CN113793887A - Led外延结构及其制备方法、led芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片及其制备方法，所述LED外延结构包括：生长衬底；电流扩展层，设置于所述生长衬底的上方，所述电流扩展层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，所述第一子层的带隙高于所述第二子层的带隙；外延层，设置于所述第二子层的上方，且所述外延层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。本发明的电流扩展层能够增加电流的横向扩散能力，提高LED外延结构的亮度以及抗静电能力，改善LED外延结构的正向电压，有利于器件的可靠性。

Description

LED外延结构及其制备方法、LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片及其制备方法。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode)是一种能将电能直接转换为光能的半导体器件，属于固态冷光源。LED固有物理特性使其能够在低电压/电流下工作，具有发光效率高、体积小、寿命长、节能等特点。因此，LED现已成为交通显示、医疗照明、军事通信等领域的核心发光器件。目前，随着多年的技术研究开发，红光LED芯片技术日渐成熟。

红光LED芯片一般由AlGaInP(铝镓铟磷)四元材料制备而成，红光LED的外延技术主要是GaAs衬底上外延生长AlGaInP材料。由于AlGaInP与GaAs之间的晶格匹配度较好，因此外延生长过程中产生的位错较少，AlGaInP材料内部的量子效率超过95％。但是，目前红光外延结构由于电流横向扩展较差容易产生电流拥挤效应，这既制约发光面积的利用率又导致芯片局部温度升高，加快芯片的老化速度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种LED外延结构及其制备方法、LED芯片及其制备方法，以改善电流横向扩展较差的问题。

为了实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED外延结构，包括：

生长衬底；

电流扩展层，设置于生长衬底的上方，电流扩展层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，第一子层的带隙高于第二子层的带隙；

外延层，设置于第二子层的上方，且外延层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。

可选地，第一子层的厚度小于第二子层的厚度。

可选地，第一子层的厚度介于0.5μm～1.5μm，第二子层的厚度介于1.5μm～3μm。

可选地，电流扩展层的材料为(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1，0≤Y≤1；第一子层中Al含量大于第二子层中Al的含量。

可选地，第一子层的材料中Al的含量介于0.5～0.7，第二子层的材料中Al的含量介于0.25～0.4。

可选地，第一子层的材料为Al_0.6Ga_0.4InP，第二子层的材料为Al_0.3Ga_0.7InP。

可选地，外延层的第一半导体层和有源层之间设置有第一扩散阻挡层，第二半导体层和有源层之间设置有第二扩散阻挡层，第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层分别用于阻挡第一半导体层和第二半导体内的掺杂元素扩散至有源层内。

可选地，LED外延结构辐射红光。

本发明还提供一种LED芯片，包括：

基板；

外延层，位于基板的上方，外延层在基板的厚度方向上依次包括第二半导体层、有源层和第一半导体层；

电流扩展层，位于第一半导体层的上方，且电流扩展层在基板的厚度方向上依次包括第二子层和第一子层，第一子层的带隙高于第二子层的带隙。

可选地，第一子层在远离基板的一侧形成有粗化结构，粗化结构的深度小于或等于第一子层的厚度。

可选地，第一子层的厚度小于第二子层的厚度。

可选地，电流扩展层的材料为(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，第一子层中Al的含量大于第二子层中Al的含量。

可选地，外延层的第一半导体层和有源层之间设置有第一扩散阻挡层，第二半导体层和有源层之间设置有第二扩散阻挡层，第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层分别用于阻挡第一半导体层和第二半导体内的掺杂元素扩散至有源层内。

本发明还提供一种LED外延结构的制备方法，包括：

提供一生长衬底；

在生长衬底的第一表面的上方形成电流扩展层，电流扩展层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，第一子层的带隙高于第二子层的带隙；

在第二子层的上方形成外延层，外延层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。

本发明还提供一种LED芯片的制备方法，包括：

提供生长衬底；

在生长衬底上方形成电流扩展层，电流扩展层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，第一子层的带隙高于第二子层的带隙；

