一種適用于大電流驅動的氮化物led外延結構的制作方法
【專利摘要】一種適用于大電流驅動的氮化物LED外延結構，涉及LED光電子器件的制造【技術領域】。本發明結構從襯底開始自下而上依次包括：n型化合物半導體、有源區和p型化合物半導體三部分。其結構特點是，所述有源區是由m個量子阱和m+1個量子壘交替堆疊而成，其中，m為任意自然數，量子壘的最大禁帶寬度大于相鄰量子阱的最大禁帶寬度，不同量子壘的最大禁帶寬度或膜層厚度呈現漸變方式分布。同現有技術相比，本發明能減小或者消除氮化物LED在大電流驅動條件下的“能效降低”問題，提高器件的量子效率。
【專利說明】—種適用于大電流驅動的氮化物LED外延結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及LED光電子器件的制造【技術領域】，特別是適合大電流驅動的氮化物LED外延生長結構。
【背景技術】
[0002]基于氮化物AlxInyGa1^yN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I ;纖鋅礦晶體結構)半導體材料的發光二極管LED以其節能、環保、長壽命等優點逐漸在電子顯示屏、景觀照明、礦燈、路燈、液晶顯示器背光源、普通照明、生物醫藥等領域展開廣泛應用。由于氮化物AlxInyGanyN(O ^ x,y ^ I ；x+y ( I)半導體的寬禁帶寬度大約處于1.9~6.2 eV區間范圍，恰好覆蓋從黃綠光到紫外光的光譜能量范圍。通過控制氮化物合金的陽離子組分可以準確地制定LED器件的發射波長。另一方面，由于上述具有纖鋅礦晶體結構的氮化物LED屬直接帶隙躍遷發光，因而其發光效率較高。對于適合普通照明應用的氮化物白光LED而言，目前全球業界產品的發光效率通常在60~150 lm/ff不等。
[0003]盡管現在白光LED在發光效率方面已經達到或超過熒光燈，但其數值仍僅為理論發光效率(約300 lm/W)的一半左右。造成白光LED發光效率不足的原因是多方面的。其中，“能效降低”問題是最重要的原因之一。所謂“能效降低”是指氮化物LED器件隨驅動電流的增大，量子效率呈現逐漸降低的現象。以InGaN/GaN多量子阱為有源區的LED外延結構制造的30*34mil尺寸的正裝芯片為例，其量子效率在2~5A/cm2電流密度區間達到最大值，之后效率便隨著電流的增大而降低。待電流密度達到53A/cm2 (即350mA)的正常驅動條件時，器件的量子效率卻相對最大值降低約10~20%。由此可見，“能效降低”問題嚴重制約了氮化物LED器件在大功率、大電流驅動條件下的應用。
[0004]對于“能效降低”現象產生的物理機理，一般認為源于以下幾個原因:⑴極化效應引起的內建靜電場。 由于具有纖鋅礦晶體結構的氮化物在[0001]晶面方向具有自發極化效應，同時由于晶體應變產生的壓電極化效應將與前者共同作用在產生內建靜電場。LED器件的多量子阱有源區將在內建靜電場的作用下發生量子局限斯塔克效應(QCSE)，能帶帶邊將會發生彎曲現象。發生能帶彎曲的量子阱將降低電子和空穴波函數的重合幾率，進而降低量子效率。⑵晶體缺陷和漏電現象。氮化物晶體存在較高密度的晶體缺陷是一個普遍存在的問題，它既是漏電流輸運/傳導的物理路徑，又造成了非輻射躍遷中心的存在。而漏電是從量子阱有源區中“逃逸”出的未參加有效復合的電子，因此它的強度越大，對量子效率的不利影響就越大。此外，器件的漏電強度越大，其可靠性越低。⑶俄歇復合。⑷載流子濃度與復合分布不均勻。在通常的“周期循環式”多量子阱有源區中，由于電子和空穴的空間濃度分布不均，以及它們在遷移速率方面的較大差異，導致輻射復合主要出現在靠近P型半導體的最后幾個量子阱，且在最后一個量子阱的復合幾率最大。這樣的不均勻復合強度分布狀況對大電流驅動下的器件而言將限制其復合區域的空間體積大小，同樣也會對量子效率產生不利影響。現有技術中，對于上述“能效降低”現象還沒有十分有效的解決辦法。
【發明內容】
[0005]針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在于提供一種適用于大電流驅動的氮化物LED外延結構。它能減小或者消除氮化物LED在大電流驅動條件下的“能效降低”問題，提高器件的量子效率。
[0006]為達到上述目的，本發明的技術方案以如下方式實現:
一種適合大電流驅動的氮化物LED外延結構，它從襯底開始自下而上依次包括:n型化合物半導體、有源區和P型化合物半導體三部分。η型化合物半導體包括緩沖層、非摻雜層、η型電子注入物層，P型化合物半導體包括P型電子阻擋層和P型空穴注入層，η型化合物半導體、有源區和P型化合物半導體三部分的組成材料均為氮化物AlxInyGanN (O ( X，y ( I ；x+y ( D，且各部分由一層或者若干層不同組分的AlxInyGa1TyN (O ^ x, y ^ I ；x+y ^ D構成；其結構特點是，所述有源區是由m個量子阱和m+1個量子壘交替堆疊而成，其中，m為任意自然數，量子壘的最大禁帶寬度大于相鄰量子阱的最大禁帶寬度，不同量子壘的最大禁帶寬度或膜層厚度呈現漸變方式分布。
