一种高光能密度输出的LED外延结构

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一种高光能密度输出的LED外延结构\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及一种高光能密度输出的LED外延结构，属于LED光电子器件的制造领域。\n背景技术\n[0002] 基于砷化物 AlxInyGa1-x-yAs(0 ≤ x,y ≤ 1；x+y ≤ 1)、 磷 化 物\nAlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1；纤锌矿晶体结构)半导体材料的发光二极管LED以其节能、环保、长寿命等优点逐渐在电子显示屏、景观照明、矿灯、路灯、液晶显示器背光源、普通照明、光盘信息存储、生物医药等领域展开广泛应用。上述化合物半导体可以覆盖从红外、可见到紫外光的全部光谱能量范围，而通过控制氮化物合金的阳离子组分可以准确地定制LED器件的发射波长。从应用领域范围、市场容量来看，又以氮化物LED的应用为大宗、主流，比如，以白光LED为应用代表的半导体照明行业。\n[0003] 虽然由上述化合物半导体制作的LED属直接带隙跃迁发光而具有较高的发光效率，但是，在目前技术条件下，LED器件在大电流密度驱动条件下，会出现电光转换效率降低的现象，即“能效降低”(Efficiency Droop)现象。而且，这种现象在氮化物LED上表现尤为明显。所以，在通常情况下，为了维持较高的能量转换效率和保证高可靠性，器件所使用的驱动电流密度都较低，如此便降低了LED器件输出的光子能流密度和光子总输出功率。\n[0004] 对于某些需要器件具有高光子能流密度输出的场合，亦即需要器件具有高光学控制因子的定向照明应用领域，例如，汽车前大灯、射灯、筒灯、投 影仪光源、体育场馆照明等，上述问题带来的矛盾就会突显出来。在传统LED外延结构下制作的照明灯具为了获得较高的光子能量密度，往往会用增大驱动电流而牺牲效率的办法来实现。\n实用新型内容\n[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是，针对传统LED外延结构仅有一组基本结构单元的现状，提供一种将两组或两组以上的LED基本结构单元以隧道节(隧道二极管)的结构进行连接而形成统一的具有高光能密度输出的LED外延结构。\n[0006] 本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种高光能密度输出的LED外延结构，包括依次设置的衬底层和外延层；所述外延层包括至少两组LED基本单元和至少一个隧道节；\n[0007] 所述每两组LED基本单元之间通过一个隧道节连接。\n[0008] 本实用新型的有益效果是：采用本实用新型所述LED外延结构制作的器件可以在保证输入电功率不变的情况下，通过提高工作总电压来实现工作电流的降低，即每个基本结构单元的正向压降通过隧道节实现串联累加，而每个基本结构的正向电流都是恒定的。\n这样便可以缓解LED器件在大电流密度驱动条件下的“能效降低”(Efficiency Droop)问题，使器件在较低的工作电流下维持较高的能量转换效率。因此，采用本实用新型所述LED外延结构可以在较低的电流密度注入条件下即获得较高的光能流度输出，因而提高了器件的光学控制因子，为后继LED灯珠、灯具和照明系统的开发提供了更好的灵活性，更多的可能性。\n[0009] 在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。\n[0010] 进一步，所述LED基本单元包括依次设置的n型层、发光层和p型层。\n[0011] 采用上述进一步方案的有益效果是，n型层、p型层分别提供载流子电子和空穴的注入，而发光层则是电子和空穴复合发光的场所。\n[0012] 进一步，所述n型层包括至少一个n型子层，砷化铝铟镓、磷化铝铟镓、磷砷化铝铟镓和氮化铝铟镓中的至少一种构成至少一个n型子层；\n[0013] 所述每个n型子层分别进行n型掺杂；所述每个n型子层的n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，\n[0014] n型掺杂元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。\n[0015] 所述n型掺杂是指往材料中添加施主原子，形成n型半导体，如往Si材料中掺杂P原子，n型半导体的多数载流子是电子。\n[0016] 进一步，所述p型层包括至少一个p型子层，砷化铝铟镓、磷化铝铟镓、磷砷化铝铟镓和氮化铝铟镓中的至少一种构成至少一个p型子层；\n[0017] 所述每个p型子层分别进行p型掺杂；\n[0018] 所述每个p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同；\n[0019] p型掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd和C中的至少一种。\n[0020] 所述p型掺杂是指往材料中添加受主原子，形成n型半导体，如往Si材料中掺杂B原子。p型半导体的多数载流子是空穴。\n[0021] 进一步，所述发光层包括至少一个薄膜子层，砷化铝铟镓、磷化铝铟镓、磷砷化铝铟镓和氮化铝铟镓中的至少一种构成至少一个薄膜子层；\n[0022] 所述至少一薄膜子层进行n型、p型掺杂或非掺杂；\n[0023] 所述n型掺杂元素为Si、Sn、S、Se、Te中的至少一种；所述p型掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0024] 进一步，所述隧道节包括至少两个隧道子层，砷化铝铟镓、磷化铝铟镓、磷砷化铝铟镓和氮化铝铟镓中的至少一种构成至少两个隧道子层。