CN114864769A - 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，所述LED外延结构从下至上依次包括位于衬底上的底部缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层、有源层以及第二型半导体层，所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层、第二型限制层、应变缓冲层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层，且所述应变缓冲层为(AlxGa1‑x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1‑y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。本发明通过生长应变缓冲层可以提高外延结构的晶体质量，进而降低LED器件的工作电压，提高其发光效率。
Description
技术领域
本发明的技术方案属于LED外延生长技术领域，具体涉及一种LED外延结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材质，可以直接将电能转换为光能。近年来LED因其具有耗电低、寿命长、体积小以及节能环保等优点得到了广泛的应用，尤其是随着金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长技术的成熟，以砷化镓(GaAs)为代表的红光LED得到迅速发展，并开始大规模商用化。
LED外延结构的晶体质量对于LED器件的性能起着至关重要的作用，高晶体质量的LED外延结构可以使用其制成的LED器件获得更低的工作电压以及发光效率。目前，市场上的AlGaInP基红光LED器件一般会在其外延结构中生长一层GaP作为电流扩展层，用以提高LED器件工作时的电流扩展效果。对于LED器件，尤其是大尺寸LED器件，电流扩展效果很大程度上影响了LED器件的性能，电流扩展层的晶体质量差会造成电流扩展不均匀，导致局部电流密度过大，结温过高，使得LED器件的工作电压大幅度升高，发光效率及寿命极大降低，因此电流扩展层的晶体质量的高低对LED性能的影响非常大。但电流扩展层和衬底之间存在较大的晶格失配，而晶格失配在外延生长过程中会引入失配应力，失配应力的产生导致外延结构中缺陷增多，严重削弱LED器件的各项性能。并且当外延结构与衬底之间存在较大的晶格失配时，衬底的表面自由能小于外延结构的表面与界面能之和，且衬底与外延结构之间的键能不是很高的情况下，衬底表面无法形成浸润层，从而导致三维岛状的出现，之后继续生长变为柱状岛，造成外延结构表面粗糙。而且较大晶格失配下外延结构所产生的位错缺陷如果没有进行有效的抑制，位错缺陷就会随着外延生长一直向上运动直至外延结构表面，降低晶体质量，严重影响LED器件的性能。
因此，有必要提供一种LED外延结构及其制备方法来降低晶格失配应力、减少缺陷，以提高外延结构的晶体质量和载流子的辐射复合几率，进而降低LED器件的工作电压，提高其发光效率。
发明内容
本发明提供了LED外延结构及其制备方法，以提高外延结构的晶体质量，进而提高LED器件的发光效率以及降低LED器件的工作电压。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种LED外延结构，所述LED外延结构从下至上依次包括位于衬底上的底部缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层、有源层以及第二型半导体层，所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层、第二型限制层、应变缓冲层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层，且所述应变缓冲层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述应变缓冲层为单周期结构或者多周期结构。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述应变缓冲层的每个周期的结构包括依次堆叠的第一结构层、第二结构层以及第三结构层，其中所述第一结构层的材质包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P；所述第二结构层的材质包括GaP；所述第三结构层的材质包括(AlyGa1-y)0.5In0.5P。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述应变缓冲层的厚度为50nm～120nm，其中所有周期中的所述第一结构层的总厚度为10nm～30nm，所有周期中的所述第二结构层的总厚度为30nm～60nm，所有周期中的所述第三结构层的总厚度为10nm～30nm。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一结构层、第二结构层以及第三结构层中均掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度均为1E18cm-3～5E18 cm-3。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一结构层和第三结构层中的Al组分渐变。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一结构层中的Al组分沿着所述第一结构层的生长方向逐渐减少。