TWI671919B - 發光二極體外延片及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及一種發光二極體外延片。所述發光二極體外延片包括藍寶石襯底、依次覆蓋在所述藍寶石襯底的C面上的緩衝層、N型半導體層、發光活性層和P型半導體層。所述發光活性層包括至少一層量子阱結構。每層量子阱結構包括量子阱區、漸變區、高鋁區以及阻擋區。所述阻擋區覆蓋並連接所述高鋁區，所述P型半導體層覆蓋並連接所述阻擋區。所述漸變區的材質為鋁摻雜或銦摻雜的氮化鎵，且鋁或銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性變化。本發明還提供一種所述發光二極體外延片的製造方法。
Description
本發明涉及一種發光元件，特別涉及一種發光二極體外延片及其製造方法。
發光二極體因具有生產成本低、結構簡單、低能耗低污染、體積小及容易安裝等優勢被大量用於照明光源及顯示技術中。
一般的發光二極體包括藍寶石基板、以及依次生長在藍寶石基板上的N型半導體層、發光活性層和P型半導體層，以及設置在P型半導體層和N型半導體層上的P電極和N電極。
在發光二極體的製造過程中，一般為在藍寶石(sapphire)基板的C面上生長InGaN/GaN薄膜，而InGaN/GaN為六角柱結構，其在InGaN/GaN介面上具有自發性極化與壓電性極化效應，會使InGaN/GaN能帶產生傾斜，進而影響到載子在空間上的分佈，讓電子與電洞的波函數在空間上形成分離的現象，最後使得電子與電洞的複合速率下降，降低了內部量子效率，LED發光強度也隨之減弱進而影響其發光效能，此在學術上稱為量子限制斯塔克效應(Quantum Confined Stark Effect,QCSE)。此外，由於InGaN/GaN結構存在內建極化電場，不僅進一步增加能帶的傾斜的程度，外加電壓的上升以及載子大量的注入，易造成電子會集中在靠近P型半導體層的量子阱，大量注入的載子也將逐漸超過量子阱的局限能力，過量的電子就會溢流出量子阱，而失去量子阱局限的電子將會直接往P型半導體層移動或係透過缺陷躍遷，造成能有效輻射複合的載子數量減少。
有鑒於此，有必要提供一種品質優良且出光效率高的發光二極體外延片及其製造方法。
一種發光二極體外延片，其包括藍寶石襯底、依次覆蓋在所述藍寶石襯底的C面上的緩衝層、N型半導體層、發光活性層和P型半導體層，所述發光活性層包括至少一層量子阱結構，每層量子阱結構包括量子阱區、漸變區、高鋁區以及阻擋區，所述阻擋區覆蓋並連接所述高鋁區，所述P型半導體層覆蓋並連接所述阻擋區，所述漸變區的材質為鋁摻雜或銦摻雜的氮化鎵，且鋁或銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性變化。
一種發光二極體外延片的製造方法，包括如下步驟：提供一藍寶石襯底，在所述藍寶石襯底的C面上依次覆蓋形成緩衝層及N型半導體層；在N型半導體層上形成至少一層量子阱結構，每層量子阱結構包括量子阱區、漸變區、高鋁區以及阻擋區，所述阻擋區覆蓋並連接所述高鋁區，所述漸變區的材質為鋁摻雜或銦摻雜的氮化鎵，且鋁或銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性變化；在所述阻擋區上生長形成P型半導體層。
本發明提供的所述發光二極體外延片，藉由在藍寶石襯底的C面上生長漸變區且漸變區的銦含量或鋁含量自靠近所述N型半導體層的一側向遠離所述N型半導體層的一側呈線性變化，從而改善量子限制斯塔克效應，此外，所述量子阱結構採用高鋁含量的高鋁區來減少所述量子阱區及所述阻擋區內的銦擴散現象，以提升所述發光活性層的磊晶品質。
1‧‧‧發光二極體外延片
100‧‧‧襯底
200‧‧‧磊晶結構
20‧‧‧緩衝層
30‧‧‧N型半導體層
40‧‧‧發光活性層
50‧‧‧P型半導體層
42‧‧‧量子阱結構
422‧‧‧量子阱區
424‧‧‧漸變區
426‧‧‧高鋁區
428‧‧‧阻擋區
圖1為本發明發光二極體外延片的剖視圖。
圖2為本發明第一實施方式的發光二極體外延片發光活性層的單層量子阱結構及含量變化示意圖。
圖3為本發明第二實施方式的發光二極體外延片發光活性層的單層量子阱結構及含量變化示意圖。
下面將結合附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
如圖1所示本發明所述發光二極體外延片1，包括襯底100和生長在襯底100上的磊晶結構200。
請同時參考圖2，所述襯底100採用藍寶石作為襯底100的材料，以利用藍寶石材料的機械強度高，易於加工處理的特點。所述磊晶結構200形成在所述襯底100的C面(c-plane)上。
所述磊晶結構200包括依次自下而上形成在所述襯底100的c-plane上的緩衝層20、N型半導體層30、發光活性層40以及P型半導體層50。所述緩衝層20材料為純氮化鎵(GaN)，主要用於降低N型半導體層30的晶格缺陷。可以理解的，在本發明所述磊晶結構200中，為了提高電流傳輸效率，可在P型半導體層50上設置歐姆接觸層(圖未示)。
