一種led外延結構及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種LED外延結構,所述LED外延結構包括：襯底；位于所述襯底上的半導體外延層，包括N型半導體層、發光層及P型半導體層；所述發光層及N型半導體之間還設置有用以減少電子逃逸的電子減速層，所述電子減速層包括n層厚度為1至20nm的AlInGaN層堆疊而成。通過在發光層及N型半導體之間設置有用以減少電子逃逸的電子減速層，并且所述電子減速層由n層厚度為1至20nm的AlInGaN層堆疊而成，可有效降低電子的速度。
【專利說明】
一種LED外延結構及其制備方法
技術領域
[0001]本發明提供了一種LED外延結構及其制備方法。
【背景技術】
[0002]發光二極管(Light-Emitting D1de，LED)是一種能發光的半導體電子元件。這種電子元件早在1962年出現，早期只能發出低光度的紅光，之后發展出其他單色光的版本，時至今日能發出的光已遍及可見光、紅外線及紫外線，光度也提高到相當的光度。而用途也由初時作為指示燈、顯示板等；隨著技術的不斷進步，發光二極管已被廣泛的應用于顯示器、電視機采光裝飾和照明。
[0003]紫外發光二極管(UV Light Emitting D1de，UV_LED)是一種能夠直接將電能轉化為紫外光線的固態的半導體器件。隨著技術的發展，紫外發光二極管在生物醫療、防偽鑒定、凈化(水、空氣等)領域、計算機數據存儲和軍事等方面有著廣闊的市場應用前景。除此之外，紫外LED也越來越受到照明市場的關注。因為通過紫外LED激發三基色熒光粉，可獲得普通照明的白光。目前市售的白光LED大多是通過藍色LED激發黃光的熒光粉獲得，其中紅色光成份較弱。
[0004]近紫外LED指的是發光波長位于355至405nm波段范圍的LED。目前在LED的研究和生產中用到最多也是最有潛力的材料GaN的禁帶寬度為3.4eV，對應的發光波長為365nm。InGaN LED采用不同的In組分可以獲得365至405nm的近紫外光。然而，在高電流驅動下，InGaN LED發光效率會明顯下降。這種由于芯片電流密度增加導致光效快速降低的現象被稱為droop效應。盡管droop產生的機理有很多種，最近大量的實驗證實載流子泄漏(Carrier leakage)是最主要的原因之一。尤其在大功率的器件中，解決載流子泄漏就顯得更為重要。
【發明內容】
[0005]本發明針對現有技術存在的問題，其目的在于提供一種可以減少電子逃逸的LED外延結構及其制備方法。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種LED外延結構，所述LED外延結構包括:襯底；位于所述襯底上的半導體外延層，包括N型半導體層、發光層及P型半導體層;所述發光層及N型半導體之間還設置有用以減少電子逃逸的電子減速層，所述電子減速層由η層厚度為I至20nm的Al InGaN層堆疊而成。
[0007]作為本發明的進一步改進，其中2Sng 10。
[0008]作為本發明的進一步改進，所述電子減速層第一層為AlxlInylGa1-xl—ylN，第二層為
Alx2lny2Ga1-x2-y2N,......，第η層為 AlxnInynGa1-xn—ynN，其中,0.4 > xl > x2 >...> xn > O, O <
yl < y2 <...< yn < 0.2。
[0009]作為本發明的進一步改進，所述N型半導體層的摻雜濃度為5E18至2E19(cm—3);所述P型半導體層的摻雜濃度為1E18至lE20(cm—3)，并且載流子濃度為5E16至2E17(cm—3)。
[0010]作為本發明的進一步改進，所述半導體外延層還包括設置于襯底上的緩沖層，設置于緩沖層及N型半導體層之間的UGaN層，設置于發光層及P型半導體層之間的電子阻擋層。
[0011]作為本發明的進一步改進，所述電子阻擋層的摻雜濃度為1E18至lE20(cm—3)，載流子濃度為5E16至2E17(cm—3)。
[0012]為實現上述目的，本發明提供了一種LED外延結構的制備方法:S1:將襯底放置在MOCVD反應室中的載盤上，在1080至IlOOcC下高溫處理5-10分鐘；S2:在1040至1070°C，100至200Torr的環境下，在襯底上生長2至4um的N型半導體層，摻雜濃度為5E18至2E19(cm—3)；S3:在750至900 0C、200至300Torr條件下，在N型半導體層上制作電子減速層，即生長η層厚度為 I 至20nm的 Al InGaN層，其中 2 < η < 10。第一層為 AlxiInyI Ga i — xi — yiN，第二層為
Alx2lny2Ga1-x2-y2N,......，第η層為AlxnInynGa1-xn—ynN。其中，0.4 > xl > x2 >...> xn > 0，0 <
yl <y2<...<711<0.2;54:在750至900°(:、200至3001'0^條件下，在電子減速層上生長6至12nm的低溫AlGaN量子皇層和2至4nm的低溫InGaN量子阱層，其中，低溫AlGaN量子皇層中的Al組分為0.05至0.25，重復生長6至10個周期，調節低溫InGaN量子阱層中的In組分，形成發光波長為365至405nm的低溫InGaN/AlGaN紫外發光層；S5:在800至1000°(:，100至4001'0^在發光層上生長30至50nm的P型半導體層。