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第三结构层中的Al组分沿着所述第三结构层的生长方向逐渐减少。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一型半导体层包括第一型欧姆接触层、第一型窗口层、第一型限制层以及第一型阻挡层，且所述第一型欧姆接触层位于所述腐蚀截止层与所述第一型窗口层之间，所述第一型阻挡层位于所述第一限制层与所述有源层之间。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述衬底包括GaAs衬底或Si衬底。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种LED外延结构的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长底部缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层和有源层；
在所述有源层上生长第二型半导体层，所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层、第二型限制层、应变缓冲层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层，且所述应变缓冲层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述应变缓冲层为单周期结构或者多周期结构。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述应变缓冲层的每个周期的结构包括依次堆叠的第一结构层、第二结构层以及第三结构层，其中所述第一结构层的材质包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P；所述第二结构层的材质包括GaP；所述第三结构层的材质包括(AlyGa1-y)0.5In0.5P。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述应变缓冲层的厚度为50nm～120nm，其中所有周期中的所述第一结构层的总厚度为10nm～30nm，所有周期中的所述第二结构层的总厚度为30nm～60nm，所有周期中的所述第三结构层的总厚度为10nm～30nm。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一结构层、第二结构层以及第三结构层中均掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度均为1E18cm-3～5E18 cm-3。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一结构层和第三结构层中的Al组分渐变。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一结构层中的Al组分沿着所述第一结构层的生长方向逐渐减少。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第三结构层中的Al组分沿着所述第三结构层的生长方向逐渐减少。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一型半导体层包括第一型欧姆接触层、第一型窗口层、第一型限制层以及第一型阻挡层，且所述第一型欧姆接触层位于所述腐蚀截止层与所述第一型窗口层之间，所述第一型阻挡层位于所述第一限制层与所述有源层之间。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
可选的，在所述的LED外延结构的制备方法中，所述衬底包括GaAs衬底或Si衬底。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明在第二型限制层与所述第二型电流扩展层之间增加应变缓冲层，可以使所述第二型限制层与所述第二型电流扩展层之间晶格失配导致的应力集中在所述应变缓冲层中，进而使得所述第二型限制层与所述第二型电流扩展层具有较好的晶格匹配，提高所述第二型电流扩展层的晶体质量。同时，由于所述LED外延结构各层交替处于压应力和张应力下，使得位错弯曲并向各层延伸，而所述应变缓冲层可以作为位错延伸的阻碍层，使各层的位错减少，可以减少裂纹的产生，提高晶体质量，进而提高LED器件的发光效率以及降低LED器件的工作电压。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例的LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明一实施例的应变缓冲层的结构示意图；
图3是本发明一实施例的LED外延结构的制备方法的流程图；
其中图1～图2中：
100-衬底，101-底部缓冲层，102-腐蚀截止层，103-第一型欧姆接触层，104-第一型窗口层，105-第一型限制层，106-第一型阻挡层，107-有源层，108-第二型阻挡层，109-第二型限制层，110-应变缓冲层，1101-第一结构层，1102-第二结构层，1103-第三结构层，111-第二型电流扩展层，112-第二型欧姆接触层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的LED外延结构及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在对按照本发明的实施方式进行说明之前，事先对下述内容进行说明。首先，在本说明书中，仅标记为“AlInP”时，表示Al、In的总和与P的化学组成比为1：1，Al与In的比率不固定的任意的化合物；仅标记为“GaInP”时，表示Ga、In的总和与P的化学组成比为1：1，Ga与In的比率不固定的任意的化合物。
