一种适用于大电流驱动的氮化物led外延结构的制作方法
【专利摘要】一种适用于大电流驱动的氮化物LED外延结构，涉及LED光电子器件的制造【技术领域】。本发明结构从衬底开始自下而上依次包括：n型化合物半导体、有源区和p型化合物半导体三部分。其结构特点是，所述有源区是由m个量子阱和m+1个量子垒交替堆叠而成，其中，m为任意自然数，量子垒的最大禁带宽度大于相邻量子阱的最大禁带宽度，不同量子垒的最大禁带宽度或膜层厚度呈现渐变方式分布。同现有技术相比，本发明能减小或者消除氮化物LED在大电流驱动条件下的“能效降低”问题，提高器件的量子效率。
【专利说明】—种适用于大电流驱动的氮化物LED外延结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及LED光电子器件的制造【技术领域】，特别是适合大电流驱动的氮化物LED外延生长结构。
【背景技术】
[0002]基于氮化物AlxInyGa1^yN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I ;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、生物医药等领域展开广泛应用。由于氮化物AlxInyGanyN(O ^ x,y ^ I ；x+y ( I)半导体的宽禁带宽度大约处于1.9~6.2 eV区间范围，恰好覆盖从黄绿光到紫外光的光谱能量范围。通过控制氮化物合金的阳离子组分可以准确地制定LED器件的发射波长。另一方面，由于上述具有纤锌矿晶体结构的氮化物LED属直接带隙跃迁发光，因而其发光效率较高。对于适合普通照明应用的氮化物白光LED而言，目前全球业界产品的发光效率通常在60~150 lm/ff不等。
[0003]尽管现在白光LED在发光效率方面已经达到或超过荧光灯，但其数值仍仅为理论发光效率(约300 lm/W)的一半左右。造成白光LED发光效率不足的原因是多方面的。其中，“能效降低”问题是最重要的原因之一。所谓“能效降低”是指氮化物LED器件随驱动电流的增大，量子效率呈现逐渐降低的现象。以InGaN/GaN多量子阱为有源区的LED外延结构制造的30*34mil尺寸的正装芯片为例，其量子效率在2~5A/cm2电流密度区间达到最大值，之后效率便随着电流的增大而降低。待电流密度达到53A/cm2 (即350mA)的正常驱动条件时，器件的量子效率却相对最大值降低约10~20%。由此可见，“能效降低”问题严重制约了氮化物LED器件在大功率、大电流驱动条件下的应用。
[0004]对于“能效降低”现象产生的物理机理，一般认为源于以下几个原因:⑴极化效应引起的内建静电场。 由于具有纤锌矿晶体结构的氮化物在[0001]晶面方向具有自发极化效应，同时由于晶体应变产生的压电极化效应将与前者共同作用在产生内建静电场。LED器件的多量子阱有源区将在内建静电场的作用下发生量子局限斯塔克效应(QCSE)，能带带边将会发生弯曲现象。发生能带弯曲的量子阱将降低电子和空穴波函数的重合几率，进而降低量子效率。⑵晶体缺陷和漏电现象。氮化物晶体存在较高密度的晶体缺陷是一个普遍存在的问题，它既是漏电流输运/传导的物理路径，又造成了非辐射跃迁中心的存在。而漏电是从量子阱有源区中“逃逸”出的未参加有效复合的电子，因此它的强度越大，对量子效率的不利影响就越大。此外，器件的漏电强度越大，其可靠性越低。⑶俄歇复合。⑷载流子浓度与复合分布不均匀。在通常的“周期循环式”多量子阱有源区中，由于电子和空穴的空间浓度分布不均，以及它们在迁移速率方面的较大差异，导致辐射复合主要出现在靠近P型半导体的最后几个量子阱，且在最后一个量子阱的复合几率最大。这样的不均匀复合强度分布状况对大电流驱动下的器件而言将限制其复合区域的空间体积大小，同样也会对量子效率产生不利影响。现有技术中，对于上述“能效降低”现象还没有十分有效的解决办法。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种适用于大电流驱动的氮化物LED外延结构。它能减小或者消除氮化物LED在大电流驱动条件下的“能效降低”问题，提高器件的量子效率。
[0006]为达到上述目的，本发明的技术方案以如下方式实现:
一种适合大电流驱动的氮化物LED外延结构，它从衬底开始自下而上依次包括:n型化合物半导体、有源区和P型化合物半导体三部分。η型化合物半导体包括缓冲层、非掺杂层、η型电子注入物层，P型化合物半导体包括P型电子阻挡层和P型空穴注入层，η型化合物半导体、有源区和P型化合物半导体三部分的组成材料均为氮化物AlxInyGanN (O ( X，y ( I ；x+y ( D，且各部分由一层或者若干层不同组分的AlxInyGa1TyN (O ^ x, y ^ I ；x+y ^ D构成；其结构特点是，所述有源区是由m个量子阱和m+1个量子垒交替堆叠而成，其中，m为任意自然数，量子垒的最大禁带宽度大于相邻量子阱的最大禁带宽度，不同量子垒的最大禁带宽度或膜层厚度呈现渐变方式分布。
