CN114843384A - 一种发光二极管的外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种发光二极管的外延结构及其制备方法，发光二极管的外延结构包括：衬底；以及在衬底上依次堆叠的第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层，第一阻挡层和第二半导体层的掺杂类型彼此相反，其中，第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱以及第二半导体层分别进行碳掺杂，并且多量子阱层的碳掺杂浓度≤第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤第二阻挡层的碳掺杂浓度≤第二半导体层的碳掺杂浓度。本发明的发光二极管的外延结构及其制备方法，通过设置外延结构中各层的碳掺杂浓度的变化，降低电子注入多量子阱的速率，降低电子从多量子阱溢出几率，从而提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)具有节能环保、发光效率高、成本低、寿命长、波长范围(例如200nm～1100nm)涵盖广、尺寸小等特点，因此在传统照明领域，发光二极管已经完全替代白炽灯和荧光灯，成为普通家庭照明的光源。并且发光二极管还可以应用于Mini-LED、户内高分辨率显示屏、户外显示屏、手机背光、电视背光、笔记本电脑背光、家用灯具、路灯、车灯、手电筒等领域。
发光二极管通常采用氮化物半导体外延层，传统的氮化物半导体外延层通常采用异质衬底，异质衬底与氮化物外延层之间的晶格失配和热失配较大，从而产生较高的缺陷密度和极化效应，产生非辐射复合和电子波函数空间分离降低发光二极管的发光效率。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种发光二极管的外延结构及其制备方法，通过设置所述外延结构中各层的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度的变化，降低电子注入多量子阱层的速率，降低电子从多量子阱层溢出几率，从而提升发光二极管的发光效率。
本发明第一方面提供一种发光二极管的外延结构，包括：
衬底；以及
在所述衬底上依次堆叠的第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层，所述第一阻挡层和所述第二半导体层的掺杂类型彼此相反，
其中，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱以及第二半导体层分别进行碳掺杂，并且所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。
优选地，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层分别进行硅掺杂，并且所述硅掺杂浓度不同，所述第二半导体层进行镁掺杂。
优选地，所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
优选地，所述第一半导体层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一半导体层的硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3。
优选地，所述第一阻挡层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
优选地，所述第二阻挡层的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3；所述第二阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
优选地，所述多量子阱层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3；所述多量子阱层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3。
优选地，所述第二半导体层的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3；所述第二半导体层的镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
优选地，还包括非故意掺杂层，所述非故意掺杂层位于所述衬底和所述第一半导体层之间。
优选地，所述非故意掺杂层进行碳掺杂，且所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。
优选地，所述非故意掺杂层进行硅掺杂，且所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
优选地，所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至4E16cm-3；所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E20cm-3。
优选地，所述非故意掺杂层、第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、GaN/InN超晶格、GaN/AlN超晶格、InN/GaN超晶格、GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlInN超晶格，GaN/InGaN超晶格，GaN/AlInGaN超晶格，InGaN/AlGaN超晶格，InGaN/AlInN超晶格，InGaN/AlInGaN超晶格，AlGaN/AlInN超晶格，AlGaN/AlInGaN超晶格，AlInGaN/AlInGaN超晶格，InGaN/GaN浅量子阱，InGaN/AlGaN浅量子阱，InGaN/AlInGaN浅量子阱中的至少一种。
本发明的第二方面提供一种发光二极管的外延结构的制造方法，包括：在衬底上形成依次堆叠的第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层，所述第一阻挡层和所述第二半导体层的掺杂类型彼此相反；
其中，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱以及第二半导体层分别进行碳掺杂，并且所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。。
优选地，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层分别进行硅掺杂，并且所述硅掺杂浓度不同，所述第二半导体层进行镁掺杂。
优选地，所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