图1是本实施例的LED外延结构的结构示意图。参阅图1，所述LED外延结构从下至上依次包括位于衬底100上的底部缓冲层101、腐蚀截止层102、第一型半导体层、有源层107以及第二型半导体层，所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层108、第二型限制层109、应变缓冲层110、第二型电流扩展层111以及第二型欧姆接触层112，且所述应变缓冲层110为(AlxGa1-x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。
所述第一型半导体层从下至上依次包括第一型欧姆接触层103、第一型窗口层104以及第一型限制层105，且所述第一型窗口层104为Al组分渐变的结构层。所述第一型半导体层还包括第一型阻挡层106，且所述第一型阻挡层106位于所述第一型限制层105与所述有源层107之间。
所述第一型半导体层与所述第二型半导体层的极性相反，例如，所述第一型半导体层为n型半导体层，则对应的所述第二型半导体层为p型半导体层。相应的，所述n型半导体层包括依次堆叠的n型欧姆接触层、n型窗口层、n型限制层以及n型阻挡层。所述p型半导体层包括依次堆叠的p型阻挡层、p型限制层、应变缓冲层、p型电流扩展层以及p型欧姆接触层。所述第一型阻挡层106与第二型阻挡层108为无掺杂层。
参阅图3，所述LED外延结构的制备方法具体包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底100；
步骤S2：在所述衬底100上依次生长底部缓冲层101、腐蚀截止层102、第一型半导体层和有源层107；
步骤S3：在所述有源层107上生长第二型半导体层，且所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层108、第二型限制层109、应变缓冲层110、第二型电流扩展层111以及第二型欧姆接触层112，且所述应变缓冲层110为(AlxGa1-x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。
所述LED外延结构的制备工艺为金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)工艺、分子束外延(MBE)工艺或超高真空化学气相沉积(UHVCVD)中的任意一种，优选为MOCVD工艺。以下具体实施例中以MOCVD工艺为例进行说明。
在步骤S1中，所述衬底100优选为GaAs(砷化镓)衬底，也可以为Si(硅)衬底，但不限于此。
在步骤S2中，在所述衬底100上生长底部缓冲层101。所述底部缓冲层101能够最大限度的消除衬底100的表面缺陷对LED外延结构的影响，减少LED外延结构出现缺陷和位错，并为下一步生长提供了平整的界面。所述底部缓冲层101的材质优选为GaAs，但不限于此。所述底部缓冲层101中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(Si)、碲(Te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为Si。
所述底部缓冲层101的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长100nm～400nm厚度的底部缓冲层101。优选地，生长200nm厚度的底部缓冲层101。
在生长所述底部缓冲层101之后，在所述底部缓冲层101上生长腐蚀截止层102。所述腐蚀截止层102的材质优选为GaInP，但不限于此。所述腐蚀截止层102中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(Si)、碲(Te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为Si。
所述腐蚀截止层102的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长150nm～300nm厚度的腐蚀截止层102。优选地，生长200nm厚度的腐蚀截止层102。
在生长所述腐蚀截止层102之后，在所述腐蚀截止层102上生长第一型半导体层。所述第一型半导体层从下至上依次包括第一型窗口层104和第一型限制层105，且所述第一型窗口层104为Al组分渐变的结构层。
所述第一型半导体层还可以包括第一型欧姆接触层103，且所述第一型欧姆接触层103位于所述腐蚀截止层102与所述第一型窗口层104之间。
因此，在生长所述腐蚀截止层102之后，在所述腐蚀截止层102上生长所述第一型欧姆接触层103。所述第一型欧姆接触层103的材质可以为AlGaInP或GaAs，优选为GaAs，但不限于此。所述第一型欧姆接触层103中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(Si)、碲(Te)中的一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为Si。
所述第一型欧姆接触层103的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长40nm～150nm厚度的第一型欧姆接触层103。优选地，生长90nm厚度的第一型欧姆接触层103。
