Led外延结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种LED外延结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]LED照明灯是利用第四代绿色光源LED做成的一种照明灯具。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
[0003]如图1所示，现有技术的蓝白光LED的外延结构从下往上依次包括衬底300、缓冲层301、非故意掺杂GaN层 302，N型GaN层 303，InGaN/GaN量子阱层304，电子阻挡层305，P型GaN层306，接触层307。而后利用ICP工艺对外延结构表面的部分区域进行刻蚀，直至露出N型GaN层303，并于该露出区域处形成η电极400，作为负极，在其余的外延结构表面沉积P电极401作为正极。在LED芯片的正负电极上施加一个电场，从正极流入的空穴和从负极流入的电子，在InGaN/GaN量子讲层304中复合转化为光子。
[0004]由于半导体层与金属电极的接触电阻通常很高，电流通常会寻找最短路径通过InGaN/GaN量子阱层304而流向正极，实际情况下，只有电流所流经的最短路径区域才会发光；此外，因局部电流密度过大，使得驱动电压升高。因此，如何做好电流扩散，解决局部电流拥堵，是LED芯片设计中极为关键的一个问题。
[0005]参图1，当前LED芯片厂最为通用的技术是在外延结构的最上层形成低电阻系数的窗户层(window layer)、采用S12或者Si 3N4作为扩散阻隔层402，采用IT0308作为透明导电电极，达到增强电流扩展，提高发光效率。但是，由于扩散阻隔层402的存在，使得LED器件P焊盘周围的ITO扩展电极的厚度变薄，这增加了 ITO扩展电极的体电阻和接触电阻、且P焊盘周围阻隔层边界处最薄的ITO扩展电极也最容易被静电所击穿，使得LED芯片驱动电压增加，还降低芯片的可靠性。
[0006]中国专利(CN104538515A)公开了一种通过离子注入工艺在P型外延层的预定区域中形成高阻态阻挡层以达到扩展阻隔层的作用。然而，不管采用何种方法，都需要复杂的芯片工艺，延长了芯片的制作周期，增加成本，繁杂的芯片制程也会对外延结构表面有一定程度的伤害，从而影响最终LED芯片的光电性能和良率。
[0007]中国专利(CN101494262A)公开了一种通过直接在p型GaN上增加p型AlInGaN宽能隙层和P型AlInGaN窄能隙层的P型三维电子云结构以达到正极导入电流可平均分散的作用。但是，这种方法会导致另外一个非常严重的问题，采用过多的杂原子(In，Al，Mg等)对GaN材料进行掺杂，破坏了 GaN的晶格，影响晶体质量，造成的晶体缺陷以及在长晶过程中引入的C杂质会导致严重的吸光，降低外部发光效率(EQE)。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种LED外延结构及其制备方法。
[0009]为了实现上述目的之一，本发明一实施方式提供一种LED外延结构，所述LED外延结构从下向上依次包括衬底，N型GaN层，InGaN/GaN量子阱层，电子阻挡层，P型GaN层，接触层；所述P型GaN层和所述接触层之间还生长有空穴扩展层。所述的空穴扩展层在LED器件中起到帮助电流扩展的作用，解决电流拥堵的问题。
[0010]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述空穴扩展层为AlxGa(1_x)N层。
[0011]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N层为非故意掺杂的AlxGa(1_x)N 层。
[0012]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N层中X的取值范围为0.05-0.20。
[0013]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N层中X的取值范围为0.08-0.15。
[0014]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N层的厚度范围为10~40nm。
[0015]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述AlxGa(1_x)N层的厚度范围为20~30nm。
[0016]作为本发明一实施方式的进一步改进，所述衬底及所述N型GaN层之间由下而上还依次包括缓冲层及非故意掺杂GaN层。
[0017]为了实现上述目的之一，本发明一实施方式提供一种LED外延结构的制备方法，包括步骤:
提供一衬底；
在所述衬底上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长InGaN/GaN量子阱层；
在所述InGaN/GaN量子阱层上生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上生长P型GaN层；
在所述P型GaN层上生长空穴扩展层；
在所述空穴扩展层上生长接触层。
[0018]作为本发明一实施方式的进一步改进，“在所述P型GaN层上生长空穴扩展层”具体为:
在温度范围为900°C ~940°C、压力范围为100~400mbar条件下，以順3为N源，\和H2的混合气体为载气，控制队和H 2的流量比范围为1:2~2:1，在P型GaN层上生长厚度范围为10~40nm的非故意掺杂的AlxGa(1_x)N层，AlxGa(1_x)N层中x的取值范围为0.05-0.20。
[0019]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明的LED外延结构及其制备方法，其采用的AlxGa(1_x)N层具有较高能隙，从正极流出的空穴经过较高能隙的AlxGa(1_x)N层后会被均匀分散，然后空穴流到InGaN/GaN量子阱层中与电子复合而产生光子，如此，可提高发光均匀性，且无需借助复杂的芯片工艺就可以解决LED芯片中电流拥堵的问题。
