CN212848467U - 一种micro-LED外延结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种micro‑LED外延结构，其中micro‑LED外延结构包括衬底，以及所述衬底表面的n型半导体层、发光层、以及p型半导体层，所述发光层包括电子减速层、超晶格有源区、和空穴聚集层。上述结构能够简化外延生长结构并提高micro‑LED的出光效率，推进其在显示领域的应用。

Description

一种micro-LED外延结构

技术领域

本实用新型涉及发光二极管领域，尤其涉及一种micro-LED外延结构。

背景技术

GaN基的发光二极管(LED)因其发光层可以混合窄禁带的InGaN材料(对应长波长光)和宽禁带的AlGaN材料(对应短波长)，从而可实现全光谱的发光，被广泛应用于照明显示及其相关应用。随着技术的发展，LED芯片越来越趋向于微型化和集成化，Micro-LED随之诞生。附图1所示是现有技术外延结构示意图，主要由衬底、n型区、发光有源区和p型区组成。其中发光有源区用的是In(Al)GaN的多量子阱结构(MQW)，通过调制In(Al)组分，理论上可以实现整个可见光范围内的波长。具体的结构包括：蓝宝石等异质衬底、非掺杂GaN层、n型GaN层、前垒层(FB)、应力释放层(SRL)、影子量子阱(SMQW)、量子阱有源区(MQW-SZ)、电子阻挡层(EBL)和p型GaN层等。上述结构往往可以得到较高的出光效率，但是生长工序复杂多变，稳定性较难控制；由于多量子阱的阱垒厚度差异大，想要生长质量高，需要高低温分段生长，这样也会增加生长时间和成本；并且，在100微米以下的Micro-LED芯片尺寸，位错密度会急剧上升1～2个数量级，此时的缺陷密度引起的Shock-Read-Hall (SRH)非辐射复合将不容忽视，而多量子阱结构其本身开V型坑的特点，决定了其缺陷密度只会上升不会下降。

实用新型内容

本申请实用新型目的在于克服当前GaN基Micro-LED在以多量子阱为有源区、复杂的辅助外延层的结构，其生长工序复杂生长成本高、晶体质量差等弊端，造成对位错密度要求较高的Mirco-LED(特别是100微米以下芯片尺寸) 非辐射复合增加等不利因素。为解决上述问题，本实用新型涉及以超晶格(SL) 为发光有源区的相关外延结构，用电子减速层和空穴聚集层取代传统结构中以多量子阱为有源区的前后复杂的应力释放层和电子阻挡层，旨在简化外延生长结构，降低因芯片尺寸急剧变小、缺陷密度急剧上升引起的SRH非辐射复合和消弱极化场效应、增加载流子匹配，从而提高新型Micro-LED(特别100微米芯片尺寸以下)的出光效率，推进其在显示等领域的应用。

本实用新型提供了一种micro-LED外延结构，包括衬底，以及所述衬底表面的n型半导体层、发光层、以及p型半导体层，所述发光层包括电子减速层、超晶格有源区、和空穴聚集层。

进一步的，所述超晶格有源区包括多层交替生长的发光阱层和发光垒层。包括不少于30层彼此交替的InGaN发光阱层和GaN发光垒层，发光阱层的单层厚度区间为2～4nm，发光垒层的单层厚度区间为2～8nm，以形成小电流密度下的电子空穴的隧穿效应。

可选的，所述电子减速层的厚度大于100nm，空穴聚集层厚度小于30nm。

可选的，所述n型半导体层以及p型半导体层依次为n型GaN层以及p 型GaN层。

所述电子减速层为AlGaN材料或AlGaN/GaN的循环多层复合结构。所述空穴聚集层为InGaN材料或InGaN/GaN循环多层复合结构。

所述电子减速层为n型掺杂，掺杂浓度的范围在1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3，优选为5×10¹⁷cm^-3。

所述空穴聚集层为P型掺杂，掺杂浓度范围在1×10²¹～5×10²¹cm^-3，优选为1×10²¹cm^-3。

可选的，电子减速层可以选用元素周期表第ⅣA族或第ⅥA族元素中的一种或多种进行掺杂；可选的，电子减速层可采用Si掺杂；

可选的，所述空穴聚集层可以选用元素周期表第ⅡA族元素中的一种或多种进行掺杂；可选的，所述空穴聚集层为Mg掺杂。

在n型半导体层后单独引入了电子减速层，通过调制Al组分和n型掺杂浓度，实现电子的分配和降速。通过降低电子进入有源区的速度，并在多层结构的超晶格中逐渐释放势能，以提高其隧穿的几率，减少电子越过有源区产生溢出。超晶格有源区可以调制应力场，在低电流密度注入下减少压电极化效应，增加电子和空穴波函数重叠和辐射复合几率。为了增加空穴在有源区的分布，在有源区后接了空穴聚集层，增强P型区域的空穴，减少电子阻挡层对空穴的负面影响，进一步增强p型也是为了增加空穴在有源区的分布概率，由于空穴的质量较多迁移率较慢，更适合在超晶格下隧穿运行，此区域的势垒较低、空穴浓度极高，成为p型层向有源区输送空穴的“中继站”，加强超晶格内的隧穿效应，以提高有源区内各层空穴的有效数量和分布。