在生长所述第一型欧姆接触层103之后，在所述第一型欧姆接触层103上生长所述第一型窗口层104。所述第一型窗口层104主要的作用是第一型电流扩展、出光以及表面粗化。因为该层主要为了电流扩展以及表面粗化，而Al组分渐变使其更容易粗化，可减少光在LED外延结构内部的多次反射，使光线从内部折射出来，因此，所述第一型窗口层104的Al组分渐变可以提高出光效率。而且所述第一型窗口层104的Al组分渐变改善了电流扩展，使电流更容易扩展出去，不会聚集在电极下方，同时Al组分渐变也可以使其势垒降低，因此，所述第一型窗口层104可以降低LED器件的工作电压。
所述第一型窗口层104的材质优选为AlGaInP，掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(Si)、碲(Te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为Si。所述第一窗口层104的AlGaInP中Al组分生长方式为渐变方式，其渐变方式为：沿着所述第一窗口层104的生长方向Al组分由0.15渐变至0.45再渐变至0.15。即沿着所述第一窗口层104的生长方向所述第一窗口层104由(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P渐变至(Al0.45Ga0.55)0.5In0.5P再渐变至(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P。优选的，所述(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P渐变至(Al0.45Ga0.55)0.5In0.5P与(Al0.45Ga0.55)0.5In0.5P渐变至(Al0.15Ga0.85)0.5In0.5P的厚度一致，均为所述第一窗口层104的二分之一厚度，有利于降低电压、提升亮度。所述第一型窗口层104的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长1μm～5μm厚度的第一型窗口层104。优选地，生长2μm厚度的第一型窗口层104。
在生长所述第一型窗口层104之后，在所述第一型窗口层104上生长所述第一型限制层105。所述第一型限制层105的材质优选为AlInP，但不限于此。所述第一型限制层105中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(Si)、碲(Te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为Si。
所述第一型限制层105的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长100nm～500nm厚度的第一型限制层105。优选地，生长300nm厚度的第一型限制层105。
在生长所述第一型限制层105之后，在所述第一型限制层105上生长所述第一型阻挡层106。所述第一型阻挡层106的材质优选为AlGaInP，但不限于此。所述第一型阻挡层106中无掺杂。
在生长所述第一型阻挡层106之后，在所述第一型阻挡层106上生长所述有源层107。所述有源层107优选为多量子阱结构，即所述有源层107优选为量子阱和量子垒组成的周期性结构，且所述有源层107的周期数优选为6～18。所述有源层107的组成材质优选为AlGaInP与GaInP，其中量子阱的材质优选为GaInP，量子垒材质优选为AlGaInP。所述有源层107的厚度为90nm～500nm，优选为150nm。
所述有源层107的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长6～18个周期的有源层107。例如，生长6个周期的有源层107。
在步骤S3中，在生长所述有源层107之后，在所述有源层107上生长第二型半导体层。所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层108、第二型限制层109、应变缓冲层110、第二型窗口层111和第二型欧姆接触层112。
因此，在生长所述有源层107之后，在所述有源层107上生长第二型阻挡层108，所述第二型阻挡层108的材质优选为AlGaInP，但不限于此。所述第二型阻挡层108中无掺杂。
所述第二型阻挡层108的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长100nm～300nm厚度的第二型阻挡层108。优选地，生长200nm厚度的第二型阻挡层108。
在生长所述第二型阻挡层108之后，在所述第二型阻挡层108上生长第二型限制层109。所述第二型限制层109用于提供空穴。而且所述第一型限制层105和所述第二型限制层109作为限制层主要有两个作用，一方面是限制少数载流子不溢出有源层107，提高复合发光效率；另一方面是作为一个重要的窗口，使有源层107发出的光子极容易通过限制层，来提高LED器件的发光效率。
所述第二型限制层109的材质优选为AlInP，但不限于此。所述第二型限制层109中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(Mg)、锌(Zn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第二型掺杂剂优选为Mg。
所述第二型限制层109的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长150nm～500nm厚度的第二型限制层109。优选地，生长300nm厚度的第二型限制层109。