[0007]在上述氮化物LED外延結構中，所述m+1個量子壘的最大禁帶寬度按照自下而上的方向呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布，且其中至少存在A (A為非負整數，A < m)個最大禁帶寬度保持不變的量子壘。
[0008]在上述氮化物LED外延結構中，所述m+1個量子壘的膜層厚度按照自下而上的方向呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布，且其中至少存在B (B為非負整數，B^m)個膜層厚度保持不變的量子壘。
[0009]在上述氮化物LE 、 D外延結構中，所述量子壘和量子阱的禁帶寬度都通過調節氮化物AlxInyGa1IyN (O≤x, y≤I ；x+y ( I)的化學組分實現。
[0010]本發明由于采用了上述結構，其優點如下:
首先，在本發明氮化物LED外延結構中，量子壘的最大禁帶寬度呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布可以增加空穴的注入效率，同時也增加了電子注入到有源區的效率。相比現有技術中具有“周期循環式”多量子阱有源區的氮化物LED外延結構，本發明所述的外延結構改進了載流子濃度或復合強度空間分布不均勻的缺點。
[0011]第二，本發明中采用量子壘的最大禁帶寬呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布的外延結構可以降低量子壘與量子阱交接界面處的晶格常數和熱傳導系數的失配，提高有源區的外延晶體質量。進而降低漏電，提高LED內量子效率和抗靜電擊穿性能
坐寸ο
[0012]第三，采用量子壘的最大禁帶寬度呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布的外延結構還可以減少量子壘與量子阱界面結合處的極化靜電荷積累，降低LED器件的內建極化電場強度。這將有效地削弱量子局限斯塔克(QCSE )效應對量子效率和發射波長穩定性的不利影響，進而部分或完全克服LED器件在大電流驅動條件下的“能效降低”問題。
[0013]第四，采用量子壘的膜層厚度呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布的外延結構可以增加載流子的隧穿效應強度，改善載流子空間濃度或復合強度分布不均勻特點，從而提高載流子復合強度。
[0014]綜上所述，采用本發明所述的量子壘漸變的氮化物LED外延結構可以增加氮化物LED器件的量子效率，特別是在大電流工作條件下的內量子效率。同時，它能有效地克服采用常規“周期循環式”多量子阱有源區外延結構LED在大電流工作條件下的“能效降低”問題。此外，該結構還能提高器件工作的可靠性和穩定性。
[0015]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0016]【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為本發明實施例1的氮化物LED外延結構的剖面示意圖；
圖2為本發明實施例1的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖3為本發明實施例2的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖4為本發明實施例3的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖5為本發明實施例4的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖6為本發明實施例5的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖7為本發明實施例6的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖8為本發明實施例7的多量子阱有源區的能帶結構示意圖；
圖9為本發明實施例8的多量子阱有源區的能帶結構示意圖。
[0017]【具體實施方式】 實施例1