[0007]在上述氮化物LED外延结构中，所述m+1个量子垒的最大禁带宽度按照自下而上的方向呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布，且其中至少存在A (A为非负整数，A < m)个最大禁带宽度保持不变的量子垒。
[0008]在上述氮化物LED外延结构中，所述m+1个量子垒的膜层厚度按照自下而上的方向呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布，且其中至少存在B (B为非负整数，B^m)个膜层厚度保持不变的量子垒。
[0009]在上述氮化物LE 、 D外延结构中，所述量子垒和量子阱的禁带宽度都通过调节氮化物AlxInyGa1IyN (O≤x, y≤I ；x+y ( I)的化学组分实现。
[0010]本发明由于采用了上述结构，其优点如下:
首先，在本发明氮化物LED外延结构中，量子垒的最大禁带宽度呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布可以增加空穴的注入效率，同时也增加了电子注入到有源区的效率。相比现有技术中具有“周期循环式”多量子阱有源区的氮化物LED外延结构，本发明所述的外延结构改进了载流子浓度或复合强度空间分布不均匀的缺点。
[0011]第二，本发明中采用量子垒的最大禁带宽呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布的外延结构可以降低量子垒与量子阱交接界面处的晶格常数和热传导系数的失配，提高有源区的外延晶体质量。进而降低漏电，提高LED内量子效率和抗静电击穿性能
坐寸ο
[0012]第三，采用量子垒的最大禁带宽度呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布的外延结构还可以减少量子垒与量子阱界面结合处的极化静电荷积累，降低LED器件的内建极化电场强度。这将有效地削弱量子局限斯塔克(QCSE )效应对量子效率和发射波长稳定性的不利影响，进而部分或完全克服LED器件在大电流驱动条件下的“能效降低”问题。
[0013]第四，采用量子垒的膜层厚度呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布的外延结构可以增加载流子的隧穿效应强度，改善载流子空间浓度或复合强度分布不均匀特点，从而提高载流子复合强度。
[0014]综上所述，采用本发明所述的量子垒渐变的氮化物LED外延结构可以增加氮化物LED器件的量子效率，特别是在大电流工作条件下的内量子效率。同时，它能有效地克服采用常规“周期循环式”多量子阱有源区外延结构LED在大电流工作条件下的“能效降低”问题。此外，该结构还能提高器件工作的可靠性和稳定性。
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0016]【专利附图】
【附图说明】
图1为本发明实施例1的氮化物LED外延结构的剖面示意图；
图2为本发明实施例1的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图3为本发明实施例2的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图4为本发明实施例3的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图5为本发明实施例4的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图6为本发明实施例5的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图7为本发明实施例6的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图8为本发明实施例7的多量子阱有源区的能带结构示意图；
图9为本发明实施例8的多量子阱有源区的能带结构示意图。
[0017]【具体实施方式】 实施例1