P型半導體層50提供電洞，主要為P型氮化鎵(GaN)材料。N型半導體層30提供電子，主要為摻雜的氮化鎵(GaN)材料，如AlGaN。發光活性層40產生光，其材質為氮化鎵基材料，如InGaN、GaN等，還使電子及電洞局限在一起，增加發光強度。
請進一步參閱圖2和圖3，所述發光活性層40包括至少一層量子阱結構42。每層量子阱結構42包括一個量子阱區422、一個漸變區424、一個高鋁區426以及一個阻擋區428。所述阻擋區428覆蓋並連接所述高鋁區426。所述P型半導體層50覆蓋並連接所述阻擋區428。在本實施方式中，所述量子阱結構42的數量為5-10。
實施方式一
參見圖2，所述量子阱區422覆蓋並連接所述N型半導體層30。所述漸變區424位於所述量子阱區422及所述高鋁區426之間，並連接所述量子阱區422及所述高鋁區426。
所述量子阱區422用於限制電子與電洞，使其達到有效複合。所述量子阱區422的材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為InxGa1-xN，0<x<1。所述量子阱區422的厚度範圍在1至3納米之間。
所述漸變區424用於減少發光二極體內的量子限制斯塔克效應。所述漸變區的材質為鋁摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為AlyGa1-yN，0<y1，且鋁含量自靠近所述N型半導體層30的一側向遠離所述N型半導體層30的一側呈線性增加。所述漸變區的厚度範圍為1至2納米。
所述高鋁區426用於阻擋所述量子阱區422的銦擴散到所述阻擋區428。所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1。所述高鋁區426的厚度範圍為1至2納米。
所述阻擋區428為電子阻擋層，其材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為IntGa1-tN，0t<1。所述阻擋區428的厚度為10至12納米。
一種上述發光二極體外延片1的製造方法，包括如下步驟：
步驟一：提供一襯底100。
步驟二：在所述襯底100的C面上生長緩衝層20。所述緩衝層20可採用有機金屬化學氣相沉積法、射頻磁控濺鍍法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、原子層沉積法、分子束沉積法中的任何一種方法形成。
步驟三：在所述緩衝層20上生長N型半導體層30。所述生長N型半導體層30同樣可採用有機金屬化學氣相沉積法、射頻磁控濺鍍法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、原子層沉積法、分子束沉積法方法中的任何一種形成。
步驟四：在N型半導體層30上生長量子阱區422。所述量子阱區422的材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為InxGa1-xN，0<x<1。所述量子阱區422的厚度範圍在1至3納米之間。
步驟五：在量子阱區422上生長漸變區424。所述鋁漸變區的材質為鋁摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為AlyGa1-yN，0<y1，且鋁含量自靠近所述N型半導體層30的一側向遠離所述N型半導體層30的一側呈線性增加。所述鋁漸變區的厚度範圍為1至2納米。所述漸變區424的磊晶溫度為漸變式，範圍為50~100℃。
步驟六：在漸變區424上生長高鋁區426。所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1。所述高鋁區426的厚度範圍為1至2納米。所述高鋁區426的磊晶溫度比所述量子阱區422高50~100℃。
步驟七：在所述高鋁區426上生長所述阻擋區428，其材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為IntGa1-tN，0t<1。所述阻擋區428的厚度為10至12納米。
步驟八：在所述阻擋區428上生長P型半導體層50，從而完成所述發光二極體外延片1的製作。
實施方式二
參見圖3，所述漸變區424覆蓋並連接所述N型半導體層30。所述量子阱區422位於所述漸變區424及所述高鋁區426之間，並連接所述漸變區424及所述高鋁區426。
所述漸變區424用於減少發光二極體內的量子限制斯塔克效應。所述漸變區的材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為InxGa1-xN，0x1，且銦含量自靠近所述N型半導體層30的一側向遠離所述N型半導體層30的一側呈線性減少。所述漸變區424的厚度範圍為1至2納米。
所述量子阱區422用於限制電子與電洞，使其達到有效複合。所述量子阱區422的材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為InyGa1-yN，0<y1。所述量子阱區422的厚度範圍在1至3納米之間。