參看圖1，本發明按照自下而上的順序依次為藍寶石襯底1、GaN低溫緩沖層2、非摻雜GaN層3、n型GaN電子注入層4、由10個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和9個Inci 2Gatl 8N量子阱組成的有源區層5、Α1α?36&α87Ν P型電子阻擋層6和P型GaN空穴注入層7。其中，GaN低溫緩沖層2的膜層厚度為25nm ;非摻雜GaN層3的厚度為2.5 μ m ;n型GaN電子注入層4的厚度為2.5 μ m，并采用5 X IO1Vcm3濃度的Si進行η型摻雜。10個InxGa^N (O≤χ≤I)量子壘的X取值自下而上分別為0、0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子壘的禁帶寬度呈現先減小再增大的變化趨勢，量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。9個量子阱的禁帶寬度保持不變，且膜層厚度均為3nm ；Al0.13Ga0.87N p型電子阻擋層6的厚度為30nm ；P型GaN空穴注入層的厚度為0.5 μ m，并采用5X 102°/cm3濃度的Mg進行p摻雜。本實施例LED外延結構在靜態平衡條件下的能帶結構圖如圖2所示(局部)。其中，量子壘的禁帶寬度呈現先減小后增大的漸變方式，而同一量子壘的禁帶寬度不變。需要補充說明的是，圖2和其它實施例的能帶結構示意圖均未考慮極化電場對能帶帶邊的彎曲作用。
[0018]實施例2
除有源區層5外，本發明實施例2的LED外延結構與實施例1完全相同。如圖3，有源區 5 由 10 個 InxGahN/AlyInzGa卜^N/IrixGahN (O ^ x ^ I ；0 ^ y, z ≤ I ；y+z ≤ I)量子壘和9個Ina2Gaa8N量子阱組成。其中，單個量子壘In.Ga^.N/Al.1n.Ga^^N/In.Ga^.N又由三層氮化物InxGahlAlyInzGa1IzN' InxGapxN組成。在同一個量子壘中，第一層、第三層氮化物的化學組分相同，第二層氮化物的禁帶寬度較其它兩層要大。如果用有序實數對(X，Y, z)用來表示單個量子壘三層氮化物的材料組分，那么，與上述10個量子壘InxGahN/AlyInzGa1IzNAnxGa^xN相應的實數對取值自下而上分別為(0，0，O)、(0，0.05，O)、(0.06，
0.05,0.02),(0.14,0.05,0.1),(0.14,0.05,0.1),(0.12,0.05,0.08),(0.06,0.05,0.02)、(0.03，0.05,0),(0,0.05，O)、(0，0，0)，即量子壘的最大禁帶寬度呈現先減小再增大的總體變化趨勢。單個量子壘的三個膜層InxGahNaiyInzGaml InxGa1J的厚度都是3nm，總厚度保持9nm不變。9個量子阱的禁帶寬度保持不變，且厚度均為3nm。
[0019]實施例3
除有源區5外，本發明實施例3的LED外延結構與實施例1完全相同。參看圖4，有源區5由8個InxGahN (O<=x<=1)量子壘和7個Ina2Gaa8N量子阱組成。按照外延生長自下而上的順序，8個InxGahN (O <= x <=1)量子壘的最大禁帶寬度呈現先減小再增大的變化趨勢。其中，第1個與第8個量子壘的材料為GaN ;第2、3個量子壘的禁帶寬度呈現均勻降低的變化方式，且代表它們化學組分的X取值分別從O均勻遞增到0.03、從0.06均勻遞增到0.09 ;第4、5、6、7個量子壘的禁帶寬度呈現均勻升高的變化方式，且它們的X取值分別從0.15均勻遞減到0.12、從0.11均勻遞減到0.08、從0.07均勻遞減到0.04、從0.03均勻遞減到O ;所有量子壘的膜層厚度都保持IOnm不變；7個量子阱的禁帶寬度保持不變，且膜層厚度均為3nm。
[0020]實施例4
除有源區5外，本發明實施例4的LED外延結構與實施例1完全相同。如圖5所示，有源區層5由10個InxGahN(O <= x <= 1)量子壘和9個Ina2Gaa8N量子阱組成。10個InxGa1-xN(O<=X<=1)量子壘的X取值自下而上分別為0、0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子壘的禁帶寬度呈現先減小再增大的變化趨勢。10個InxGahN (O <= x <= I)量子壘的膜層厚度自下而上分別為 10nm、8nm、6 nm、4 nm、4 nm、5 nm、6 nm、8nm、10nm、IOnm，即量子壘的厚度也呈現先減小再增大的變化趨勢。9個量子阱的禁帶寬度保持不變，且膜層厚度均為3nm。
[0021]實施例5
除有源區5外，本發明實施例5的LED外延結構與實施例1完全相同。如圖6所示，有源區層5由7個InxGahN (O<=X<=1)量子壘和6個Ina2Gaa8N量子阱組成。7個InxGa1-xN(O<=X<=1)量子壘的X取值自下而上分別為0、0.16,0.12,0.08,0.04、0、0，即禁帶寬度從第二個量子壘開始呈現逐漸增大的變化趨勢，每個量子壘的厚度均為10nm。6個量子阱的禁帶寬度保持不變，且厚度均為3nm。
[0022]實施例6