[0013]作為本發明的進一步改進，所述制備方法還包括:在500-550°C，200_500Torr，在襯底上生長10-30nm的GaN層或者AlGaN層作為緩沖層;和/或在1040-1100°C，100-300Torr，在緩沖層上生長2-4um的uGaN層;和/或在800-1000°C，100-400Torr，在發光層上生長30-60nm的電子阻擋層。
[00?4]作為本發明的進一步改進，上述S 3步驟中，η為3，則第一層為5 n m的八10.31110.016&0.69~，第二層為5111]1的八10.21110.056&0.75~，第三層為5111]1的八10.11110.16&0.81^0[00?5]作為本發明的進一步改進，上述S3步驟中，η為4，則第一層為厚度3nm的八10.3111().()16&().6 9~，第二層為厚度5111]1的八1().2111().()5 6&().75^第三層為厚度為711111的△ 10.1111。.16&。.8~，第四層為厚度9111]1的厶1。.。5111。.126&。.83~。
[0016]本發明的有益效果:發光層及N型半導體之間還設置有用以減少電子逃逸的電子減速層，并且所述電子減速層由η層厚度為I至20nm的AlInGaN層堆疊而成，可有效降低電子的速度。
【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]如圖1為本發明一實施例中LED芯片的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。
[0020]為了便于描述，在這里可以使用空間相對術語，如“在......之上”、“在......上方”、“在......上表面”、“上面的”等，用來描述如在圖中所示的一個器件或特征與其他器件或特征的空間位置關系。應當理解的是，空間相對術語旨在包含除了器件在圖中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附圖中的器件被倒置，則描述為“在其他器件或構造上方”或“在其他器件或構造之上”的器件之后將被定位為“在其他器件或構造下方”或“在其他器件或構造之下”。因而，示例性術語“在......上方”可以包括
“在......上方”和“在......下方”兩種方位。該器件也可以其他不同方式定位(旋轉90度或處于其他方位)，并且對這里所使用的空間相對描述作出相應解釋。
[0021]此外，在不同的實施例中可能使用重復的標號或標示。這些重復僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論的不同實施例及/或結構之間具有任何關聯性。
[0022]根據圖1所示為本發明中所述LED外延結構的剖視結構示意圖，從下而上為外延生長方向，沿著外延生長方向，所述LED外延結構包括:襯底、設置于襯底上的半導體外延層，所述半導體外延層包括N型半導體層、所述半導體外延層包括N型半導體層、電子減速層、發光層及P型半導體層。
[0023]本實施例中，所述襯底的材料為藍寶石，當然，若采用其他材料，如S1、SiC、GaN、ZnO等也可滿足本發明的條件。
[0024]所述N型半導體層可以是η型GaN等，所述N型半導體層的摻雜濃度為5Ε18至2E19cm—30
[0025]所述電子減速層包括η層厚度為I?20nm的Al InGaN層堆疊而成，其中2<nd0。通過設計不同組合的AlInGaN形成不同的能階，使得電子逐層冷卻下來。在本實施方式中，所述電子減速層第一層為AlxiInyiGai—xi—yiN，第二層為Alx2lny2Gai—x2—y2N，......，第n層為
AlxnInynGai—xn-ynN，其中,0.4 > xl > x2 >...> xn > 0,0 < yl < y2 <...< yn < 0.2。
[0026]所述發光層由InGaN為量子講和AlGaN為量子皇堆疊而成，其發光波長為365?405nmo
[0027]所述P型半導體層可以是P型GaN等，所述P型半導體層的摻雜濃度為1E18?lE20cm—3，載流子濃度為 5E16 ?2E17cm—3。
[0028]當然，在本實施方式中，所述半導體外延層還包括設置于襯底上的緩沖層，設置于緩沖層上的UGaN層，設置于發光層上的電子阻擋層。
[0029]所述電子阻擋層的材料可以為AlGaN、AlInGaN，且摻雜濃度為1E18?lE20cm—3，載流子濃度為5E16?2E17cnf3。
[0030]具體的，本發明的一種LED外延結構的制備方法包括以下步驟:
[0031 ] Stepl:將藍寶石襯底放置于MOCVD反應室中的載盤上，在1080°C?1100°C下高溫處理5-10分鐘，其中藍寶石襯底可以為平片或者圖形化襯底。
[0032]Step2:在500?550°C，200?500Torr的條件下，在襯底上生長10?30nm的GaN層或者 Al InGaN 層作為緩沖層，I Torr = 133.3Pa。
[0033]Step3:在1040?1100°(:，100?3001'0^的條件下，在緩沖層上生長2?411111的1^^^層。