参看图1，本发明按照自下而上的顺序依次为蓝宝石衬底1、GaN低温缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型GaN电子注入层4、由10个InxGahN (O≤x≤I)量子垒和9个Inci 2Gatl 8N量子阱组成的有源区层5、Α1α?36&α87Ν P型电子阻挡层6和P型GaN空穴注入层7。其中，GaN低温缓冲层2的膜层厚度为25nm ;非掺杂GaN层3的厚度为2.5 μ m ;n型GaN电子注入层4的厚度为2.5 μ m，并采用5 X IO1Vcm3浓度的Si进行η型掺杂。10个InxGa^N (O≤χ≤I)量子垒的X取值自下而上分别为0、0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子垒的禁带宽度呈现先减小再增大的变化趋势，量子垒的膜层厚度保持在IOnm不变。9个量子阱的禁带宽度保持不变，且膜层厚度均为3nm ；Al0.13Ga0.87N p型电子阻挡层6的厚度为30nm ；P型GaN空穴注入层的厚度为0.5 μ m，并采用5X 102°/cm3浓度的Mg进行p掺杂。本实施例LED外延结构在静态平衡条件下的能带结构图如图2所示(局部)。其中，量子垒的禁带宽度呈现先减小后增大的渐变方式，而同一量子垒的禁带宽度不变。需要补充说明的是，图2和其它实施例的能带结构示意图均未考虑极化电场对能带带边的弯曲作用。
[0018]实施例2
除有源区层5外，本发明实施例2的LED外延结构与实施例1完全相同。如图3，有源区 5 由 10 个 InxGahN/AlyInzGa卜^N/IrixGahN (O ^ x ^ I ；0 ^ y, z ≤ I ；y+z ≤ I)量子垒和9个Ina2Gaa8N量子阱组成。其中，单个量子垒In.Ga^.N/Al.1n.Ga^^N/In.Ga^.N又由三层氮化物InxGahlAlyInzGa1IzN' InxGapxN组成。在同一个量子垒中，第一层、第三层氮化物的化学组分相同，第二层氮化物的禁带宽度较其它两层要大。如果用有序实数对(X，Y, z)用来表示单个量子垒三层氮化物的材料组分，那么，与上述10个量子垒InxGahN/AlyInzGa1IzNAnxGa^xN相应的实数对取值自下而上分别为(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)，即量子垒的最大禁带宽度呈现先减小再增大的总体变化趋势。单个量子垒的三个膜层InxGahNaiyInzGaml InxGa1J的厚度都是3nm，总厚度保持9nm不变。9个量子阱的禁带宽度保持不变，且厚度均为3nm。
[0019]实施例3
除有源区5外，本发明实施例3的LED外延结构与实施例1完全相同。参看图4，有源区5由8个InxGahN (O<=x<=1)量子垒和7个Ina2Gaa8N量子阱组成。按照外延生长自下而上的顺序，8个InxGahN (O <= x <=1)量子垒的最大禁带宽度呈现先减小再增大的变化趋势。其中，第1个与第8个量子垒的材料为GaN ;第2、3个量子垒的禁带宽度呈现均匀降低的变化方式，且代表它们化学组分的X取值分别从O均匀递增到0.03、从0.06均匀递增到0.09 ;第4、5、6、7个量子垒的禁带宽度呈现均匀升高的变化方式，且它们的X取值分别从0.15均匀递减到0.12、从0.11均匀递减到0.08、从0.07均匀递减到0.04、从0.03均匀递减到O ;所有量子垒的膜层厚度都保持IOnm不变；7个量子阱的禁带宽度保持不变，且膜层厚度均为3nm。
[0020]实施例4
除有源区5外，本发明实施例4的LED外延结构与实施例1完全相同。如图5所示，有源区层5由10个InxGahN(O <= x <= 1)量子垒和9个Ina2Gaa8N量子阱组成。10个InxGa1-xN(O<=X<=1)量子垒的X取值自下而上分别为0、0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子垒的禁带宽度呈现先减小再增大的变化趋势。10个InxGahN (O <= x <= I)量子垒的膜层厚度自下而上分别为 10nm、8nm、6 nm、4 nm、4 nm、5 nm、6 nm、8nm、10nm、IOnm，即量子垒的厚度也呈现先减小再增大的变化趋势。9个量子阱的禁带宽度保持不变，且膜层厚度均为3nm。
[0021]实施例5
除有源区5外，本发明实施例5的LED外延结构与实施例1完全相同。如图6所示，有源区层5由7个InxGahN (O<=X<=1)量子垒和6个Ina2Gaa8N量子阱组成。7个InxGa1-xN(O<=X<=1)量子垒的X取值自下而上分别为0、0.16,0.12,0.08,0.04、0、0，即禁带宽度从第二个量子垒开始呈现逐渐增大的变化趋势，每个量子垒的厚度均为10nm。6个量子阱的禁带宽度保持不变，且厚度均为3nm。