优选地，所述第一半导体层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一半导体层的硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3。
优选地，所述第一阻挡层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
优选地，所述第二阻挡层的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3；所述第二阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
优选地，所述多量子阱层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3；所述多量子阱层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3。
优选地，所述第二半导体层的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3；所述第二半导体层的镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
优选地，还包括非故意掺杂层，所述非故意掺杂层位于所述衬底和所述第一半导体层之间。
优选地，所述非故意掺杂层进行碳掺杂，且所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。
优选地，所述非故意掺杂层进行硅掺杂，且所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度
优选地，所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至4E16cm-3；所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E20cm-3。
优选地，所述非故意掺杂层、第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、GaN/InN超晶格、GaN/AlN超晶格、InN/GaN超晶格、GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlInN超晶格，GaN/InGaN超晶格，GaN/AlInGaN超晶格，InGaN/AlGaN超晶格，InGaN/AlInN超晶格，InGaN/AlInGaN超晶格，AlGaN/AlInN超晶格，AlGaN/AlInGaN超晶格，AlInGaN/AlInGaN超晶格，InGaN/GaN浅量子阱，InGaN/AlGaN浅量子阱，InGaN/AlInGaN浅量子阱中的至少一种。
本发明实施例提供的发光二极管的外延结构及其制备方法，在外延结构的各层中掺杂碳元素，可以提高发光二极管的抗静电能力以及提高发光二极管的发光效率。
进一步地，本发明通过设置所述外延结构中各层的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度的变化，降低电子注入多量子阱层的速率，降低电子从多量子阱层溢出几率，同时，提升空穴注入多量子阱层的速率，进而降低多量子阱层的电子空穴浓度差异，提升多量子阱层中的电子与空穴浓度一致性，防止产生非辐射复合，同时提升电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴复合效率，从而提升发光二极管的发光效率。
进一步地，外延结构中各半导体结构层的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度渐变式变化，以获得更好的电子和空穴的扩展，有利于电子和空穴在多量子阱层中的均匀分布。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了本发明第一实施例的发光二极管的外延结构的截面图；
图2示出了本发明第二实施例的发光二极管的外延结构的截面图；
图3示出了本发明第三实施例的发光二极管的截面图；
图4a和图4b示出了本发明第三实施例中发光二极管的外延结构中碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度的SIMS测试结果；
图5a和图5b示出了本发明第三实施例的发光二极管与现有技术中的发光二极管的封装亮度以及光效的对比结果；
图6a至图6b示出了本发明第三实施例的发光二极管制造过程中各个阶段的截面图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的器件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
现有技术中，由于衬底和外延层之间存在晶格失配和热失配，导致外延层产生较高的缺陷密度、极化反应，进而产生非辐射复合和电子波函数空间分离，进一步降低发光二极管的发光效率。具体地，由于外延层的空穴离化效率远低于电子离化效率，导致空穴浓度低于电子浓度1～2个数量级以上，过量的电子无法参与辐射复合而从多量子阱溢出至p型半导体产生非辐射复合；同时，空穴离化效率低会导致p型半导体的空穴浓度低且难以有效注入多量子阱中，导致空穴注入多量子阱的效率低；因此，多量子阱的电子空穴浓度差异大，电子空穴波函数交叠几率较低，电子空穴复合效率低，导致多量子阱的发光效率低。
本发明的第一方面提供一种发光二极管的外延结构，图1示出了本发明第一实施例的发光二极管的外延结构的截面图，如图1所示，所述发光二极管的外延结构包括：衬底110以及位于所述衬底110上依次堆叠的第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126。
所述衬底110包含但不限于镜面或微米级/纳米级图形化蓝宝石衬底中的一种，在优选的实施例中，所述衬底110例如为微米级图形化蓝宝石。在其他可替代的实施例中，所述衬底110还可以是氧化镓、氧化锌、镓酸锂、铝酸锂等。
第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126的材料为氮化物、三元混晶氮化物、四元混晶氮化物、超晶格结构、浅量子阱结构中的任意一种或任意组合。具体地，例如为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、GaN/InN超晶格、GaN/AlN超晶格、InN/GaN超晶格、GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlInN超晶格，GaN/InGaN超晶格，GaN/AlInGaN超晶格，InGaN/AlGaN超晶格，InGaN/AlInN超晶格，InGaN/AlInGaN超晶格，AlGaN/AlInN超晶格，AlGaN/AlInGaN超晶格，AlInGaN/AlInGaN超晶格，InGaN/GaN浅量子阱，InGaN/AlGaN浅量子阱，InGaN/AlInGaN浅量子阱中的任意一种或任意组合。
