一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括：襯底、應(yīng)力控制層、n型GaN層、應(yīng)力緩沖層、多量子阱有源層、間隔層、電子阻擋層、p型GaN層和歐姆接觸層，其特征在于，該發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)還包括在所述多量子阱有源層下方設(shè)有禁帶寬度大于n型GaN的電流擴(kuò)展層。該外延結(jié)構(gòu)可以有效的減少發(fā)光二極管在大電流條件下工作時(shí)有源區(qū)中電子的泄漏，并能夠有效的提高空穴-電子對的輻射復(fù)合效率，改善LED的抗靜電特性。
【專利說明】
一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]LED (Light Emitting D1de，發(fā)光二極管)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電能轉(zhuǎn)化為光能。LED作為一種新的照明光源材料被廣泛應(yīng)用著。白光LED作為一種新型光源，因具有反應(yīng)速度快、抗震性好、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而快速發(fā)展。目前已被廣泛應(yīng)用于景觀美化及室內(nèi)外照明等領(lǐng)域。
[0003]外延結(jié)構(gòu)的生長是LED芯片的關(guān)鍵技術(shù)，而多量子阱又是外延層的最重要部分， 對大功率GaN基LED來說，電子泄漏是導(dǎo)致GaN基LED外延層的光輸出效率下降的重要原因之一。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)有技術(shù)采用的LED外延結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是在多量子阱上方加入一層P型AlGaN層作為電子阻擋層。但由于GaN材料體系中強(qiáng)的極化效應(yīng)的存在，P型AlGaN電子阻擋層和量子皇之間的極化電場會減小量子皇與電子阻擋層界面處的導(dǎo)帶帶階，削弱電子阻擋作用。另一方面，P型AlGaN電子阻擋層同時(shí)對空穴的注入也有一定的阻擋。研究表明P型AlGaN電子阻擋層雖然能減少電子泄漏，但是其效果不盡令人滿意。如果為了增強(qiáng)電子阻擋作用而提高AlGaN的A1組分或者增加厚度，雖然可以進(jìn)一步減小電子泄漏，但對空穴注入的阻擋加劇會導(dǎo)致整體的發(fā)光效率下降。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。該外延結(jié)構(gòu)可以有效的減少發(fā)光二極管在大電流條件下工作時(shí)有源區(qū)中電子的泄漏， 并能夠有效的提高空穴-電子對的輻射復(fù)合效率，改善LED的抗靜電特性。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括:襯底、應(yīng)力控制層、n型GaN層、應(yīng)力緩沖層、多量子阱有源層、間隔層、電子阻擋層、P型GaN層和歐姆接觸層，其特征在于，該發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)還包括在所述多量子阱有源層下方設(shè)有禁帶寬度大于n型GaN的電流擴(kuò)展層。
[0006]優(yōu)選地，所述電流擴(kuò)展層的縱向電導(dǎo)率小于n型GaN層。
[0007]優(yōu)選地，所述電流擴(kuò)展層位于下列位置之一:應(yīng)力控制層和n型GaN之間、n型GaN 內(nèi)部、n型GaN與應(yīng)力緩沖層之間。
[0008]優(yōu)選地，所述電流擴(kuò)展層為單層Alfaylrii x yN層，其中0彡x彡1，0彡y彡1。
[0009]優(yōu)選地，所述電流擴(kuò)展層為多層不同組分的AlxGayIni xyN層，其中0 < x彡1， 0 ^ y ^ 1〇[〇〇1〇] 優(yōu)選地，所述電流擴(kuò)展層為AlxGayIni x yN/AlaGabIni a bN交替沉積結(jié)構(gòu)，其中 0^x^l,0^y^l,0^a^l,0^b^l〇[〇〇11]優(yōu)選地，所述應(yīng)力控制層為一層或多層AlxGai XN層，其中0 < x < 1。[〇〇12] 優(yōu)選地，所述應(yīng)力緩沖層為InxGai XN層，或InxGai xN/GaN超晶格，其中0.005 < x < 0.5。
[0013]優(yōu)選地，所述量子阱有源層由周期為m的窄帶隙InxGalxN量子阱和寬帶隙 InaAlbGai abN量子皇構(gòu)成，其中1彡m彡20,0彡x〈l，0彡a〈l，0彡b〈l。
[0014]優(yōu)選地，所述間隔層為InxAlyGalxyN，其中0彡x〈l，0彡y〈l ;其厚度為5nm-100 nm〇