所述高鋁區426用於阻擋所述量子阱區422的銦擴散到所述阻擋區428。所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1。所述高鋁區426的厚度範圍為1至2納米。
所述阻擋區428為電子阻擋層，其材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為IntGa1-tN，0t<1。所述阻擋區428的厚度為10至12納米。
一種上述發光二極體外延片1的製造方法，包括如下步驟：
步驟一：提供一襯底100。
步驟二：在所述襯底100的C面上生長緩衝層20。所述緩衝層20可採用有機金屬化學氣相沉積法、射頻磁控濺鍍法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、原子層沉積法、分子束沉積法中的任何一種方法形成。
步驟三：在所述緩衝層20上生長N型半導體層30。所述N型半導體層30同樣可採用有機金屬化學氣相沉積法、射頻磁控濺鍍法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、原子層沉積法、分子束沉積法方法中的任何一種形成。
步驟四：在N型半導體層30上生長漸變區424。所述漸變區424的材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為InxGa1-xN，0x1，且銦含量自靠近所述N型半導體層30的一側向遠離所述N型半導體層30的一側呈線性減少。所述漸變區424的厚度為1至2納米。
步驟五：在所述漸變區424上生長所述量子阱區422。所述量子阱區422的材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為InyGa1-yN，0<y1。所述量子阱區422的厚度範圍在1至3納米之間。
步驟六：在所述量子阱區422上生長高鋁區426。所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1。所述高鋁區426的厚度範圍為1至2納米。所述高鋁區426的磊晶溫度比所述量子阱區422高50~100℃。
步驟七：在所述高鋁區426上生長所述阻擋區428，其材質為銦摻雜的氮化鎵(GaN)材料，化學式為IntGa1-tN，0t<1。所述阻擋區428的厚度為10至12納米。
步驟八：在所述阻擋區428上生長P型半導體層50，從而完成所述發光二極體外延片1的製作。
本發明提供的所述發光二極體外延片1，藉由在藍寶石襯底100的C面上生長漸變區424且漸變區424的銦含量或鋁含量自靠近所述N型半導體層30的一側向遠離所述N型半導體層30的一側呈線性變化，從而改善量子限制斯塔克效應，此外，所述量子阱結構42採用高鋁含量的高鋁區426來減少所述量子阱區422及所述阻擋區428內的銦擴散現象，以提升所述發光活性層40的磊晶品質。
可以理解的係，對於本領域具有通常知識者來說，可以根據本發明的技術構思做出其他各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬於本發明的保護範圍。
Claims (17)
- 一種發光二極體外延片，其包括藍寶石襯底、依次覆蓋在所述藍寶石襯底的C面上的緩衝層、N型半導體層、發光活性層和P型半導體層，其中，所述發光活性層包括至少一層量子阱結構，每層量子阱結構包括量子阱區、漸變區、高鋁區以及阻擋區，所述阻擋區覆蓋並連接所述高鋁區，所述P型半導體層覆蓋並連接所述阻擋區，所述漸變區的材質為鋁摻雜或銦摻雜的氮化鎵，且鋁或銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性變化。
- 如請求項1所述的發光二極體外延片，其中：所述漸變區的材質為鋁摻雜的氮化鎵，其化學式為AlyGa1-yN，0<y1，鋁的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性增加，所述量子阱區覆蓋並連接所述N型半導體層，所述漸變區位於所述量子阱區及所述高鋁區之間，並連接所述量子阱區及所述高鋁區。
- 如請求項2所述的發光二極體外延片，其中：所述量子阱區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為InxGa1-xN，0<x<1；所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1，所述阻擋區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為IntGa1-tN，0t<1。
- 如請求項3所述的發光二極體外延片，其中：所述量子阱區的厚度範圍為1至3納米，所述漸變區的厚度範圍為1至2納米，所述高鋁區的厚度範圍為1至2納米，所述阻擋區的厚度範圍為10至12納米。