在一个具体地实施例中，所述第一半导体层122例如为第一掺杂类型(例如为N型)的氮化镓材料层，所述第二半导体层126例如为第二掺杂类型(例如为P型)的氮化镓材料层。所述多量子阱层125例如为多量子阱(MQW，multiple quantum well)结构层。其中，MQW多量子阱结构例如包括GaN/InN/AlN，但不限于此。
所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125以及所述第二半导体层126分别进行碳掺杂，并且，所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125以及所述第二半导体层126的碳掺杂浓度不同。具体地，所述多量子阱层125的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度≤第一半导体层122的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层126的碳掺杂浓度。
其中，所述多量子阱层125、第一阻挡层123、第一半导体层122、第二阻挡层124、第二半导体层126中的碳掺杂浓度按照渐变式梯度升高，或者，按照跃迁式梯度升高；其中，所述渐变式梯度升高中，碳掺杂浓度为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，碳掺杂浓度的变化值为固定数值。本实施例中，所述多量子阱层125、第一阻挡层123、第一半导体层122、第二阻挡层124、第二半导体层126中的碳掺杂浓度例如按照渐变式梯度升高。
进一步地，所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125分别进行硅掺杂，所述第二半导体层126进行镁掺杂。具体地，所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124以及所述多量子阱层125的硅掺杂浓度不同。本实施例中，所述多量子阱层125的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的硅掺杂浓度≤第一半导体层122的硅掺杂浓度。
其中，多量子阱层125、第一阻挡层123、第二阻挡层124、第一半导体层122的硅掺杂浓度按照渐变式梯度升高，或者，按照跃迁式梯度升高；其中，所述渐变式梯度升高中，碳掺杂浓度为依次连续变化的数值；所述跃迁式梯度变化中，碳掺杂浓度的变化值为固定数值。本实施例中，所述多量子阱层125、第一阻挡层123、第二阻挡层124、第一半导体层122中的硅掺杂浓度例如按照跃迁式梯度升高。
在一个具体地实施例中，所述第一半导体层122的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3；所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述多量子阱层125的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3，硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3；所述第二半导体层126的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3，镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
本发明的第二方面提供第一实施例的发光二极管的外延结构的制造方法。所述方法包括在衬底110上形成依次堆叠的第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126。
所述衬底110包含但不限于镜面或微米级/纳米级图形化蓝宝石衬底中的一种，在优选的实施例中，所述衬底110例如为微米级图形化蓝宝石。在其他可替代的实施例中，所述衬底110还可以是氧化镓、氧化锌、镓酸锂、铝酸锂等。
所述第一半导体层122例如为第一掺杂类型(例如为N型)的氮化镓材料层，所述第二半导体层126例如为第二掺杂类型(例如为P型)的氮化镓材料层。所述多量子阱层125例如为多量子阱(MQW，multiple quantum well)结构层。其中，MQW多量子阱结构例如包括GaN/InN/AlN，但不限于此。
所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125以及所述第二半导体层126分别进行碳掺杂，并且，所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125以及所述第二半导体层126的碳掺杂浓度不同。具体地所述多量子阱层125的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度≤第一半导体层122的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层126的碳掺杂浓度。所述多量子阱层125、第一阻挡层123、第一半导体层122、第二阻挡层124、第二半导体层126中的碳掺杂浓度按照渐变式梯度升高。
进一步地，所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125分别进行硅掺杂，所述第二半导体层126进行镁掺杂。具体地，所述第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124以及所述多量子阱层125的硅掺杂浓度不同。本实施例中，所述多量子阱层125的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的硅掺杂浓度≤所述第一半导体层122的硅掺杂浓度。
在一个具体地实施例中，所述第一半导体层122的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3；所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述多量子阱层125的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3，硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3；所述第二半导体层126的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3，镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
本发明的第三方面提供本发明第二实施例的发光二极管的外延结构，图2示出了本发明第二实施例的发光二极管的外延结构的截面图。与第一实施例不同的是，本实施例中，所述外延结构还包括非故意掺杂层121，所述非故意掺杂层121位于所述衬底110和所述第一半导体层122之间。
本实施例中，所述非故意掺杂层121例如氮化镓(GaN)材料层。