在生长所述第二型限制层109之后，在所述第二型限制层109上生长应变缓冲层110。所述应变缓冲层110包括第一结构层1101、第二结构层1102以及第三结构层1103组成的单周期或者多周期结构，即所述应变缓冲层110为单周期结构或者多周期结构，且每个周期的结构包括依次堆叠的第一结构层1101、第二结构层1102以及第三结构层1103。若所述应变缓冲层110为多周期结构，其周期由周期数k决定，范围为2～10。
参阅图1，所述应变缓冲层110的厚度优选为50nm～120nm。所述第一结构层1101的材质优选为(AlxGa1-x)0.5In0.5P，x的范围为0.10≤x≤0.50，且所有周期中的所述第一结构层1101的总厚度为10nm～30nm，例如所有周期中的所述第一结构层1101的总厚度为25nm。所述第二结构层1102的材质优选为GaP，且所有周期中的所述第二结构层1102的总厚度为30nm～60nm，例如所有周期中的所述第二结构层1102的总厚度为50nm。所述第三结构层1103的材质为(AlyGa1-y)0.5In0.5P，y的范围为0.05≤y≤0.10，且所有周期中的所述第三结构层1103的总厚度为10nm～30nm，例如所有周期中的所述第三结构层1103的总厚度为20nm。
所述应变缓冲层110中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(Mg)、锌(Zn)中的至少一种，但不限于此。即所述第一结构层1101、第二结构层1102以及第三结构层1103中均掺杂第二型掺杂剂，且所述第一结构层1101、第二结构层1102以及第三结构层1103中掺杂的第二型掺杂剂的浓度优选相同。进一步地，所述第二型掺杂剂优选为Mg，例如所述第一结构层1101、第二结构层1102以及第三结构层1103中均掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度均为1E18cm-3～5E18 cm-3。
所述应变缓冲层110生长方法为先生长第一结构层1101，再生长第二结构层1102，接着再生长第三结构层1103。若所述应变缓冲层110为多周期结构，则依据上述生长方法循环生长，循环周期由周期数k决定。
所述应变缓冲层110的第一结构层1101生长在第二限制层109上，由于AlGaInP材质的晶格常数与AlInP材质的晶格常数相近，属于晶格匹配范围，因此可以在第二型限制层109上生长出质量高的第一结构层1101，且两者所承受的应力很小。
所述应变缓冲层110包括Al组分渐变的结构层，具体的，所述第一结构层1101和所述第三结构层1103中的Al组分渐变。所述第一结构层1101中的Al组分渐变范围在0.10～0.50之间，所述第三结构层1103中的Al组分渐变范围在0.05～0.1之间，所述的第一结构层1101和所述第三结构层1103中的Al组分渐变且不同的作用是利用Al组分不同导致能带势垒不同，形成一个缓变的势垒，从而降低LED器件的工作电压。
所述第一结构层1101中的Al组分沿着所述第一结构层1101的生长方向逐渐减少，例如所述第一结构层1101中的Al组分渐变方式为：沿着所述第一结构层1101的生长方向由(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P渐变至(Al0.10Ga0.9)0.5In0.5P。在其他实施例中，Al组分的渐变范围可以改变，只需要Al组分沿着所述第一结构层1101的生长方向逐渐减少，且Al组分的渐变范围在0.10～0.50之间即可，再例如沿着所述第一结构层1101的生长方向由(Al0.4Ga0.6)0.5In0.5P渐变至(Al0.10Ga0.9)0.5In0.5P。
所述第三结构层1103中的Al组分沿着所述第三结构层1103的生长方向逐渐减少，例如所述第三结构层1103中的Al组分渐变方式为：沿着所述第三结构层1103的生长方向由(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P渐变至(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P。在其他实施例中，Al组分的渐变范围可以改变，只需要Al组分沿着所述第三结构层1103的生长方向逐渐减少，且Al组分的渐变范围在0.05～0.1之间即可，再例如沿着所述第三结构层1103的生长方向由(Al0.08Ga0.92)0.5In0.5P渐变至(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P。
所述第一结构层1101的材质为Al组分渐变的AlGaInP，其与所述第二结构层1102的材质GaP的晶格常数相差较大，会产生较大的失配应力。同时所述第三结构层1103的材质也为Al组分渐变的AlGaInP，该层也会对所述第二结构层1102的材质GaP产生失配应力，第一结构层1101和第二结构层1102因晶格常数产生的应力以及第二结构层1102与第三结构层1103因晶格常数产生的应力均会被所述第二结构层1102吸收，形成一个应力吸收层。即所述第二结构层1102两侧均为同种材质，例如所述第二结构层1102的两侧的材质均为AlGaInP，与所述第二结构层1102的GaP会因为晶格常数不同导致晶格形变产生应力，产生的应力均会施加在所述第二结构层1102中，被所述第二结构层1102吸收。同理，第二结构层1102与第三结构层1103以及第三结构层1103与第二型电流扩展层111之间产生的应力也会被第三结构层1103吸收，形成应力吸收层。即所述第三结构层1103两侧也均为同种材质，例如所述第三结构层1103的两侧的材质均为GaP，与所述第三结构层1103的AlGaInP会因为晶格常数不同导致晶格形变产生应力，产生的应力均会施加在所述第三结构层1103中，被所述第三结构层1103吸收。形成的两层应力吸收层起到了应力缓冲的作用，从而使得第二型电流扩展层111的晶体质量得到提升。