在第二子层的上方形成外延层，外延层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；

在第二半导体层的上方形成基板，然后去除生长衬底。

与现有技术相比，本发明所述的LED外延结构及其制备方法、LED芯片及其制备方法至少具备如下有益效果：

本发明所述的LED外延结构在生长衬底与外延层之间设置有电流扩展层，该电流扩展层包括第一子层和第二子层，其中，第一子层的带隙高于第二子层的带隙，由于电流扩展层中高低势垒差的设置，能够增加电流的横向扩散能力，提高LED外延结构的亮度以及抗静电能力，改善LED外延结构的正向电压，有利于器件的可靠性。

进一步地，本发明所述的LED外延结构中的外延层在第一半导体层和有源层之间设置有第一扩散阻挡层，第二半导体层和有源层之间设置有第二扩散阻挡层，第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层分别用于阻挡第一半导体层和第二半导体内的掺杂元素扩散至有源层内，进而能够防止有源层的发光效果受到影响，能够进一步提高LED外延结构的亮度。

本发明所述LED外延结构的制备方法、LED芯片及其制备方法均包括上述LED外延结构，同样能够实现上述效果。并且，由于外延结构中电流扩展层的设置，本发明中的LED的芯片无需设置金属扩展条以提升电流扩展性，进而避免了金属扩展条对于外延层发出光的吸收，进一步提高了LED芯片的发光效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中所述的LED外延结构的结构示意图；

图2为本发明实施例2中所述LED芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例2中所述LED芯片的结构示意图；

图4为本发明实施例3所述的LED外延结构的制备方法流程图。

图5为本发明实施例4所述的LED芯片的制备方法流程图。

附图标记列表：

100 生长衬底

101 第一缓冲层

102 刻蚀牺牲层

200 电流扩展层

201 第一子层

202 第二子层

300 外延层

301 第一半导体层

302 第一扩散阻挡层

303 有源层

304 第二扩散阻挡层

305 第二半导体层

400 第二缓冲层

500 GaP层

600 基板

701 第一电极

702 第二电极

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

须知，本发明实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

实施例1

本实施例提供一种LED外延结构，参照图1，该LED外延结构包括：生长衬底100；电流扩展层200，设置于生长衬底100的上方，电流扩展层200在生长衬底100的厚度方向上依次包括第一子层201和第二子层202，第一子层201的带隙高于第二子层202的带隙；外延层300，设置于第二子层202的上方，该外延层300在生长衬底100的厚度方向上依次包括第一半导体层301、有源层303和第二半导体层305。其中，本发明中的电流扩展层200包括第一子层201和第二子层202，第一子层201的带隙高于第二子层202的带隙，该带隙高低的设置，能够迫使电流在电流扩展层200增加横向电流扩展能力，有助于LED外延结构的亮度的提升及改善LED外延结构的抗静电能力及正向电压。

具体地，参照图1，生长衬底100的材料包括但不限于GaAs，在本实施例中以GaAs生长衬底100为例。

电流扩展层200设置于生长衬底100的上方。可选地，在生长衬底100与电流扩展层200之间还设置有第一缓冲层101、刻蚀牺牲层102；该第一缓冲层101用于消除生长衬底100晶格缺陷对外延层300的影响。刻蚀牺牲层102用于后续化学刻蚀的截止层。可选地，刻蚀牺牲层102为N型刻蚀牺牲层102，材料为N-GaInP。电流扩展层200的材料为(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，一般地，厚度介于2～4μm。该电流扩展层200包括第一子层201和第二子层202，该第一子层201的带隙高于第二子层202的带隙，由于电流在第一子层201中的扩散较慢，在传导至第二子层202中时，高低带隙差迫使电流横向扩展，达到提升LED亮度以及改善抗静电性能的作用。可选地，第一子层201中Al的含量大于第二子层202中Al的含量；为了防止电流扩展层易氧化以及容易吸光的现象，第一子层201的材料中Al的含量介于0.5～0.7，第二子层202的材料中Al的含量介于0.25～0.4。在本实施例中，第一子层201的材料为Al_0.6Ga_0.4InP，第二子层202的材料为Al_0.3Ga_0.7InP。可选地，第一子层201的厚度小于第二子层202的厚度，能够在保证适当降低正向电压，提高LED外延结构的亮度。可选地，第一子层201的厚度介于0.5μm～1.5μm，第二子层202的厚度介于1.5μm～3μm。该第二子层的厚度范围及组分比例的设置能够较大程度的避免该电流扩展层的吸光，实现较高的LED亮度及较佳的正向电压。在本实施例中，第一子层201的厚度为1.5μm，第二子层202的厚度为2μm。

