扩展层的能带示意图；
图3为本发明实施例所提供的LED外延结构的复合电流扩展层生长过程控制示意图；
图中符号说明：1、衬底，2、缓冲层，3、U-GaN层，4、N型半导体层，5、有源层，6、电子阻挡层，7、复合电流扩展层，7.1、空穴供给层，7.2、空穴势垒层，Ec、导带，Ev、价带。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例。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。
如图1所示，一种LED外延结构，包括：
衬底1；
位于所述衬底1表面的N型半导体层4；
位于所述N型半导体层4背离所述衬底1一侧的有源层5；
位于所述有源层5背离所述N型半导体层4一侧的复合电流扩展层7；
其中，所述复合电流扩展层7包括若干个由空穴供给层7.1及空穴势垒层7.2所组成的周期单元，且以所述空穴供给层7.1作为所述复合电流扩展层7的接触表面。
值得一提的是，衬底1的类型在本实施例中不受限制，例如，衬底1包括蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝中的任意一种。
在本申请的一个实施例中，所述空穴供给层7.1的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层7.2的禁带宽度。
其中，图2为本发明实施例提供的LED外延结构的复合电流扩展层7的能带示意图，且图2中的箭号方向表示指向N型半导体层4。
在本申请的一个实施例中，所述复合电流扩展层7应用于氮化镓基发光二极管，用于为所述氮化镓基发光二极管提供空穴并实现电流的横向扩展；且所述空穴供给层7.1包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层7.2包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
需要说明的是，空穴供给层7.1的Al组分x以及空穴势垒层7.2的Al组分y，在本申请中并不受限制，只要满足所述空穴供给层7.1的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层7.2的禁带宽度即可。
在本申请的一个实施例中，所述空穴供给层7.1包括Mg掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层7.2包括Si掺杂的AlyGa1-yN层。
在本申请的一个实施例中，所述空穴供给层7.1包括Mg掺杂的AlxGa1-xN层，且Mg的掺杂浓度包括5*1018-1*1020/cm3；所述空穴势垒层7.2包括Si掺杂的AlyGa1-yN层，且Si的掺杂浓度包括5*1017-5*1018/cm3。
在本申请的一个实施例中，所述复合电流扩展层7包括10个由所述空穴供给层7.1及空穴势垒层7.2所组成的周期单元，及设于最后一周期单元表面的独立空穴供给层7.1，所述独立空穴供给层7.1作为所述复合电流扩展层7的接触表面。
在本申请的一个实施例中，所述空穴供给层7.1厚度为10-50nm，包括端点值；所述空穴势垒层7.2的厚度为5-30nm，包括端点值。
在本申请的一个实施例中，在所述衬底1与所述N型半导体层4之间设有缓冲层2及U-GaN层3。
在本申请的一个实施例中，在所述有源区与所述复合电流扩展层7之间设有电子阻挡层6。
本申请实施例还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括：
提供衬底1；
在所述衬底1表面依次形成N型半导体层4、有源层5及复合电流扩展层7；
其中，所述复合电流扩展层7包括若干个由空穴供给层7.1及空穴势垒层7.2所组成的周期单元，且以所述空穴供给层7.1作为所述复合电流扩展层7的接触表面；
且，所述空穴供给层7.1的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层7.2的禁带宽度。
在本申请的一个实施例中，所述复合电流扩展层7应用于氮化镓基发光二极管，用于为所述氮化镓基发光二极管提供空穴并实现电流的横向扩展；且所述空穴供给层7.1包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层7.2包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
在本申请的一个实施例中，所述复合电流扩展层7的制备方法包括：
步骤S01、采用MOCVD设备，在预设温度和生长压力下，通过金属有机物化学气相沉积法，在外延结构表面生长空穴供给层7.1；所述空穴供给层7.1包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≤x＜1；
步骤S02、生长空穴势垒层7.2，所述空穴势垒层7.2包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤y＜1；
步骤S03、重复步骤S01至S02若干次，形成若干个由空穴供给层7.1及空穴势垒层7.2所组成的周期单元；
步骤S04、生长一独立的空穴供给层7.1作为所述复合电流扩展层7的接触表面，所述独立的空穴供给层7.1包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≤x＜1。
在本申请的一个实施例中，如图3所示，所述复合电流扩展层7的制备方法具体包括如下步骤：
步骤A01、采用MOCVD设备，设定反应腔内部的压强范围为300-600Torr，反应腔内的温度为900-1100摄氏度，向反应腔中通入三甲基铝(TMAL)、氨气(NH3)、三甲基镓(TMGa)以及二茂镁(Cp2Mg)，持续时间T1为5-300s；以形成所述空穴供给层7.1；
步骤A02、维持所述反应腔内的压强及温度，中断所述三甲基铝(TMAL)及三甲基镓(TMGa)的通入，且持续通入氨气(NH3)及二茂镁(Cp2Mg)，持续时间T2为1-50s；
步骤A03、维持所述反应腔内的压强及温度，向反应腔中通入三甲基铝(TMAL)、氨气(NH3)、三甲基镓(TMGa)以及硅烷(SiH4)，持续时间T3为5-300s；以形成所述空穴势垒层7.2；
步骤A04、重复步骤A01至S03若干次，形成若干个由空穴供给层7.1及空穴势垒层7.2所组成的周期单元；
步骤A05、维持所述反应腔内的压强及温度，向反应腔中通入三甲基铝(TMAL)、氨气(NH3)、三甲基镓(TMGa)以及二茂镁(Cp2Mg)，持续时间T1为5-300s；以形成一独立的空穴供给层7.1作为所述复合电流扩展层7的接触表面。
所述周期单元的个数为10个，且所述空穴供给层7.1厚度为10-50nm，包括端点值；所述空穴势垒层7.2的厚度为5-30nm，包括端点值。
经由上述的技术方案可知，本实施例提供的LED外延结构，在有源层5背离所述N型半导体层4一侧设有复合电流扩展层7，其中，所述复合电流扩展层7包括若干个由空穴供给层7.1及空穴势垒层7.2所组成的周期单元，且以所述空穴供给层7.1作为所述复合电流扩展层7的接触表面；进一步地，所述空穴供给层7.1的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层7.2的禁带宽度。使所述复合电流扩展层7在通过空穴供给层7.1提供空穴的同时，并通过空穴势垒层7.2形成有效空穴势垒高度，以此提高P型掺杂浓度，拉高材料在该区域的价带，进而有效提升电流的横向扩展能力。