所述非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126分别进行碳掺杂，并且所述碳掺杂浓度不同。具体地，所述非故意掺杂层121的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层125的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度≤第一半导体层122的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层126的碳掺杂浓度。所述非故意掺杂层121、多量子阱层125、第一阻挡层123、第一半导体层122、第二阻挡层124、第二半导体层126中的碳掺杂浓度按照渐变式梯度升高。
进一步地，所述非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125分别进行硅掺杂，所述第二半导体层126进行镁掺杂。所述非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124以及所述多量子阱层125的硅掺杂浓度不同。具体地，所述非故意掺杂层121的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层125的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的硅掺杂浓度≤第一半导体层122的硅掺杂浓度。
在一个具体地实施例中，所述非故意掺杂层121的碳掺杂浓度为1E16cm-3至4E16cm-3，硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E20cm-3；所述第一半导体层122的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3；所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述多量子阱层125的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3，硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3；所述第二半导体层126的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3，镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
本发明的第四方面提供了本发明第二实施例的发光二极管的外延结构的制造方法，所述方法包括：在衬底110上形成依次堆叠的非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126。
所述非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126分别进行碳掺杂，并且所述碳掺杂浓度不同。具体地，所述非故意掺杂层121的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层125的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度≤第一半导体层122的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层126的碳掺杂浓度。所述非故意掺杂层121、多量子阱层125、第一阻挡层123、第一半导体层122、第二阻挡层124、第二半导体层126中的碳掺杂浓度按照渐变式梯度升高。
进一步地，所述非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124、所述多量子阱层125分别进行硅掺杂，所述第二半导体层126进行镁掺杂。所述非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、所述第二阻挡层124以及所述多量子阱层125的硅掺杂浓度不同。具体地，所述非故意掺杂层121的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层125的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的硅掺杂浓度≤第一半导体层122的硅掺杂浓度。
在一个具体地实施例中，所述非故意掺杂层121的碳掺杂浓度为1E16cm-3至4E16cm-3，硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E20cm-3；所述第一半导体层122的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3；所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3，硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3；所述多量子阱层125的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3，硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3；所述第二半导体层126的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3，镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
图3示出了本发明第三实施例的发光二极管的结构示意图，本实施例中，所述发光二极管为正装结构，但是不难理解，在其他实施例中，所述发光二极管还可以为倒装结构或者垂直结构。
如图3所示，所述发光二极管包括外延结构第一电极130以及第二电极140，其中，所述外延结构可以为第一实施例或者第二实施例中任意一种外延结构，本实施例以第二实施例中的外延结构为例进行说明。即所述外延结构包括在衬底110上依次堆叠的非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126。所述第一电极130和所述第一半导体层122电连接，所述第二电极140和所述第二半导体层126电连接。