电流扩展层200的上方设置有外延层300，该外延层300依次包括第一半导体层301、有源层303和第二半导体层305。在本实施例中，第一半导体层301为N型限制层，材料为N-AlInP，可以提供进行复合发光的电子；第二半导体层305为P型限制层，材料为P-AlInP，可以提供进行复合发光的空穴。有源层303为单量子阱或多量子阱，其材料组成为AlGaInP，可以进行电子和空穴的复合发光，在本实施例中，半导体外延结构辐射红光。并且，由于第一半导体层301也为高带隙层，与第一子层201和第二子层202形成高低高的势垒形式，能够进一步增加电流扩展能力，提高LED亮度及抗静电性能。

在可选实施例中，外延层300的第一半导体层301和和有源层303之间设置有第一扩散阻挡层302，第二半导体层305和有源层303之间设置有第二扩散阻挡层304，第一扩散阻挡层302和第二扩散阻挡层304分别用于阻挡第一半导体层301和第二半导体内的掺杂元素扩散至有源层303内，由于第一扩展阻挡层302和第二扩散阻挡层304属于无掺杂的空间区域，能够防止有源层303的发光效果受到影响，造成LED的亮度及可靠性变差。可选地，第一扩散阻挡层302和第二扩散阻挡层304的组成材料分别与第一半导体层301、第二半导体层305的材料相同。

可选地，在外延层300的第二半导体层305的上方还设置有GaP层500，该GaP层500用于对电流的扩展。可选地，在GaP层500和第二半导体层305之间还设置有第二缓冲层400，该第二缓冲层400用于消除GaP层500与第二半导体层305之间的晶格常数差异，起到过度衔接的作用。

本实施例所述的LED外延结构通过电流扩展层中第一子层与第二子层之间的势垒差的设置，能够在增加电流扩展的同时，改善正向电压，提高LED外延结构的亮度及抗静电性能。

实施例2

本实施例提供一种LED芯片，该LED芯片包括基板600；外延层300，位于基板600的上方，该外延层300在基板600的厚度方向上依次包括第二半导体层305、有源层303和第一半导体层301；电流扩展层200，位于第一半导体层301的上方，该电流扩展层200基板600的厚度方向上依次包括第二子层202和第一子层201，且第一子层201的带隙高于第二子层202的带隙。

具体地，参照图2，基板600具有相对设置的第一表面和第二表面，外延层300形成于基板600的第一表面上，该基板600可以为SiC衬底、Ge衬底或蓝宝石衬底等。当第二电极702形成于基板600的第二表面上时，基板600为导电衬底。在本实施例中，在基板600与外延层300之间设置有GaP层500。

在GaP层500的上方设置有外延层300。可选地，为了消除外延层300与GaP层500之间的晶格常数差异，一般还会在GaP层500与外延层300之间还设置有第二缓冲层400。外延层300依次包括第二半导体层305、有源层303和第一半导体层301。本实施例中外延层300中的第二半导体层305、有源层303和第一半导体层301与实施例1中的相同，在此不再一一赘述。

在外延层300的上方设置有电流扩展层200，该电流扩展层200依次包括第二子层202和第一子层201。本实施例中电流扩展层200中的第一子层201及第二子层202与实施例1中的相同，在此不再一一赘述。

在第一子层201的表面上还形成有第一电极701，第一子层201在远离基板600的一侧形成有粗化结构，该粗化结构形成于除第一子层201与第一电极701接触面以外的表面上，粗化结构的深度小于等于第一子层201的厚度。在较高势垒的第一子层的表面进行粗化，有利于LED芯片的粗化效果，同时将第一子层201设置为0.5～1.5μm，获得粗化深度为0.5～1.5μm的粗化结构，该粗化结构更有利于LED的出光效果。

在基板600的第二表面上还形成有第二电极702，此时芯片形成为垂直型结构，参照图2。在可选实施例中，在外延层300上刻蚀有台阶结构，该台阶结构暴露GaP层500，在台阶结构上暴露的GaP层500上形成第二电极702，此时，芯片形成为水平型结构，参照图3。