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過在量子阱有源層下方設(shè)置電流擴(kuò)展層，不僅有效的減少發(fā)光二極管在大電流條件下工作時(shí)有源區(qū)中電子的泄漏，而且能有效的提高空穴-電子對的輻射復(fù)合效率，提高電流的橫向擴(kuò)展能力并改善LED的抗靜電特性?！靖綀D說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)LED外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明提供的一種氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)沒有電流擴(kuò)展層的LED外延結(jié)構(gòu)能帶示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例一氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)能帶示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例二氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)能帶示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0018]如圖2所示，本發(fā)明提供一種氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)為:從下到上依次為襯底層 1，應(yīng)力控制層2, n型GaN層3,電流擴(kuò)展層4,應(yīng)力緩沖層5,多量子阱有源區(qū)6,間隔層7， 電子阻擋層8, p型GaN層9,歐姆接觸層10。
[0019]襯底1包括但不限于硅襯底、藍(lán)寶石襯底、GaN襯底。應(yīng)力控制層2包括但不限于 GaN層、A1N層、一層或多層AlxGai XN層，其中，0彡x彡1 ;當(dāng)襯底為硅襯底時(shí)，應(yīng)力控制層為多層組分逐漸降低的AlxGai XN層；或應(yīng)力控制層直接和襯底接觸的第一層為A1N層，應(yīng)力控制層的總厚度為300nm-2000nm ;當(dāng)襯底為藍(lán)寶石時(shí)，應(yīng)力控制層為GaN，或A1N，其厚度為 5nm-100nm。n型GaN層為一層或多層結(jié)構(gòu)，可能一部分非故意摻雜，一部分娃摻雜，或全部硅摻雜，其總厚度為lum-8um，摻雜濃度為1 X 10lscm 3-3 X 1019cm 3。應(yīng)力緩沖層5為InxGai XN 層，或InxGai xN/GaN超晶格，其中0.005彡x彡0.5,其可摻雜硅，當(dāng)摻雜硅時(shí)，摻雜濃度為 1 X 1017cm 3-1 X 1019cm 3,摻雜方式可以為全部摻雜，或交替摻雜，其厚度為10nm-500nm，更優(yōu)選地，厚度為30nm-200nm。量子阱有源層6由m個(gè)周期的窄帶隙InxGai XN量子阱6a和寬帶隙InaAlbGai a bN量子皇6b交替沉積組成，其中，m為整數(shù)值，1 < m < 20,0 < x〈l， 0 彡 a〈l，0 彡 b〈l。間隔層 7 為 InxAlyGalxyN，其中 0 彡 x〈l，0 彡 y〈l ;其厚度為 5nm-100 nm， 該間隔層7可以摻雜Mg或不摻雜，當(dāng)摻雜Mg時(shí)，其優(yōu)選摻雜濃度為5 X 1017cm 3-5 X 1019cm 3。 電子阻擋層8為摻Mg的單層AlxGai XN層，或Mg摻雜的AlxGai xN/InyGai yN超晶格，其中 0 < x〈l，0 < y〈l，電子阻擋層的厚度為5nm-100nm，更優(yōu)選地，其厚度為10nm-60nm，電子阻擋層的摻雜濃度為2 X 10lscm 3-2 X 102°cm 3。
[0020]下面給出兩個(gè)具體的實(shí)施例。
[0021]實(shí)施例一該實(shí)施例氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，包括硅襯底1 ;AlN/Ala5Gaa5N/ Ala2GaQ.sN/AlQ.Q5GaQ.95N四層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力控制層2 ;n型GaN層3,其中n型GaN層3包括一層500nm的非故意摻雜的GaN層和一層3mm的娃摻雜的n-GaN層，n-GaN的摻雜濃度為 8 X 10lscm 3;n型摻雜的A1電流擴(kuò)展層4,其中電流擴(kuò)展層4的厚度為60nm，摻雜濃度為5X10lscm3;娃摻雜濃度為2X10 17 cm3,厚度為50nm的InaQ2GaQ.9SN應(yīng)力緩沖層5 ;多量子阱有源層6,其交替周期為6的窄禁帶In。.15Gaas5N量子阱6a和寬禁帶的GaN量子皇 6b，量子講/皇的厚度分別為3nm/12nm ;間隔層7是厚度為5nm的不摻雜的GaN層；電子阻擋層8是Mg摻雜濃度為1.5X 1019 cm 3厚度為20nm的A1 Q.2GaasN層；p型GaN層9的厚度為100nm，摻雜濃度為3 X 1019cm 3;歐姆接觸層10是厚度為30nm的重?fù)絧型GaN，摻雜濃度為 2X 1020cm3〇
[0022]圖3為現(xiàn)有技術(shù)沒有電流擴(kuò)展層的LED外延結(jié)構(gòu)能帶示意圖。從圖中可以看出電子從n型GaN層3直接注入應(yīng)力緩沖層5并隨后注入量子阱有源區(qū)6。在大電流的作用下， 電子的熱動(dòng)能高，部分電子在輸運(yùn)過程中還未來得及與量子阱有源區(qū)6的空穴復(fù)合就穿過了量子阱有源區(qū)，因而電子泄漏幾率大。