[0034]Step4:在1040?1070°C，100?200Torr的條件下，在uGaN上生長2?4um的N型半導體層。
[0035]Step5:在750?900°C，200?300Torr的條件下，在N型半導體層上生長η層厚度為I?20nm的Al InGaN層作為電子減速層，其中2 < η < I O。，所述Al InGaN層第一層為
AlxiInyiGai—xi—yiN，第二層為Alx2lny2Gai—x2-y2N，......，第n層為AlxnInynGa1-xn—ynN，其中,0.4
> xl > x2 >...> xn > 0,0 < yl < y2 <...<yn<0.2。
[0036]Step6:在750?900°C，200?300Torr的條件下，在電子減速層上生長6?12nm的低溫AlGaN量子皇層和2?4nm的低溫InGaN量子阱層，其中，低溫AlGaN量子皇層中的Al的組分為0.05?0.25，重復生長6?10個周期，并調節低溫InGaN量子阱層中的In組分，形成發光波長為365?405nm的低溫InGaN/AlGaN紫外發光層。
[0037]Step7:在800?1000°(:，100?4001'0^的條件下，在發光層上生長30?60醒的電子阻擋層。
[0038]Step8:在800?1000°(:，100?4001'0^的條件下，在電子阻擋層上生長30?5011111的
P型半導體層。
[0039]優選的，本發明提供了以下2種優選實施例:
[0040]第一種優選實施例，所述電子減速層，是包括3層厚度為5nm的AlInGaN層堆疊而成。第一層為△10.3111().()16&().69~，第二層為厶1().2111().()56&().75~，第三次為厶1().1111().16&().81^0
[0041]相應的制備方法為:
[0042]Stepl:將圖形化藍寶石襯底放置在MOCVD反應室中的載盤上，在1100°C下高溫處理5分鐘。
[0043]Step2:在530°C，400Torr的條件下，生長20nm的GaN層作為緩沖層。
[0044]step3:在 1080°C，200Torr的條件下，生長3um的uGaN層。
[0045]Step4:在1060°C，150Torr的條件下，生長3um的η型GaN層，摻雜濃度為lE19cm—3。
[0046]Step5:在850°C，250Torr的條件下，依次生長厚度均為5nm的Al0.sIn0.tnGa0.f^N，Al0.2ln0.05Ga0.75N，Al0.1In0.1Ga0.8N0
[0047]Step6:在750?900°C、250Torr的條件下，生長1nm的低溫AlGaN量子皇層和3nm的低溫InGaN量子阱層，其中，低溫AlGaN量子皇層中的Al組分為0.15，重復生長9個周期，調節低溫InGaN量子阱層中的In組分，形成發光波長為390nm的低溫InGaN/AlGaN紫外發光層。
[0048]Step7:在850°C，300Torr的條件下，生長40nm的電子阻擋層。
[0049]Step8:在950°C，400Torr的條件下，生長50nm的p型GaN層。
[0050]第二種優選實施例，所述電子減速層，是包括4層厚度不同的AlInGaN層堆疊而成。第一層為厚度 3nm 的六1().3111().()163().691^，第二層為厚度5111]1的41().2111().()563().751^，第三層為厚度為 7nm 的△1。.11]1。.16&。.8~，第四層為厚度9111]1的厶1。.。5111。.126&。.831^0
[0051 ]相應的制備方法為:
[0052]Stepl:將圖形化藍寶石襯底放置在MOCVD反應室中的載板上，在1100°C下高溫處理5分鐘。
[0053]Step2:在530°C，400Torr的條件下，生長20nm的GaN層作為緩沖層。
[0054]step3:在 108CTC，200Torr的條件下，生長3um的uGaN層。
[0055]Step4:在1060°C，150Torr的條件下，生長3um的η型GaN層，摻雜濃度為lE19cm—3。
[0056]Step5:在850°C，250Torr 的條件下，依次生長3nm的AlQ.3lnQ.()iGa().69N，5nm的Al0.2ln0.05Ga0.75N，7nm|^]Al0.1In0.1Ga0.8N，9nm|^]Al0.05ln0.12Ga0.83N0
[0057]Step6:在750?900°C、250Torr的條件下，生長1nm的低溫AlGaN量子皇層和3nm的低溫InGaN量子阱層，其中，低溫AlGaN量子皇層中的Al組分為0.15，重復生長9個周期，調節低溫InGaN量子阱層中的In組分，形成發光波長為390nm的低溫InGaN/AlGaN紫外發光層。
[0058]Step7:在850°C，300Torr的條件下，生長40nm的電子阻擋層。
[0059]Step8:在95CTC，400Torr的條件下，生長50nm的p型GaN層。