本实施例所述的LED芯片包括实施例1中的LED外延结构，同样能够在增加电流扩展的同时，改善正向电压，提高LED外延结构的亮度及抗静电性能。此外，由于本实施例中的高低势垒层的设置能够增加电流的横向扩展，因而无需在电极与电流扩展层之间形成金属扩展条，避免了金属扩展条对于光的吸收，提高了发光效率，同时节省了制造工艺及成本。采用本实施例所述LED芯片进行测试可得，LED芯片的亮度能够提高10％，正向电压降低5％，抗静电能力提升20％。

实施例3

本实施例提供一种LED外延结构的制备方法，参见图4。具体步骤包括：

S101：提供一生长衬底；

具体地，同样参照图1，提供一生长衬底100，该生长衬底具有相对设置的第一表面和第二表面，生长衬底100的材料包括但不限于GaAs，在本实施例中以GaAs生长衬底100为例。

在生长衬底100的第一表面上依次形成第一缓冲层101、刻蚀牺牲层102，具体地可以采用化学气相沉积的方法依次沉积。其中，刻蚀牺牲层102为N型刻蚀牺牲层102，材料为N-GaInP。

S102：在生长衬底的上方形成电流扩展层，电流扩展层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，第一子层的带隙高于第二子层的带隙；

具体地，参照图1，在生长衬底100的刻蚀牺牲层102的上方形成电流扩展层200，具体地，首先在刻蚀牺牲层102沉积第一子层201，然后在第一子层201上沉积第二子层202。

S103：在第二子层的上方形成外延层，外延层在生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。

具体地，参照图1，采用化学气相沉积法在第二子层202的表面上形成外延层300，外延层300依次形成第一半导体层301、有源层303和第二半导体层305。在可选地实施例中，形成外延层300包括：依次在第二子层202的表面上沉积第一半导体层301、第一扩散阻挡层302、有源层303、第二扩散阻挡层304和第二半导体层305。

在形成外延层300之后，在外延层300的第二半导体层305的表面依次沉积第二缓冲层400和GaP层500，获得如图1所示的外延结构。

本实施例所述的LED外延结构的制备方法通过第一子层与第二子层之间的势垒差的设置，能够在增加电流扩展的同时，改善正向电压，提高LED外延结构的亮度及抗静电性能。

实施例4

本实施例还提供一种LED芯片的制备方法，参照图5，该步骤除包括上述实施例3中的步骤S101～S103之外，还包括：

S104：在第二半导体层的上方形成基板，然后去除生长衬底。

具体地，参照图2或3，在GaP层500上形成金属键合层(图中未示出)，并将金属键合层键合至基板600的第一表面上。

采用机械研磨方式对生长衬底100进行减薄，并采用湿法刻蚀方式去除生长衬底100及第一缓冲层101，刻蚀停止在刻蚀牺牲层102，采用湿法刻蚀的方法去除刻蚀牺牲层102，并暴露第一子层201。

在第一子层201的部分表面上形成第一电极701。在本实施例中，第一电极701为N电极。在形成第一电极701之后，图案化裸露的第一子层201的表面，使得裸露的第一子层201的表面形成粗化结构，且该粗化结构的深度小于或等于第一子层201的厚度。由于第一子层201中的Al的含量较高，因而能够保证粗化效果。

在基板600的第二表面上形成第二电极702，第二电极702为P电极，形成垂直型的芯片结构，如图2所示。在可选实施例中，在外延层300上刻蚀有台阶结构，该台阶结构暴露GaP层500，在台阶结构上暴露的GaP层500上形成第二电极702，形成水平型的芯片结构，如图3所示。

本实施例所述的LED芯片的制备方法包括实施例1中的LED外延结构，同样能够在增加电流扩展的同时，改善正向电压，提高LED外延结构的亮度及抗静电性能。此外，由于本实施例中的高低势垒层的设置能够增加电流的横向扩展，因而无需在电极与电流扩展层之间形成金属扩展条，避免了金属扩展条对于光的吸收，提高了发光效率，同时节省了制造工艺及成本。