- 如請求項1所述的發光二極體外延片，其中：所述漸變區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為InxGa1-xN，0<x<1，銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性減少，所述漸變區覆蓋並連接所述N型半導體層，所述量子阱區位於所述漸變區及所述高鋁區之間，並連接所述漸變區及所述高鋁區。
- 如請求項5所述的發光二極體外延片，其中：所述量子阱區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為InyGa1-yN，0<y1；所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1，所述阻擋區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為IntGa1-tN，0t<1。
- 如請求項6所述的發光二極體外延片，其中：所述漸變區的厚度範圍為1至2納米，所述量子阱區的厚度範圍為1至3納米，所述高鋁區的厚度範圍為1至2納米，所述阻擋區的厚度範圍為10至12納米。
- 如請求項1所述的發光二極體外延片，其中：所述發光活性層包括重覆生長的5~10層所述量子阱結構。
- 一種發光二極體外延片的製造方法，包括如下步驟：提供一藍寶石襯底，在所述藍寶石襯底的C面上依次覆蓋形成緩衝層及N型半導體層；在N型半導體層上形成至少一層量子阱結構，每層量子阱結構包括量子阱區、漸變區、高鋁區以及阻擋區，所述阻擋區覆蓋並連接所述高鋁區，所述漸變區的材質為鋁摻雜或銦摻雜的氮化鎵，且鋁或銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性變化；在所述阻擋區上生長形成P型半導體層。
- 如請求項9所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：所述漸變區的材質為鋁摻雜的氮化鎵，其化學式為AlyGa1-yN，0<y1，鋁的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性增加，在N型半導體層上形成至少一層量子阱結構的步驟中包括：在所述N型半導體層上生長形成所述量子阱區，在所述量子阱區上生長形成所述漸變區，在所述漸變區生長形成所述高鋁區。
- 如請求項10所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：所述量子阱區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為InxGa1-xN，0<x<1；所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1，所述阻擋區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為IntGa1-tN，0t<1。
- 如請求項10所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：述量子阱區的厚度範圍為1至3納米，所述漸變區的厚度為1至2納米，所述高鋁區的厚度為1至2納米，所述阻擋區的厚度為10至12納米。
- 如請求項10所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：所述漸變區的磊晶溫度為漸變式，範圍為50~100℃，所述高鋁區的磊晶溫度比量子阱區高50~100℃。
- 如請求項9所述的發光二極體外延片的製造方法，其特徵在於：所述漸變區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為InxGa1-xN，0<x<1，銦的含量自靠近N型半導體層的一側向遠離N型半導體層的一側呈線性減少，在N型半導體層上形成至少一層量子阱結構的步驟中包括：在所述N型半導體層上生長形成所述漸變區，在所述漸變區上生長形成所述量子阱區，在所述量子阱區生長形成所述高鋁區。
- 如請求項14所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：所述量子阱區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為InyGa1-yN，0<y1；所述高鋁區的材質為鋁摻雜的氮化鎵，化學式為AlzGa1-zN，0.7z<1，所述阻擋區的材質為銦摻雜的氮化鎵，化學式為IntGa1-tN，0t<1。
- 如請求項14所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：所述漸變區的厚度為1至2納米，所述量子阱區的厚度範圍為1至3納米，所述高鋁區的厚度為1至2納米，所述阻擋區的厚度為10至12納米。
- 如請求項14所述的發光二極體外延片的製造方法，其中：所述高鋁區的磊晶溫度比量子阱區高50~100℃。
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