\n[0025] 所述砷化铝铟镓为砷化物，其化学式为AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)；\n[0026] 所述磷化铝铟镓为磷化物，其化学式为AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)；\n[0027] 所述磷砷化铝铟镓为磷砷化物，其化学式为AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；\nx+y≤1)；\n[0028] 所述氮化铝铟镓为氮化物，其化学式为AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)。\n[0029] 进一步，所述至少两个隧道子层分别进行n型重掺杂和p型重掺杂；所述n型重掺杂元素为Si、Sn、S、Se、Te中的至少一种；p型重掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0030] 所述n型重掺杂和p型重掺杂是指掺杂原子的浓度比n型掺杂和p型掺杂正常值要高得多。\n[0031] 上述针对n型掺杂、p型掺杂、n型重掺杂和p型重掺杂的定义和应用均属于现有技术，属于本领域技术人员使用的通用名称，在中国知网搜索半导体相关文献，大多涉及以上名称的使用。\n[0032] 进一步，所述衬底层为同质衬底或异质衬底；当衬底层为异质衬底时，衬底层和外延层之间还设有缓冲层，所述衬底层由蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、砷化镓、尖晶石、磷化铟、氮化硼、金刚石、氧化锌、二氧化硅、铝酸锂、镓酸锂、铌酸锂、硼化锆和硼化铪中的一种构成。\n附图说明\n[0033] 图1为本实用新型具体实施例1所述的一种高光能密度输出的LED外延结构截面示意图；\n[0034] 图2为本实用新型具体实施例2所述的一种高光能密度输出的LED外延结构截面示意图；\n[0035] 图3为本实用新型具体实施3所述的一种高光能密度输出的LED外延结 构的截面示意图；\n[0036] 图4为本实用新型实施例3所述的LED外延结构中隧道节的具体结构截面示意图。\n[0037] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：\n[0038] 1、衬底层，2、缓冲层，3、n型层，4、发光层，5、p型层，6、隧道节，7、应力释放层，8、电子阻挡层，9、GaN层，10、p型重掺杂的GaN层。\n具体实施方式\n[0039] 以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。\n[0040] 如图1所示，为本实用新型具体实施例1所述的一种高光能密度输出的LED外延结构截面示意图，包括依次设置的衬底层1、缓冲层2、一个隧道节6和两组LED基本结构单元；其中第一组LED基本结构单元分别由n型层3、p型层5和发光层4构成，发光层4位于n型层3与p型层5之间；第二组LED基本结构单元分别由n型层3、p型层5和发光层\n4构成，发光层4位于n型层3与p型层5之间。第一组LED基本结构单元和第二组LED基本结构单元之间通过隧道节6实现连接导通。在本实施例中，衬底材料相对外延层而言是异质衬底，因此，在n型层和衬底之间有缓冲层2。\n[0041] 在具体的外延生长过程，首先选择衬底晶圆，例如选择异质衬底1，然后生长缓冲层2，之后便开始陆续生长第一组LED基本结构单元的各层，依次是n型层3、发光层4和p型层5。然后，生长隧道节6。接着，陆续生长第二组LED基本结构单元的各层，依次是n型层3、发光层4和p型层5。如此，便完成了具备两组LED基本结构单元的新型LED器件结构。\n[0042] 在通常情况下，应注意调整外延工艺参数，使得第一组和第二组LED的发射波长保持一致或保持较小的波长差范围。\n[0043] 所述n型层包括至少一个n型子层，砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷化物AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷砷化物AlxInyGa1-x-yAs1-zPz(0≤x,y,z≤1；\nx+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种构成至少一个n型子层；\n[0044] 所述每个n型子层分别进行n型掺杂；所述每个n型子层的n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，n型掺杂元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。\n[0045] 所述p型层包括至少一个p型子层，砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷化物AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷砷化物AlxInyGa1-x-yAs1-zPz(0≤x,y,z≤1；\nx+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种构成至少一个p型子层；\n[0046] 所述每个p型子层分别进行p型掺杂；\n[0047] 所述每个p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同；p型掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd和C中的至少一种。