综上，本发明所述的LED外延结构在生长衬底与外延层之间设置有电流扩展层，该电流扩展层包括第一子层和第二子层，其中，第一子层的带隙高于第二子层的带隙，由于电流扩展层中高低势垒差的设置，能够增加电流的横向扩散能力，提高LED外延结构的亮度以及抗静电能力，改善LED外延结构的正向电压，有利于器件的可靠性。

进一步地，本发明所述的LED外延结构中的外延层在第一半导体层和有源层之间设置有第一扩散阻挡层，所述第二半导体层和有源层之间设置有第二扩散阻挡层，所述第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层分别用于阻挡第一半导体层和第二半导体内的掺杂元素扩散至所述有源层内，进而能够防止有源层的发光效果受到影响，能够进一步提高LED外延结构的亮度。

本发明所述LED外延结构的制备方法、LED芯片及其制备方法均包括上述LED外延结构，同样能够实现上述效果。并且，由于外延结构中电流扩展层的设置，本发明中的LED的芯片无需设置金属扩展条以提升电流扩展性，进而避免了金属扩展条对于外延层发出的光的吸收，进一步提高了LED芯片的发光效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种LED外延结构，其特征在于，包括：

生长衬底；

电流扩展层，设置于所述生长衬底的上方，所述电流扩展层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，所述第一子层的带隙高于所述第二子层的带隙；

外延层，设置于所述第二子层的上方，且所述外延层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。

2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的厚度小于所述第二子层的厚度。

3.根据权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的厚度介于0.5μm～1.5μm，所述第二子层的厚度介于1.5μm～3μm。

4.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述电流扩展层的材料为(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1，0≤Y≤1；所述第一子层中Al的含量大于所述第二子层中Al的含量。

5.根据权利要求4所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的材料中Al的含量介于0.5～0.7，所述第二子层的材料中Al的含量介于0.25～0.4。

6.根据权利要求5所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一子层的材料为Al_{0。 6}Ga_0.4InP，所述第二子层的材料为Al_0.3Ga_0.7InP。

7.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述外延层的第一半导体层和有源层之间设置有第一扩散阻挡层，所述第二半导体层和有源层之间设置有第二扩散阻挡层，所述第一扩散阻挡层和第二扩散阻挡层分别用于阻挡第一半导体层和第二半导体内的掺杂元素扩散至所述有源层内。

8.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构辐射红光。

9.一种LED芯片，其特征在于，包括：

基板；

外延层，位于所述基板的上方，所述外延层在所述基板的厚度方向上依次包括第二半导体层、有源层和第一半导体层；

电流扩展层，位于所述第一半导体层的上方，且所述电流扩展层在所述基板的厚度方向上依次包括第二子层和第一子层，所述第一子层的带隙高于所述第二子层的带隙。

10.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述第一子层在远离所述基板的一侧形成有粗化结构，所述粗化结构的深度小于或等于所述第一子层的厚度。

11.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述第一子层的厚度小于所述第二子层的厚度。

12.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述电流扩展层的材料为(Al_XGa_1-X)_YIn_1-YP，其中0≤X≤1，0≤Y≤1，所述第一子层中Al的含量大于所述第二子层中Al的含量。

13.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述外延层的第一半导体层和有源层之间设置有第一扩散阻挡层，第二半导体层和有源层之间设置有第二扩散阻挡层，所述第一扩散阻挡层和所述第二扩散阻挡层分别用于阻挡所述第一半导体层和所述第二半导体内的掺杂元素扩散至所述有源层内。

14.一种LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括：

提供一生长衬底；

在所述生长衬底的上方形成电流扩展层，所述电流扩展层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，所述第一子层的带隙高于所述第二子层的带隙；

在所述第二子层的上方形成外延层，所述外延层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。

15.一种LED芯片的制备方法，其特征在于，包括：

提供生长衬底；

在所述生长衬底的上方形成电流扩展层，所述电流扩展层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一子层和第二子层，所述第一子层的带隙高于所述第二子层的带隙；

在所述第二子层的上方形成外延层，所述外延层在所述生长衬底的厚度方向上依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；

在所述第二半导体层的上方形成基板，然后去除生长衬底。

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