Led外延結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]LED照明燈是利用第四代綠色光源LED做成的一種照明燈具。LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。
[0003]如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的藍(lán)白光LED的外延結(jié)構(gòu)從下往上依次包括襯底300、緩沖層301、非故意摻雜GaN層 302，N型GaN層 303，InGaN/GaN量子阱層304，電子阻擋層305，P型GaN層306，接觸層307。而后利用ICP工藝對(duì)外延結(jié)構(gòu)表面的部分區(qū)域進(jìn)行刻蝕，直至露出N型GaN層303，并于該露出區(qū)域處形成η電極400，作為負(fù)極，在其余的外延結(jié)構(gòu)表面沉積P電極401作為正極。在LED芯片的正負(fù)電極上施加一個(gè)電場(chǎng)，從正極流入的空穴和從負(fù)極流入的電子，在InGaN/GaN量子講層304中復(fù)合轉(zhuǎn)化為光子。
[0004]由于半導(dǎo)體層與金屬電極的接觸電阻通常很高，電流通常會(huì)尋找最短路徑通過InGaN/GaN量子阱層304而流向正極，實(shí)際情況下，只有電流所流經(jīng)的最短路徑區(qū)域才會(huì)發(fā)光；此外，因局部電流密度過大，使得驅(qū)動(dòng)電壓升高。因此，如何做好電流擴(kuò)散，解決局部電流擁堵，是LED芯片設(shè)計(jì)中極為關(guān)鍵的一個(gè)問題。
[0005]參圖1，當(dāng)前LED芯片廠最為通用的技術(shù)是在外延結(jié)構(gòu)的最上層形成低電阻系數(shù)的窗戶層(window layer)、采用S12或者Si 3N4作為擴(kuò)散阻隔層402，采用IT0308作為透明導(dǎo)電電極，達(dá)到增強(qiáng)電流擴(kuò)展，提高發(fā)光效率。但是，由于擴(kuò)散阻隔層402的存在，使得LED器件P焊盤周圍的ITO擴(kuò)展電極的厚度變薄，這增加了 ITO擴(kuò)展電極的體電阻和接觸電阻、且P焊盤周圍阻隔層邊界處最薄的ITO擴(kuò)展電極也最容易被靜電所擊穿，使得LED芯片驅(qū)動(dòng)電壓增加，還降低芯片的可靠性。
[0006]中國專利(CN104538515A)公開了一種通過離子注入工藝在P型外延層的預(yù)定區(qū)域中形成高阻態(tài)阻擋層以達(dá)到擴(kuò)展阻隔層的作用。然而，不管采用何種方法，都需要復(fù)雜的芯片工藝，延長(zhǎng)了芯片的制作周期，增加成本，繁雜的芯片制程也會(huì)對(duì)外延結(jié)構(gòu)表面有一定程度的傷害，從而影響最終LED芯片的光電性能和良率。
[0007]中國專利(CN101494262A)公開了一種通過直接在p型GaN上增加p型AlInGaN寬能隙層和P型AlInGaN窄能隙層的P型三維電子云結(jié)構(gòu)以達(dá)到正極導(dǎo)入電流可平均分散的作用。但是，這種方法會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，采用過多的雜原子(In，Al，Mg等)對(duì)GaN材料進(jìn)行摻雜，破壞了 GaN的晶格，影響晶體質(zhì)量，造成的晶體缺陷以及在長(zhǎng)晶過程中引入的C雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的吸光，降低外部發(fā)光效率(EQE)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的之一，本發(fā)明一實(shí)施方式提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，所述LED外延結(jié)構(gòu)從下向上依次包括襯底，N型GaN層，InGaN/GaN量子阱層，電子阻擋層，P型GaN層，接觸層；所述P型GaN層和所述接觸層之間還生長(zhǎng)有空穴擴(kuò)展層。所述的空穴擴(kuò)展層在LED器件中起到幫助電流擴(kuò)展的作用，解決電流擁堵的問題。
[0010]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述空穴擴(kuò)展層為AlxGa(1_x)N層。
[0011]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N層為非故意摻雜的AlxGa(1_x)N 層。
[0012]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N層中X的取值范圍為0.05-0.20。
[0013]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N層中X的取值范圍為0.08-0.15。
[0014]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N層的厚度范圍為10~40nm。
[0015]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述AlxGa(1_x)N層的厚度范圍為20~30nm。
[0016]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述襯底及所述N型GaN層之間由下而上還依次包括緩沖層及非故意摻雜GaN層。
[0017]為了實(shí)現(xiàn)上述目的之一，本發(fā)明一實(shí)施方式提供一種LED外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:
提供一襯底；
在所述襯底上生長(zhǎng)N型GaN層；
在所述N型GaN層上生長(zhǎng)InGaN/GaN量子阱層；
在所述InGaN/GaN量子阱層上生長(zhǎng)電子阻擋層；
在所述電子阻擋層上生長(zhǎng)P型GaN層；
在所述P型GaN層上生長(zhǎng)空穴擴(kuò)展層；
在所述空穴擴(kuò)展層上生長(zhǎng)接觸層。
[0018]作為本發(fā)明一實(shí)施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，“在所述P型GaN層上生長(zhǎng)空穴擴(kuò)展層”具體為:
在溫度范圍為900°C ~940°C、壓力范圍為100~400mbar條件下，以順3為N源，\和H2的混合氣體為載氣，控制隊(duì)和H 2的流量比范圍為1:2~2:1，在P型GaN層上生長(zhǎng)厚度范圍為10~40nm的非故意摻雜的AlxGa(1_x)N層，AlxGa(1_x)N層中x的取值范圍為0.05-0.20。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的LED外延結(jié)構(gòu)及其制備方法，其采用的AlxGa(1_x)N層具有較高能隙，從正極流出的空穴經(jīng)過較高能隙的AlxGa(1_x)N層后會(huì)被均勻分散，然后空穴流到InGaN/GaN量子阱層中與電子復(fù)合而產(chǎn)生光子，如此，可提高發(fā)光均勻性，且無需借助復(fù)雜的芯片工藝就可以解決LED芯片中電流擁堵的問題。
【附圖說明】