\n[0048] 所述发光层包括至少一个薄膜子层，砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；\nx+y ≤ 1)、 磷 化 物 AlxInyGa1-x-yP(0 ≤ x,y ≤ 1；x+y ≤ 1)、 磷 砷 化 物AlxInyGa1-x-yAs1-zPz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种构成至少一个薄膜子层；\n[0049] 所述至少一薄膜子层进行n型、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂元素为Si、Sn、S、Se、Te中的至少一种；所述p型掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0050] 所述隧道节包括至少两个隧道子层，砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；\nx+y ≤ 1)、 磷 化 物 AlxInyGa1-x-yP(0 ≤ x,y ≤ 1；x+y ≤ 1)、 磷 砷 化 物AlxInyGa1-x-yAs1-zPz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种构成至少两个隧道子层。\n[0051] 所述至少两个隧道子层分别进行n型重掺杂和p型重掺杂；所述n型重 掺杂元素为Si、Sn、S、Se、Te中的至少一种；p型重掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0052] 所述衬底层1由蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、砷化镓、尖晶石、磷化铟、氮化硼、金刚石、氧化锌、二氧化硅、铝酸锂、镓酸锂、铌酸锂、硼化锆和硼化铪中的一种构成。\n[0053] 如图2所示，为本实用新型具体实施例2所述的一种高光能密度输出的LED外延结构截面示意图；列举了N组(若干组)LED基本结构单元通过N-1组隧道节相连接而进行磊叠的情形。该情形与图1中两组LED基本结构相连接的方式类似，只是基本结构单元的数量增加了。可以看到，在第N组LED结构单元中，包含了n型层3、p型层5和发光层4构成，发光层4位于n型层3与p型层5之间。并且，第N-1组LED基本结构单元与第N组LED基本结构单元通过隧道节6连接导通。对于外延生长方法，其过程与两组LED基本结构单元的情况类似，需要逐一生长每个结构单元以及两个结构单元之间的隧道节。同时，通常要保证每个LED基本结构单元的发射波长相近或相同。\n[0054] 对于衬底的材质，可以从蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓、氮化铝、砷化镓、尖晶石、磷化铟、氮化硼、金刚石、氧化锌、二氧化硅、铝酸锂、镓酸锂、铌酸锂、硼化锆或硼化铪中选取一种。\n[0055] 对于n型层，其组成材料为砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷化物AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷砷化物AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；\nx+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种。并且，由一层或若干层不同组分的AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)或AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)(0≤x,y≤1；x+y≤1)构成。同时，每一子层均进行n型掺杂。n型层中的掺杂元素为Si、Sn、S、Se、 Te中的至少一种。\n[0056] 对于p型层，其组成材料为砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷化物AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷砷化物AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；\nx+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种。并且，由一层或若干层不同组分的AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)或AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)(0≤x,y≤1；x+y≤1)构成。同时，每一子层均进行p型掺杂。p型层中的掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0057] 对于发光层，其组成材料为砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷化物AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷砷化物AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；\nx+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的任意一种。