其中，图4a和图4b示出了本发明第三实施例的发光二极管的外延结构中碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度的SIMS测试结果；其中图4a示出了非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124以及发光层125中的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度；图4b示出了第一阻挡层123、第二阻挡层124、发光层125以及第二半导体层126中的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度；如图4a和图4b所示，各半导体结构层的碳掺杂浓度和硅掺杂浓度不同。具体地，所述非故意掺杂层121的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层125的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的碳掺杂浓度≤第一半导体层122的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层126的碳掺杂浓度；并且所述非故意掺杂层121的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层125的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层123的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层124的硅掺杂浓度≤第一半导体层122的硅掺杂浓度。
图5a和图5b示出了本发明第三实施例的发光二极管的外延结构与现有技术中的发光二极管的外延结构的封装亮度以及光效的对比结果；其中，图5a为本发明第三实施例的发光二极管的外延结构与现有技术中的发光二极管的外延结构的封装亮度的对比结果，如图5a所示，在3A电流条件下，现有技术中的发光二极管的外延结构的封装亮度约为1121mW，本发明第三实施例的发光二极管的外延结构的封装亮度约为1382mW，本发明第三实施例的发光二极管的外延结构的封装亮度相对于现有技术中的发光二极管的外延结构的封装亮度提升了约23％。图5b为本发明第三实施例的发光二极管的外延结构与现有技术中的发光二极管的外延结构的光效的对比结果，如图5b所示，在3A电流条件下，现有技术中的发光二极管的外延结构的光效约为98.41lm/W，本发明第三实施例的发光二极管的外延结构的光效约为119.58lm/W，本发明第三实施例的发光二极管的外延结构的光效相对于现有技术中的发光二极管的外延结构的光效提升了约21％。
由上述结果可知，本发明实施例通过设置所述外延结构中各层的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度的变化，有效地提升了发光二极管的亮度和光效。
图6a和图6b示出了本发明第三实施例的发光二极管制造过程中各个阶段的截面图。
如图6a所示，在衬底110上形成依次堆叠的非故意掺杂层121、第一半导体层122、第一阻挡层123、第二阻挡层124、多量子阱层125以及第二半导体层126。
如图6b所示，刻蚀所述第二半导体层126、多量子阱层125、第二阻挡层124以及第一阻挡层123，暴露出所述第一半导体层122的表面。
进一步地，在所述第一半导体层122的表面形成第一电极130，以及在所述第二半导体层126的表面形成第二电极140，形成如图3所示的发光二极管。其中，所述第一电极130和所述第一半导体层122电连接，所述第二电极140和所述第二半导体层126连接。
本发明实施例提供的发光二极管的外延结构及其制备方法，在外延结构的各层中掺杂碳元素，可以提高发光二极管的抗静电能力以及提高发光二极管的发光效率。
进一步地，通过设置所述外延结构中各层的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度的变化，降低电子注入多量子阱层的速率，降低电子从多量子阱层溢出几率，同时，提升空穴注入多量子阱层的速率，进而降低多量子阱层的电子空穴浓度差异，提升多量子阱层中的电子与空穴浓度一致性，防止产生非辐射复合，同时提升电子空穴波函数的交叠几率和电子空穴复合效率，从而提升发光二极管的发光效率。
进一步地，外延结构中各半导体结构层的碳掺杂浓度以及硅掺杂浓度渐变式变化，以获得更好的电子和空穴的扩展，有利于电子和空穴在多量子阱层中的均匀分布。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (26)
1.一种发光二极管的外延结构，其特征在于，包括：
衬底；以及
在所述衬底上依次堆叠的第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层，所述第一阻挡层和所述第二半导体层的掺杂类型彼此相反，
其中，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱以及第二半导体层分别进行碳掺杂，并且所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层分别进行硅掺杂，并且所述硅掺杂浓度不同，所述第二半导体层进行镁掺杂。
3.根据权利要求2所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第一半导体层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一半导体层的硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3。
5.根据权利要求3所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第一阻挡层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
6.根据权利要求3所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第二阻挡层的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3；所述第二阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
7.根据权利要求3所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述多量子阱层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3；所述多量子阱层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3。
8.根据权利要求3所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第二半导体层的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3；所述第二半导体层的镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
9.根据权利要求1所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，还包括非故意掺杂层，所述非故意掺杂层位于所述衬底和所述第一半导体层之间。