[0020]圖1是現(xiàn)有技術(shù)LED外延結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明一實(shí)施方式中LED外延結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明一實(shí)施方式中具有同一 X值及不同厚度值的AlxGa(1_x)N層樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖； 圖4為本發(fā)明一實(shí)施方式的具有同一厚度值及不同X值的AlxGa(1_x)N層樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；
圖5是本發(fā)明一實(shí)施方式的LED外延結(jié)構(gòu)制備方法的步驟圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下將結(jié)合附圖所示的【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0022]如圖2所示，本發(fā)明一實(shí)施方式的LED外延結(jié)構(gòu)從下向上依次包括襯底100，N型GaN層103，InGaN/GaN量子阱層104，電子阻擋層105，P型GaN層106，接觸層108 ;所述卩型GaN層106和所述接觸層108之間還生長(zhǎng)有空穴擴(kuò)展層107，所述空穴擴(kuò)展層107為非故意摻雜的AlxGa(1_x)N層107，所述AlxGa(1_x)N層107中x的取值范圍為0.05-0.20，所述AlxGa(1_x)N 層 107 的厚度范圍為 10~40nmo
[0023]這里，襯底100的材料為藍(lán)寶石襯底，但不以此為限，例如可為S1、SiC等。N型GaN層103優(yōu)選為高溫N型GaN層；P型GaN層106優(yōu)選為高溫P型GaN。當(dāng)然，N型GaN層103、P型GaN層106的類型不以上述描述為限，可以根據(jù)實(shí)際情況而定。
[0024]在本實(shí)施方式中，具有上述厚度范圍及X取值范圍的AlxGa(1_x)N層107具有較高能隙，從正極流出的空穴經(jīng)過較高能隙的AlxGa(1_x)N層107后會(huì)被均勻分散，然后空穴流到InGaN/GaN量子阱層104中與電子復(fù)合而產(chǎn)生光子，如此，可提高發(fā)光均勻性，且無需借助復(fù)雜的芯片工藝就可以解決LED芯片中電流擁堵的問題。
[0025]在一實(shí)施方式中，該AlxGa(1_x)N層107為非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107，所述非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107下方為P型GaN層106，所述非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107上方為接觸層108。一方面，由于所述非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107與P型GaN層106和/或接觸層108之間存在擴(kuò)散效應(yīng)，若該非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107厚度太薄，就會(huì)因擴(kuò)散效應(yīng)使非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107具有過高的p型摻雜濃度，大大降低了非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107對(duì)空穴的橫向擴(kuò)展功效；另一方面，若該非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107厚度太厚或者非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107中的Al組分含量太高，非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107就會(huì)阻礙空穴縱向迀移，致使驅(qū)動(dòng)電壓升高。因此，為了保證非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107達(dá)到對(duì)空穴的最佳迀移效果，非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107中X的取值范圍為0.05-0.20，且非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107的厚度范圍為10~40nm，較佳的，非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107中x的取值范圍為0.08-0.15，且非故意摻雜AlxGa(1_x)N層107的厚度范圍為20~30nm。
[0026]繼續(xù)參圖1，本發(fā)明一實(shí)施方式的LED外延結(jié)構(gòu)的襯底100及N型GaN層103之間還由下而上依次包含有緩沖層101、非故意摻雜GaN層102，其中，緩沖層101可為低溫GaN緩沖層，非故意摻雜GaN層102可為高溫非故意摻雜GaN層。當(dāng)然，緩沖層101及非故意摻雜GaN層102的類型不以上述描述為限，可以根據(jù)實(shí)際情況而定。這里，需要說明的是，LED外延結(jié)構(gòu)中各層的順序不以上述描述為限，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整。
[0027]在本實(shí)施方式中，后續(xù)還要對(duì)上述LED外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻而形成p、n電極，η電極
200、P電極201均由金屬沉積而成。具體的，N型GaN層103上形成有η電極200，接觸層108上方形成與P型GaN106電性導(dǎo)通的p電極201，優(yōu)選地，在接觸層上方還設(shè)有ITO (透明導(dǎo)電層)109，P電極201直接設(shè)置于ITO的上方。
[0028]下面，詳述AlxGa(1_x)N層107的x值及厚度值與LED發(fā)光亮度、LED驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系。如圖3及圖4所示，圖3為具有同一 X值及不同厚度值的AlxGa(1_x)N層107樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，圖4為具有同一厚度值及不同X值的AlxGa(1_x)N層107樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。
[0029]如圖3所示，選取樣品A~樣品F作為L(zhǎng)ED的外延結(jié)構(gòu)的AlxGa(1_x)N層107，樣品A~樣品F中的X均取定為0.01，樣品A~樣品F中的厚度分別取定為0nm、10nm、20nm、30nm、40nm及50nm，由圖3可知，在x的值一定的情況下，隨著AlxGa(1_x)N層107厚度的增加，發(fā)光亮度先上升后下降，而驅(qū)動(dòng)電壓先下降后上升，當(dāng)樣品的厚度范圍大致在10nm~40nm時(shí)，對(duì)應(yīng)的LED外延結(jié)構(gòu)的