[0022]实施例6
除有源区5外，本发明实施例6的LED外延结构与实施例1完全相同。如图7所示，有源区层5由9个InxGahN (O<=X<=1)量子垒和6个Ina2Gaa8N量子阱组成。9个InxGa1-xN(O<=X<=1)量子垒的X取值自下而上分别为0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子垒的禁带宽度呈现先减小再增大的变化趋势，量子垒的膜层厚度保持在IOnm不变。而且,第1个与第2个量子鱼之间、第2个与第3个量子鱼之间无量子讲。从第3个量子鱼以后，量子阱开始出现，其禁带宽度保持不变，膜层厚度均为3nm。
[0023]实施例7
除有源区5外，本发明实施例7的LED外延结构与实施例1完全相同。如图8所示，有源区层5由9个InxGahN (O<=X<=1)量子垒和3个Ina2Gaa8N量子阱组成。9个InxGa1-xN(O<=X<=1)量子垒的X取值自下而上分别为0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0，即量子垒的禁带宽度呈现先减小再增大的变化趋势，量子垒的膜层厚度保持在IOnm不变。而且，第1个与第2个量子垒之间、第2个与第3个量子垒之间、第6个与第7个量子垒之间、第7个与第8个量子鱼之间、第8个与第9个量子鱼之间无量子讲。第3个与第4个量子垒之间、第4个与第5个量子垒之间、第5个与第6个量子垒之间存在量子阱。这些量子阱的禁带宽度保持不变，膜层厚度均为3nm。
[0024]实施例8
除有源区5外，本发明实施例8的LED外延结构与实施例1完全相同。如图9所示，有源区层5由9个InxGahN (O≤x≤I)量子垒和8个Ina2Gaa8N量子阱组成。9个InxGa1^xN(O≤X≤I)量子垒的X取值自下而上分别为0、0.06,0.10,0.08,0.04、0、0、0、0，即禁带宽度从第2个量子垒开始呈现先增大然后恒定不变的趋势。量子垒的膜层厚度保持在IOnm不变。8个量子阱的禁带宽度保持不变，但它们的膜层厚度自下而上依次为5nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、2nm、2nm。
[0025]以上只是公开了本发明的示范性实施例。对于本领域的相关技术人员依据本发明实例的思想，在【具体实施方式】及应用范围上属同一技术构思的改变均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种适用于大电流驱动的氮化物LED外延结构，它从衬底开始自下而上依次包括:η型化合物半导体、有源区和P型化合物半导体三部分；η型化合物半导体包括缓冲层、非掺杂层、η型电子注入物层，P型化合物半导体包括P型电子阻挡层和P型空穴注入层，η型化合物半导体、有源区和P型化合物半导体三部分的组成材料均为氮化物AlxInyGa1^N(O≤X, y≤I ；x+y ( I),且各部分由一层或者若干层不同组分的AlxInyGa1IyN (O ( x,y ( I ；x+y ( D构成；其特征在于，所述有源区是由m个量子阱和m+1个量子垒交替堆叠而成，其中，m为任意自然数，量子垒的最大禁带宽度大于相邻量子阱的最大禁带宽度，不同量子垒的最大禁带宽度或膜层厚度呈现渐变方式分布。
2.根据权利要求1所述的氮化物LED外延结构，其特征在于，所述m+1个量子垒的最大禁带宽度按照自下而上的方向呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布，且其中至少存在A (A为非负整数，A^m)个最大禁带宽度保持不变的量子垒。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物LED外延结构，其特征在于，所述m+1个量子垒的膜层厚度按照自下而上的方向呈现逐渐增大或者先减小再增大的渐变方式分布，且其中至少存在B (B为非负整数，B^m)个膜层厚度保持不变的量子垒。
4.根据权利要求1、2、3所述的LED外延结构，其特征在于，所述量子垒和量子阱的禁带宽度都通过调节氮化物Alx InyGa1IyN (O ≤x, y ≤I ；x+y ( I)的化学组分实现。
【文档编号】H01L33/06GK103855262SQ201210508820
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月4日 优先权日:2012年12月4日
【发明者】马亮, 梁信伟 申请人:同方光电科技有限公司, 同方股份有限公司