并且，由一层或若干层不同组分的AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)或AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)(0≤x,y≤1；x+y≤1)构成。\n[0058] 此外，发光层中的至少一层薄膜子层可进行n型或p型掺杂或非掺杂。其中，n型掺杂元素为Si、Sn、S、Se、Te中的至少一种；p型掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0059] 对于隧道节，其特征在于，组成材料为砷化物AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；\nx+y≤1)、磷化物AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)、磷砷化物AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)和氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)中的至少一种，且由两层相同组分或两层以上不同组分的AlxInyGa1-x-yAs(0≤x,y≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yP(0≤x,y≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yAs1-z Pz(0≤x,y,z≤1；x+y≤1)或AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)(0≤x,y≤1；x+y≤1)中至少一种组分构成。\n[0060] 除此之外，隧道节的特征还在于，隧道节中的至少两层薄膜子层分别进行n型重掺杂和p型重掺杂。其中，n型掺杂元素为Si、Sn、S、Se、Te中的至少一种；p型掺杂元素为Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一种。\n[0061] 如图3所示，为本实用新型具体实施3所述的一种高光能密度输出的LED外延结构的截面示意图；本实施例选择在SiC衬底上进行氮化物蓝光LED外延结构，说明本实用新型所述高光能密度输出的LED器件结构和制作方法。\n[0062] 高光能密度输出的LED外延结构，从衬底开始从下到上，依次出现的膜层结构包括：在SiC衬底1上有一层AlGaN/GaN复合缓冲层2，紧接着是一层非故意掺杂的GaN薄膜层9。从GaN薄膜层9开始，将会生长两组LED基本结构单元。其中，第一组LED基本结构单元的膜层结构包括：n型GaN层3、应力释放层7、发光层4、电子阻挡层8、p型GaN层5；\n第二组LED基本结构单元在第一组基本结构单元的上方，膜层结构与第一组相似，包括以下膜层：n型GaN层3、应力释放层7、发光层4、电子阻挡层8、p型GaN层5。在p型GaN层\n5的上方还有一层p型重掺杂的GaN层10，该层是为了后期进行芯片加工时形成金属电极的欧姆接触。两组LED基本结构单元之间为隧道节6，且该隧道节的具体结构如图4所示,即在p型重掺杂GaN与n型重掺杂GaN之间插入一层In0.2Ga0.8N。\n[0063] 按照图3所示LED外延器件结构示意图，在MOCVD机台上进行外延生长的具体方法为：首先，在SiC衬底1上生长一层厚度为400nm的AlGaN/GaN复合缓冲层2，生长温度控制在大约1000℃。然后，生长一层2μm厚的非掺杂GaN层9。接着，开始生长第一组LED基\n19\n本结构单元：先生长一层2μm厚的n型GaN层3，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×10 。\n接下来，生长一组In0.04Ga0.96N/GaN超晶格组成的应力释放层7，其中，In0.04Ga0.96N和GaN的单层厚度均为5nm，总厚度为200nm。此后，生长In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层4，其中，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量 子阱的周期数为4。紧接着，生长一层150nm的Al0.14Ga0.86N电子阻挡层8。再生长一层0.2μm厚的p型GaN层5，p型掺杂\n20\n元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×10 。如此，便完成了第一组LED基本结构单元的生长。\n[0064] 然后，生长隧道节6。具体地，如图4所示，隧道节包括3个子层：先生长一层10nm++ 20\n厚的p型重掺杂p -GaN层，且掺杂浓度为5.0×10 ；再生长一层3nm后的非掺杂In0.2Ga0.8N++ 20\n层；最后生长一层10nm厚的n型重掺杂n -GaN层，且掺杂浓度为2.0×10 。\n[0065] 此后，按照与第一组LED基本结构单元相同的参数条件和方法进行第二组LED基本结构单元的外延生长，但是，其中也有参数条件不同的地方：需要调整发光层4的工艺条件使得其发射波长与发光层4的发射波长相等或近似相等。最后，在第二组LED基本结构\n20\n单元上生长一层10nm厚的p型Mg重掺杂浓度为3.0×10 的GaN层10。\n[0066] 为避免对众多结构参数、工艺条件作冗余描述，本实施例仅对其中部分变化因素进行了举例。通过对其它结构或工艺变化因素的调整亦能达到类似的效果，在此不作一一列举。\n[0067] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。