本实施例还提供了一种LED外延结构的制备方法，在实现上述技术效果的同时，其操作简单，易于实现。同时，通过步骤A02中断所述三甲基铝及三甲基镓的通入，且持续通入氨气及二茂镁；可有效提高Mg原子的并入，以此提高P型掺杂浓度，拉高材料在该区域的价带，从而有效提升掺杂诱导的AlGaN材料的价带在该界面处形成的空穴势垒高度，进而有效提升电流的横向扩展能力；以解决P型掺杂的AlxGa1-xN材料在生长过程中，由于Mg原子的低受主掺杂物溶解度缺陷所引起的自补偿效应以及伴随Al组分升高，Mg激活能持续增加等诸多困难，改善高空穴浓度的P型掺杂的AlxGa1-xN材料一直难以获得的技术问题。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。
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物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种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，并不排除在包括上述要素的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申请。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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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 (9)
1.一种LED外延结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的N型半导体层；
位于所述N型半导体层背离所述衬底一侧的有源层；
位于所述有源层背离所述N型半导体层一侧的复合电流扩展层；
其中，所述复合电流扩展层包括若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，且以所述空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面；
所述复合电流扩展层应用于氮化镓基发光二极管，用于为所述氮化镓基发光二极管提供空穴并实现电流的横向扩展；且所述空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述空穴供给层的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层的禁带宽度。
3.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述空穴供给层包括Mg掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层包括Si掺杂的AlyGa1-yN层。
4.根据权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述空穴供给层包括Mg掺杂的AlxGa1-xN层，且Mg的掺杂浓度包括5*1018-1*1020/cm3；所述空穴势垒层包括Si掺杂的AlyGa1-yN层，且Si的掺杂浓度包括5*1017-5*1018/cm3。
5.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述复合电流扩展层包括10个由所述空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，及设于最后一周期单元表面的独立空穴供给层，所述独立空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面。
6.一种LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面依次形成N型半导体层、有源层及复合电流扩展层；
其中，所述复合电流扩展层包括若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元，且以所述空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面；
且，所述空穴供给层的禁带宽度小于或等于所述空穴势垒层的禁带宽度；
所述复合电流扩展层应用于氮化镓基发光二极管，用于为所述氮化镓基发光二极管提供空穴并实现电流的横向扩展；且所述空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，所述空穴势垒层包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤x＜1，0≤y＜1。
7.根据权利要求6所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述复合电流扩展层的制备方法包括：
步骤S01、采用MOCVD设备，在预设温度和生长压力下，通过金属有机物化学气相沉积法，在外延结构表面生长空穴供给层；所述空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≤x＜1；
步骤S02、生长空穴势垒层，所述空穴势垒层包括N型掺杂的AlyGa1-yN层；其中，0≤y＜1；
步骤S03、重复步骤S01至S02若干次，形成若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元；
步骤S04、生长一独立的空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面，所述独立的空穴供给层包括P型掺杂的AlxGa1-xN层，其中，0≤x＜1。
8.根据权利要求6所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述复合电流扩展层的制备方法具体包括如下步骤：
步骤A01、采用MOCVD设备，设定反应腔内部的压强范围为300-600Torr，反应腔内的温度为900-1100摄氏度，向反应腔中通入三甲基铝、氨气、三甲基镓以及二茂镁，持续时间为5-300s；以形成所述空穴供给层；
步骤A02、维持所述反应腔内的压强及温度，中断所述三甲基铝及三甲基镓的通入，且持续通入氨气及二茂镁，持续时间为1-50s；
步骤A03、维持所述反应腔内的压强及温度，向反应腔中通入三甲基铝、氨气、三甲基镓以及硅烷，持续时间为5-300s；以形成所述空穴势垒层；
步骤A04、重复步骤A01至S03若干次，形成若干个由空穴供给层及空穴势垒层所组成的周期单元；
步骤A05、维持所述反应腔内的压强及温度，向反应腔中通入三甲基铝、氨气、三甲基镓以及二茂镁，持续时间为5-300s；以形成一独立的空穴供给层作为所述复合电流扩展层的接触表面。
9.根据权利要求7或8所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述周期单元的个数为10个，且所述空穴供给层厚度为10-50nm，包括端点值；所述空穴势垒层的厚度为5-30nm，包括端点值。
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