[0060]因此，本發明的所述LED外延結構通過在發光層和N型半導體層之間插入一層電子減速層，可提升紫外LED器件的發光效率。并且，所述電子減速層由η層厚度為I?20nm的Al InGaN層制成，從而，從N型半導體層注入的高能電子通過不同能階的Al InGaN層后逐級減速，以減少載流子泄露的概率，從而減緩了 droop效應。采用該結構的近紫外發光器盡管在高電流密度的驅動下，也可獲得較高的光電轉化效率。
[0061]對于本領域技術人員而言，顯然本發明不限于上述示范性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0062]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【主權項】
1.一種LED外延結構，其特征在于:所述LED外延結構包括: 襯底； 位于所述襯底上的半導體外延層，包括N型半導體層、發光層及P型半導體層;所述發光層及N型半導體之間還設置有用以減少電子逃逸的電子減速層，所述電子減速層由η層厚度為I至20nm的Al InGaN層堆疊而成。2.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于:其中2< η < 10。3.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于:所述電子減速層第一層為AlxiInyiGai—xi—yiN，第二層為AlX2lny2Gai—X2-y2N，......，第η層為AlxnInynGa1-xn-ynN，其中，0.4 >xl >x2>...> xn > 0,0 < yl < y2 <...< yn < 0.204.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于:所述N型半導體層的摻雜濃度為5E18至2E19(cm—3);所述P型半導體層的摻雜濃度為1E18至lE20(cm—3)，并且載流子濃度為5E16 至 2E17(cm—3)。5.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于:所述半導體外延層還包括設置于襯底上的緩沖層，設置于緩沖層及N型半導體層之間的UGaN層，設置于發光層及P型半導體層之間的電子阻擋層。6.根據權利要求1所述的LED外延結構，其特征在于:所述電子阻擋層的摻雜濃度為1E18至lE20(cm—3)，載流子濃度為5E16至2E17(cm—3)。7.一種LED外延結構的制備方法: SI:將襯底放置在MOCVD反應室中的載盤上，在1080至1100 °C下高溫處理5_10分鐘； S2:在1040至1070°C，100至200Torr的環境下，在襯底上生長2至4um的N型半導體層，摻雜濃度為5E18至2E19(cm—3); S3:在750至900°C、200至300Torr條件下，在N型半導體層上制作電子減速層，即生長η層厚度為I至20nm的AlInGaN層，其中2 < η < 10。第一層為AlxiInyiGai—xi—yiN，第二層為Alx2lny2Ga1-x2-y2N,......，第η層為AlxnInynGa1-xn—ynN。其中，0.4 > xl > x2 > …> xn > O，0 < yl< y2 <...< yn < 0.2； S4:在750至900°C、200至300Torr條件下，在電子減速層上生長6至12nm的低溫AlGaN量子皇層和2至4nm的低溫InGaN量子阱層，其中，低溫AlGaN量子皇層中的Al組分為0.05至0.25，重復生長6至10個周期，調節低溫InGaN量子阱層中的In組分，形成發光波長為365至405nm的低溫InGaN/AlGaN紫外發光層； S5:在800至10000C，100至400Torr，在發光層上生長30至50nm的p型半導體層。8.根據權利要求7所述的一種LED外延結構的制備方法，其特征在于: 所述制備方法還包括: 在500-550 0C，200-500Torr，在襯底上生長10_30nm的GaN層或者AlGaN層作為緩沖層； 和/或在1040-1100 0C，100-300Torr，在緩沖層上生長2_4um的uGaN層； 和/或在800-10000C，100-400Torr，在發光層上生長30_60nm的電子阻擋層。9.根據權利要求7所述的LED外延結構的制備方法，其特征在于:上述S3步驟中，11為3，則第 一j!IS5nn^Al0.3ln0.0iGa0.69N，第二層為5]11]1的厶10.21110.056&0.75~，第三層為 5nm 的Al0.1ln0.1Ga0.sNo10.根據權利要求7所述的LED外延結構的制備方法，其特征在于:上述S3步驟中，11為4，則第一層為厚度311111的八1().3111().()163().69?^，第二層為厚度511111的八1().2111().()563().75?^，第三層為厚度為 7nm 的六1。.11110.16&0.8?^，第四層為厚度911111的六10.051110.126&0.83~。
【文檔編號】H01L33/00GK105845797SQ201610357580
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】馮猛, 陳立人, 劉恒山
【申請人】聚燦光電科技股份有限公司