除有源區5外，本發明實施例6的LED外延結構與實施例1完全相同。如圖7所示，有源區層5由9個InxGahN (O<=X<=1)量子壘和6個Ina2Gaa8N量子阱組成。9個InxGa1-xN(O<=X<=1)量子壘的X取值自下而上分別為0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子壘的禁帶寬度呈現先減小再增大的變化趨勢，量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。而且,第1個與第2個量子魚之間、第2個與第3個量子魚之間無量子講。從第3個量子魚以后，量子阱開始出現，其禁帶寬度保持不變，膜層厚度均為3nm。
[0023]實施例7
除有源區5外，本發明實施例7的LED外延結構與實施例1完全相同。如圖8所示，有源區層5由9個InxGahN (O<=X<=1)量子壘和3個Ina2Gaa8N量子阱組成。9個InxGa1-xN(O<=X<=1)量子壘的X取值自下而上分別為0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子壘的禁帶寬度呈現先減小再增大的變化趨勢，量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。而且，第1個與第2個量子壘之間、第2個與第3個量子壘之間、第6個與第7個量子壘之間、第7個與第8個量子魚之間、第8個與第9個量子魚之間無量子講。第3個與第4個量子壘之間、第4個與第5個量子壘之間、第5個與第6個量子壘之間存在量子阱。這些量子阱的禁帶寬度保持不變，膜層厚度均為3nm。
[0024]實施例8
除有源區5外，本發明實施例8的LED外延結構與實施例1完全相同。如圖9所示，有源區層5由9個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和8個Ina2Gaa8N量子阱組成。9個InxGa1^xN(O≤X≤I)量子壘的X取值自下而上分別為0、0.06,0.10,0.08,0.04、0、0、0、0，即禁帶寬度從第2個量子壘開始呈現先增大然后恒定不變的趨勢。量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。8個量子阱的禁帶寬度保持不變，但它們的膜層厚度自下而上依次為5nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、2nm、2nm。
[0025]以上只是公開了本發明的示范性實施例。對于本領域的相關技術人員依據本發明實例的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上屬同一技術構思的改變均屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種適用于大電流驅動的氮化物LED外延結構，它從襯底開始自下而上依次包括:η型化合物半導體、有源區和P型化合物半導體三部分；η型化合物半導體包括緩沖層、非摻雜層、η型電子注入物層，P型化合物半導體包括P型電子阻擋層和P型空穴注入層，η型化合物半導體、有源區和P型化合物半導體三部分的組成材料均為氮化物AlxInyGa1^N(O≤X, y≤I ；x+y ( I),且各部分由一層或者若干層不同組分的AlxInyGa1IyN (O ( x,y ( I ；x+y ( D構成；其特征在于，所述有源區是由m個量子阱和m+1個量子壘交替堆疊而成，其中，m為任意自然數，量子壘的最大禁帶寬度大于相鄰量子阱的最大禁帶寬度，不同量子壘的最大禁帶寬度或膜層厚度呈現漸變方式分布。
2.根據權利要求1所述的氮化物LED外延結構，其特征在于，所述m+1個量子壘的最大禁帶寬度按照自下而上的方向呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布，且其中至少存在A (A為非負整數，A^m)個最大禁帶寬度保持不變的量子壘。
3.根據權利要求1或2所述的氮化物LED外延結構，其特征在于，所述m+1個量子壘的膜層厚度按照自下而上的方向呈現逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布，且其中至少存在B (B為非負整數，B^m)個膜層厚度保持不變的量子壘。
4.根據權利要求1、2、3所述的LED外延結構，其特征在于，所述量子壘和量子阱的禁帶寬度都通過調節氮化物Alx InyGa1IyN (O ≤x, y ≤I ；x+y ( I)的化學組分實現。
【文檔編號】H01L33/06GK103855262SQ201210508820
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月4日 優先權日:2012年12月4日
【發明者】馬亮, 梁信偉 申請人:同方光電科技有限公司, 同方股份有限公司