由于GaP晶格常数为5.45与GaAs的晶格常数5.65及AlInP的晶格常数5.67失配，失配度约为3.58％，属于大失配，因此若无应力缓冲层110，所述第二型限制层109的AlInP和第二型电流扩展层111的GaP之间存在较大的晶格失配，会产生较大的失配应力，所述第二型电流扩展层111的GaP的晶体质量会较差，同时失配产生的应力会拉扯撕裂外延结构，也会使得其他外延结构的缺陷增多，晶体质量变差，最终使得LED器件性能下降，例如LED器件的高温老化稳定性变差。而LED器件的高温老化稳定性变差的主要原因是：晶体质量差，外延缺陷增多，非辐射复合中心也会增多，则形成非辐射复合概率提高，而非辐射复合不会产生光子，而是产生热能，LED器件中热能的提高会导致结温升高，使得LED器件工作在额定温度之上，加速其老化光衰，因此LED器件的高温老化稳定性会比较差。
而所述第一结构层1101和第三结构层1103的AlGaInP中Al组分为渐变生长，其晶格常数均与AlInP匹配，例如(Al0.5Ga0.5)0.5In0.5P、(Al0.1Ga0.9)0.5In0.5P和(Al0.05Ga0.95)0.5In0.5P的晶格常数均与所述第二型限制层109的AlInP匹配，因此所述应力缓冲层110可以很好的生长在所述第二型限制层109的AlInP上。在原有的结构中插入AlGaInP、GaP和AlGaInP组成的结构作为生长所述第二型电流扩展层111的GaP的应力缓冲层后，失配导致的应力完全集中在了应变缓冲层110中，压缩了晶格，使得所述第二型限制层109的AlInP和所述第二型电流扩展层111的GaP有较好的晶格匹配，可以生长出高晶体质量的所述第二型电流扩展层111。
而且在所述第一结构层1101的AlGaInP与第三结构层1103的AlGaInP之间插入第二结构层1102的GaP，使得第二型电流扩展层111的GaP与第二型限制层109的AlInP之间形成了两个应力吸收层，减少因所述第二型电流扩展层111的GaP与第二型限制层109的AlInP之间产生的应力对外延结构的拉扯，减少外延结构缺陷数量，提高了外延结构的晶体质量，进而提高了LED器件的发光效率、降低LED器件的工作电压，以及提高LED器件的高温老化稳定性。同时，因为外延结构各层交替处于压应力和张应力下，使得位错弯曲，并且向各层蔓延，而应力缓冲层110中的两层AlGaInP之间插入的GaP可以阻断应力拉扯产生的位错向其他外延结构蔓延，减少外延缺陷的产生，提高外延结构的晶体质量，即所述应力缓冲层110可以作为位错扩展阻碍层，使各层位错减少，阻止因晶格失配造成的裂纹。
此外，所述应变缓冲层110因其三层结构的存在，使得其内部存在一定的弹性形变，影响到其能带结构，尤其是价带，由于应变势的引入，使得重空穴和轻空穴带分离，降低空穴的有效质量，减少态密度，降低LED器件的阈值电流。
在生长所述应变缓冲层110之后，在所述应变缓冲层110上生长第二型电流扩展层111。所述第二型电流扩展层111用于电流扩展，防止电流在LED器件中分布不均匀。所述第二型电流扩展层111的材质优选为GaP，但不限于此。第二型电流扩展层111的掺杂源优选为Mg，但不限于此。
所述第二型电流扩展层111的优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长300nm～900nm厚度。优选地，生长600nm厚度的第二型电流扩展层111。
在生长所述第二型电流扩展层111之后，在所述第二型电流扩展层111上生长所述第二型欧姆接触层112。所述第二型欧姆接触层112用于与金属电极形成欧姆接触。所述第二型欧姆接触层112的材质优选为GaP，但不限于此。所述第二型欧姆接触层112中可以掺杂碳(C)。
所述第二型欧姆接触层112的生长优选为在MOCVD生长炉的反应室内生长100nm～250nm厚度的第二型欧姆接触层112。优选地，生长200nm厚度的第二型欧姆接触层112。
本发明在第二型限制层与所述第二型电流扩展层之间增加应变缓冲层，可以使所述第二型限制层与所述第二型电流扩展层之间晶格失配导致的应力完全集中在所述应变缓冲层中，进而使得所述第二型限制层与所述第二型电流扩展层具有较好的晶格匹配，提高所述第二型电流扩展层的晶体质量。同时，由于所述LED外延结构各层交替处于压应力和张应力下，使得位错弯曲并向各层延伸，而所述应变缓冲层可以作为位错延伸的阻碍层，使各层的位错减少，可以减少裂纹的产生，提高晶体质量，进而提高LED器件的发光效率以及降低LED器件的工作电压。
此外，可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材质、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”引述意味着对一个或多个步骤的引述，并且可能包括次级步骤。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。
Claims (22)
1.一种LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构从下至上依次包括位于衬底上的底部缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层、有源层以及第二型半导体层，所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层、第二型限制层、应变缓冲层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层，且所述应变缓冲层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。
2.如权利要求1所述的LED外延结构，所述应变缓冲层为单周期结构或者多周期结构。