附图说明

附图1所示是现有技术中一种GaN基micro-LED外延结构示意图。

附图2所示是本具体实施方式所述micro-LED结构的示意图。

附图3上方为现有技术中一种GaN基micro-LED外延结构的能带图谱，下方为对应的载流子浓度分布图。

附图4上方为本实用新型的micro-LED外延结构的能带图谱，下方为对应的载流子浓度分布图。

附图5是本具体实施方式所述micro-LED外延结构和对比组结构的光致发光图谱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的micro-LED外延结构的具体实施方式做详细说明。

附图2所示是本具体实施方式所述micro-LED结构的示意图，包括衬底 20，以及所述衬底20表面的非掺杂半导体层21、n型半导体层22、发光层、以及p型半导体层24，所述发光层包括电子减速层(EDL)231、超晶格有源区 (SL-SZ)232、和空穴聚集层(HGL)233。

在本具体实施方式中，所述衬底为蓝宝石衬底，在其他的具体实施方式中，该衬底也可以是GaN自支撑衬底，极性和非极性均可。所述非掺杂半导体层、 n型半导体层、发光层、以及p型半导体层依次为非掺杂GaN层、n型GaN 层、发光层、以及p型GaN层，所述发光层包括电子减速层、超晶格有源区、和空穴聚集层。

所述电子减速层为Si掺杂的AlGaN材料，或者Si掺杂的AlGaN/GaN的循环多层复合结构。Si掺杂浓度的范围在1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3，优选为5× 10¹⁷cm^-3。所述空穴聚集层为Mg掺杂的InGaN材料，或者Mg掺杂的InGaN/GaN 的循环多层复合结构。Mg的掺杂浓度范围在1×10²¹～5×10²¹cm^-3，优选为1 ×10²¹cm^-3。

超晶格有源区包括多层彼此交替的In(Al)GaN发光阱层和(Al)GaN发光垒层，优选不小于30层。发光阱层的单层厚度区间为2～4nm，发光垒层的单层厚度区间为2～8nm，以形成小电流密度下的电子空穴的隧穿效应。

在其他的具体实施方式中，所述超晶格发光有源区层还可包含浅阱和发光阱(深阱)，即浅阱可做电子的前级捕获，增加发光阱的隧穿效应。其超晶格阱垒层不限于InGaN/GaN，还包含(Al)GaN/AlGaN、InAlN/GaN等材料配对形式，发光波长覆盖全光谱系。

图3上方为现有技术中一种GaN基micro-LED外延结构的能带图谱，下方为对应的载流子浓度分布图。可见，有源区为多量子阱的外延结构需要较为复杂的前后辅助结构层去配合，当芯片缩小到Micro-LED尺寸时，电流密度变低，nGaN与MQW之间的那些外延层的作用将被减弱，量子阱中的电子、空穴波函数空间分离会加剧。电子相比空穴，不论是浓度还是迁移率，都要高出 1～2个数量级。在上述极化场效应影响下，多量子阱的有源区结构中，电子被最后一个阱捕获的概率上升。即发光复合只在最后1个阱内发生，载流子的匹配变差，内量子效率降低。从图3下方的载流子浓度分布图，可以直观的看到，除了最后一个阱外，其他阱的载流子浓度都不匹配。除此之外，电子阻挡层 (EBL)除了对溢出电子起到阻挡作用外，同时也是把双刃剑，对空穴起到了限制作用，减少了少子空穴进入有源区与电子复合。