10.根据权利要求9所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述非故意掺杂层进行碳掺杂，且所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。
11.根据权利要求10所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述非故意掺杂层进行硅掺杂，且所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
12.根据权利要求11所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至4E16cm-3；所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E20cm-3。
13.根据权利要求9所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述非故意掺杂层、第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、GaN/InN超晶格、GaN/AlN超晶格、InN/GaN超晶格、GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlInN超晶格，GaN/InGaN超晶格，GaN/AlInGaN超晶格，InGaN/AlGaN超晶格，InGaN/AlInN超晶格，InGaN/AlInGaN超晶格，AlGaN/AlInN超晶格，AlGaN/AlInGaN超晶格，AlInGaN/AlInGaN超晶格，InGaN/GaN浅量子阱，InGaN/AlGaN浅量子阱，InGaN/AlInGaN浅量子阱中的至少一种。
14.一种发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，包括：在衬底上形成依次堆叠的第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层，所述第一阻挡层和所述第二半导体层的掺杂类型彼此相反；
其中，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱以及第二半导体层分别进行碳掺杂，并且所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。。
15.根据权利要求14所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层分别进行硅掺杂，并且所述硅掺杂浓度不同，所述第二半导体层进行镁掺杂。
16.根据权利要求15所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
17.根据权利要求16所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述第一半导体层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一半导体层的硅掺杂浓度为1E19cm-3至1E20cm-3。
18.根据权利要求16所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述第一阻挡层的碳掺杂浓度为4E16cm-3至1E17cm-3；所述第一阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
19.根据权利要求16所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述第二阻挡层的碳掺杂浓度为3E17cm-3至5E18cm-3；所述第二阻挡层的硅掺杂浓度为5E17cm-3至1E19cm-3。
20.根据权利要求16所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述多量子阱层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至1E18cm-3；所述多量子阱层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E18cm-3。
21.根据权利要求16所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述第二半导体层的碳掺杂浓度为1E17cm-3至5E19cm-3；所述第二半导体层的镁掺杂浓度为1E18cm-3至5E21cm-3。
22.根据权利要求14所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，还包括非故意掺杂层，所述非故意掺杂层位于所述衬底和所述第一半导体层之间。
23.根据权利要求22所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述非故意掺杂层进行碳掺杂，且所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度≤所述多量子阱层的碳掺杂浓度≤所述第一阻挡层的碳掺杂浓度≤第一半导体层的碳掺杂浓度≤所述第二阻挡层的碳掺杂浓度≤所述第二半导体层的碳掺杂浓度。
24.根据权利要求23所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述非故意掺杂层进行硅掺杂，且所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度≤所述多量子阱层的硅掺杂浓度≤所述第一阻挡层的硅掺杂浓度≤所述第二阻挡层的硅掺杂浓度≤第一半导体层的硅掺杂浓度。
25.根据权利要求24所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述非故意掺杂层的碳掺杂浓度为1E16cm-3至4E16cm-3；所述非故意掺杂层的硅掺杂浓度为1E17cm-3至1E20cm-3。
26.根据权利要求14所述的发光二极管的外延结构的制造方法，其特征在于，所述非故意掺杂层、第一半导体层、第一阻挡层、第二阻挡层、多量子阱层以及第二半导体层为GaN、AlN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN、AlInGaN、GaN/InN超晶格、GaN/AlN超晶格、InN/GaN超晶格、GaN/AlGaN超晶格，GaN/AlInN超晶格，GaN/InGaN超晶格，GaN/AlInGaN超晶格，InGaN/AlGaN超晶格，InGaN/AlInN超晶格，InGaN/AlInGaN超晶格，AlGaN/AlInN超晶格，AlGaN/AlInGaN超晶格，AlInGaN/AlInGaN超晶格，InGaN/GaN浅量子阱，InGaN/AlGaN浅量子阱，InGaN/AlInGaN浅量子阱中的至少一种。
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