3.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，所述应变缓冲层的每个周期的结构包括依次堆叠的第一结构层、第二结构层以及第三结构层，其中所述第一结构层的材质包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P；所述第二结构层的材质包括GaP；所述第三结构层的材质包括(AlyGa1-y)0.5In0.5P。
4.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述应变缓冲层的厚度为50nm～120nm，其中所有周期中的所述第一结构层的总厚度为10nm～30nm，所有周期中的所述第二结构层的总厚度为30nm～60nm，所有周期中的所述第三结构层的总厚度为10nm～30nm。
5.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一结构层、第二结构层以及第三结构层中均掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度均为1E18cm-3～5E18cm-3。
6.如权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一结构层和第三结构层中的Al组分渐变。
7.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一结构层中的Al组分沿着所述第一结构层的生长方向逐渐减少。
8.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第三结构层中的Al组分沿着所述第三结构层的生长方向逐渐减少。
9.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一型半导体层包括第一型欧姆接触层、第一型窗口层、第一型限制层以及第一型阻挡层，且所述第一型欧姆接触层位于所述腐蚀截止层与所述第一型窗口层之间，所述第一型阻挡层位于所述第一限制层与所述有源层之间。
10.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
11.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述衬底包括GaAs衬底或Si衬底。
12.一种LED外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上依次生长底部缓冲层、腐蚀截止层、第一型半导体层和有源层；
在所述有源层上生长第二型半导体层，所述第二型半导体层从下至上依次包括第二型阻挡层、第二型限制层、应变缓冲层、第二型电流扩展层以及第二型欧姆接触层，且所述应变缓冲层为(AlxGa1-x)0.5In0.5P、GaP和(AlyGa1-y)0.5In0.5P组成的结构层，其中0.10≤x≤0.50，0.05≤y≤0.10。
13.如权利要求12所述的LED外延结构的制备方法，所述应变缓冲层为单周期结构或者多周期结构。
14.如权利要求13所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述应变缓冲层的每个周期的结构包括依次堆叠的第一结构层、第二结构层以及第三结构层，其中所述第一结构层的材质包括(AlxGa1-x)0.5In0.5P；所述第二结构层的材质包括GaP；所述第三结构层的材质包括(AlyGa1-y)0.5In0.5P。
15.如权利要求14所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述应变缓冲层的厚度为50nm～120nm，其中所有周期中的所述第一结构层的总厚度为10nm～30nm，所有周期中的所述第二结构层的总厚度为30nm～60nm，所有周期中的所述第三结构层的总厚度为10nm～30nm。
16.如权利要求14所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一结构层、第二结构层以及第三结构层中均掺杂Mg，且Mg的掺杂浓度均为1E18cm-3～5E18cm-3。
17.如权利要求14所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一结构层和第三结构层中的Al组分渐变。
18.如权利要求17所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一结构层中的Al组分沿着所述第一结构层的生长方向逐渐减少。
19.如权利要求17所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第三结构层中的Al组分沿着所述第三结构层的生长方向逐渐减少。
20.如权利要求12所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一型半导体层包括第一型欧姆接触层、第一型窗口层、第一型限制层以及第一型阻挡层，且所述第一型欧姆接触层位于所述腐蚀截止层与所述第一型窗口层之间，所述第一型阻挡层位于所述第一限制层与所述有源层之间。
21.如权利要求12所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
22.如权利要求12所述的LED外延结构的制备方法，其特征在于，所述衬底包括GaAs衬底或Si衬底。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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