对比图4上方为本实用新型的micro-LED外延结构的能带图谱，下方为载流子浓度分布图。在小电流注入下，选用超晶格作为发光有源区，而超晶格有源区其本身自带调制应力的功能，省去了多量子阱有源区前复杂的结构层；并且，超晶格具有减少压电极化效应，其隧穿效应增加了电子和空穴波函数重叠和辐射复合几率，保证了一定的内量子效率。在本实用新型中，在超晶格有源区的前部加入电子减速层(EDL)，以降低电子进入有源区的速度，并在多层结构的超晶格中逐渐释放势能，以提高其隧穿的几率，减少电子越过有源区产生溢出，省去电子阻挡层(EBL)，而相应的改为空穴聚集层(HGL)。这样做的好处是增强P型区域的空穴，减少电子阻挡层对空穴的负面影响，进一步增强p 型也是为了增加空穴在有源区的分布概率，由于空穴的质量较多迁移率较慢，更适合在超晶格下隧穿运行，此区域的势垒较低、空穴浓度极高，成为p型层向有源区输送空穴的“中继站”，加强超晶格内的隧穿效应，以提高有源区内各层空穴的有效数量和分布。

附图5是本具体实施方式结构和对比组结构的光致发光图谱。LEDI是上述本具体实施方式所述的micro-LED结构，LEDII是现有技术的micro-LED 结构。均制成15μm×30μm的发光芯片，通入50uA的驱动电流。在小电流注入下，两者的发光波长在475nm左右，属于蓝光显示波段，而LEDII的出光效率与LEDI基本相当。而LEDI的有源区由于使用的是多量子阱结构，在约437nm波段存在一个小峰，这是影子量子阱的对应位置，控制不佳会引起双峰。而LEDII的谱线则只有一个波峰，且较为清晰，发光强度不低显示了此结构导致的隧穿控制较好，提高了内量子效率与出光效率。说明了用超晶格作为有源区的可行性，简化了结构而没有降低器件的性能。

上述结构的生长可以采用MOCVD技术。在生长电子减速层和空穴聚集层的工艺中，为了提高出光效率，需要满足如下生长条件：所述外延生长电子减速层的温度大于外延生长空穴聚集层的温度；所述外延生长电子减速层的气压小于外延生长空穴聚集层的气压。

具体的说，在生长完nGaN之后，电子减速层为高温(900-1100度)、低压(50-200毫巴)，生长AlGaN时Al组分范围是15-75％；空穴聚集层的为中温(750-850℃)、高压(600-1000毫巴)、生长InGaN时In组分范围是15-75％In 组分(50-150％)。

例如，生长电子减速层，材料为AlGaN，生长温度1030度，生长压力100 毫巴，厚度约为100nm，气相Al组分为50％，Si的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3。接着生长超晶格有源区，采用100个循环InGaN/GaN的结构。其中，InGaN 层为发光阱层，生长温度750度，生长压力300毫巴，厚度为3nm，In组分为 15％。GaN层为发光垒层，生长温度为850度，压力300毫巴不变，厚度约为 3nm，整个循环总厚度600nm。空穴聚集层的生长温度为850度，生长压力800 毫巴，主要为InGaN层，厚度为20nm，Mg的掺杂浓度为1×10²¹cm^-3，其他 n型GaN层和p型GaN层的生长条件可以采用常规的生长条件。采用上述工艺比图1现有技术中的LED结构生长时间较少20％，生长成本降低30％。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种micro-LED外延结构，包括衬底，以及所述衬底表面的n型半导体层、发光层、以及p型半导体层，其特征在于，所述发光层包括电子减速层、超晶格有源区、和空穴聚集层。

2.根据权利要求1所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述超晶格有源区包括多层交替生长的发光阱层和发光垒层。

3.根据权利要求2所述的micro-LED外延结构，其特征在于，包括不少于30层彼此交替的InGaN发光阱层和GaN发光垒层，发光阱层的单层厚度区间为2～4nm，发光垒层的单层厚度区间为2～8nm，以形成小电流密度下的电子空穴的隧穿效应。

4.根据权利要求1所述的micro-LED外延结构，其特征在于，电子减速层的厚度大于100nm，空穴聚集层厚度小于30nm。

5.根据权利要求1所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述n型半导体层以及p型半导体层依次为n型GaN层以及p型GaN层。

6.根据权利要求5所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述电子减速层为n型掺杂的AlGaN层或n型掺杂的AlGaN/GaN循环多层复合结构。

7.根据权利要求6所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述电子减速层采用元素周期表第ⅣA族或第ⅥA族元素中的一种或多种进行掺杂。

8.根据权利要求7所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述电子减速层为Si掺杂。

9.根据权利要求5所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述空穴聚集层为P型掺杂的InGaN材料或P型掺杂的InGaN/GaN循环多层复合结构。

10.根据权利要求9所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述空穴聚集层采用元素周期表第ⅡA族元素中的一种或多种进行掺杂。

11.根据权利要求10所述的micro-LED外延结构，其特征在于，所述空穴聚集层采用Mg掺杂。

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