[0023]圖4為實(shí)施例一中采用n型摻雜的AlaiGaasN電流擴(kuò)展層4的氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)能帶示意圖。由于電流擴(kuò)展層4的禁帶寬度比GaN高，在導(dǎo)帶有一個(gè)勢皇，電子從3注入4時(shí)被阻擋減速。此時(shí)，電子從n型GaN層3經(jīng)過電流擴(kuò)展層4后注入到應(yīng)力緩沖層5 和有源區(qū)6時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度被減慢，更容易與量子阱有源區(qū)6中的空穴復(fù)合，從而提高輻射復(fù)合效率，并減少電子泄漏。
[0024]另一方面，由于電流擴(kuò)展層4的摻雜濃度低于n型GaN層3,且在電流擴(kuò)展層4和 n型GaN層3的界面處形成極化，形成的二維電子氣，具有很高的橫向迀移率。則電流擴(kuò)展層4和n型GaN層3的界面處具有很好的橫向擴(kuò)展，可以顯著改善抗靜電特性(ESD)。
[0025]實(shí)施例二該實(shí)施例氮化鎵基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，包括藍(lán)寶石襯底1 ;應(yīng)力控制層2為不摻雜的GaN層；n型GaN層3的厚度為3um，摻雜濃度為2 X 1019cm 3;電流擴(kuò)展層 4為交替沉積的AlGaN/InGaN超晶格結(jié)構(gòu)，在n型GaN層3上間隔沉積一厚度為10nm的 AlaQ5GaQ.95N 層 4b 和厚度為 5nm 的 InaQ5Gaa95N 層 4a，如圖 5 所示，其中 AlQ.Q5GaQ.95N 摻雜濃度為lX1019cm3, InaQ5Gaa95N中不摻雜；應(yīng)力緩沖層5為交替生長不摻雜的InGaN/GaN (2nm/5nm)超晶格，其中InGaN中的In組分為10% ;多量子阱有源層6為交替生長的15對窄禁帶的I%15Gaas5N量子阱6a和寬禁帶的GaN量子皇6b ;間隔層7是厚度為50nm的Mg 摻雜InaQ5GaQ.95N層；電子阻擋層8為AlGaN/InGaN(3nm/3nm)超晶格；p型GaN層9的厚度為200nm，摻雜濃度為6X 1019cm 3;歐姆接觸層10是厚度為5nm的重?fù)絧型In Q.2GaasN，摻雜濃度為3X102°cm3。
[0026]以上所述，僅為本發(fā)明中的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，從下至上依次包括:襯底、應(yīng)力控制層、n型GaN 層、應(yīng)力緩沖層、多量子阱有源層、間隔層、電子阻擋層、P型GaN層和歐姆接觸層，其特征在 于，該發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)還包括在所述多量子阱有源層下方設(shè)有禁帶寬度大于n型GaN 的電流擴(kuò)展層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電流 擴(kuò)展層的縱向電導(dǎo)率小于n型GaN層。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述電 流擴(kuò)展層位于下列位置之一:應(yīng)力控制層和n型GaN之間、n型GaN內(nèi)部、n型GaN與應(yīng)力 緩沖層之間。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述電流擴(kuò)展層為單層Alfaylrii x yN層，其中0彡x彡1，0彡y彡1。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述電流擴(kuò)展層為多層不同組分的Alfaylrii x yN層，其中0彡x彡1，0彡y彡1。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述電流擴(kuò)展層為AlxGayIni x yN/AlaGabIni a bN交替沉積結(jié)構(gòu)，其中0彡x彡1，0彡y彡1，0^ a ^ 1,0 ^ b ^ 1〇7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述應(yīng)力 控制層為一層或多層Alfai XN層，其中0 < x < 1。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述應(yīng)力 緩沖層為InxGai XN層，或InxGai xN/GaN超晶格，其中0.005彡x彡0.5。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子 阱有源層由周期為m的窄帶隙InxGai XN量子阱和寬帶隙InaAlbGai a bN量子皇構(gòu)成，其中1彡 m 彡 20,0 彡 x〈l，0 彡 a〈l，0 彡 b〈l〇10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化鎵基發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隔 層為 InxAlyGai x yN，其中 0 彡 x〈l，0 彡 y〈l ;其厚度為 5nm-100 nm。
【文檔編號】H01L33/04GK105990478SQ201510070273
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月11日
【發(fā)明人】孫錢, 李增成, 黃應(yīng)南, 孫秀建, 魯?shù)? 劉小平
【申請人】晶能光電（常州）有限公司