【附图说明】
[0020]图1是现有技术LED外延结构的结构示意图；
图2是本发明一实施方式中LED外延结构的结构示意图；
图3是本发明一实施方式中具有同一 X值及不同厚度值的AlxGa(1_x)N层样品的实验数据图； 图4为本发明一实施方式的具有同一厚度值及不同X值的AlxGa(1_x)N层样品的实验数据图；
图5是本发明一实施方式的LED外延结构制备方法的步骤图。
【具体实施方式】
[0021]以下将结合附图所示的【具体实施方式】对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
[0022]如图2所示，本发明一实施方式的LED外延结构从下向上依次包括衬底100，N型GaN层103，InGaN/GaN量子阱层104，电子阻挡层105，P型GaN层106，接触层108 ;所述卩型GaN层106和所述接触层108之间还生长有空穴扩展层107，所述空穴扩展层107为非故意掺杂的AlxGa(1_x)N层107，所述AlxGa(1_x)N层107中x的取值范围为0.05-0.20，所述AlxGa(1_x)N 层 107 的厚度范围为 10~40nmo
[0023]这里，衬底100的材料为蓝宝石衬底，但不以此为限，例如可为S1、SiC等。N型GaN层103优选为高温N型GaN层；P型GaN层106优选为高温P型GaN。当然，N型GaN层103、P型GaN层106的类型不以上述描述为限，可以根据实际情况而定。
[0024]在本实施方式中，具有上述厚度范围及X取值范围的AlxGa(1_x)N层107具有较高能隙，从正极流出的空穴经过较高能隙的AlxGa(1_x)N层107后会被均匀分散，然后空穴流到InGaN/GaN量子阱层104中与电子复合而产生光子，如此，可提高发光均匀性，且无需借助复杂的芯片工艺就可以解决LED芯片中电流拥堵的问题。
[0025]在一实施方式中，该AlxGa(1_x)N层107为非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107，所述非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107下方为P型GaN层106，所述非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107上方为接触层108。一方面，由于所述非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107与P型GaN层106和/或接触层108之间存在扩散效应，若该非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107厚度太薄，就会因扩散效应使非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107具有过高的p型掺杂浓度，大大降低了非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107对空穴的横向扩展功效；另一方面，若该非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107厚度太厚或者非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107中的Al组分含量太高，非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107就会阻碍空穴纵向迀移，致使驱动电压升高。因此，为了保证非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107达到对空穴的最佳迀移效果，非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107中X的取值范围为0.05-0.20，且非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107的厚度范围为10~40nm，较佳的，非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107中x的取值范围为0.08-0.15，且非故意掺杂AlxGa(1_x)N层107的厚度范围为20~30nm。
[0026]继续参图1，本发明一实施方式的LED外延结构的衬底100及N型GaN层103之间还由下而上依次包含有缓冲层101、非故意掺杂GaN层102，其中，缓冲层101可为低温GaN缓冲层，非故意掺杂GaN层102可为高温非故意掺杂GaN层。当然，缓冲层101及非故意掺杂GaN层102的类型不以上述描述为限，可以根据实际情况而定。这里，需要说明的是，LED外延结构中各层的顺序不以上述描述为限，本领域技术人员可以根据实际情况做适当调整。
[0027]在本实施方式中，后续还要对上述LED外延结构进行蚀刻而形成p、n电极，η电极
200、P电极201均由金属沉积而成。具体的，N型GaN层103上形成有η电极200，接触层108上方形成与P型GaN106电性导通的p电极201，优选地，在接触层上方还设有ITO (透明导电层)109，P电极201直接设置于ITO的上方。
[0028]下面，详述AlxGa(1_x)N层107的x值及厚度值与LED发光亮度、LED驱动电压之间的关系。如图3及图4所示，图3为具有同一 X值及不同厚度值的AlxGa(1_x)N层107样品的实验数据图，图4为具有同一厚度值及不同X值的AlxGa(1_x)N层107样品的实验数据图。
[0029]如图3所示，选取样品A~样品F作为LED的外延结构的AlxGa(1_x)N层107，样品A~样品F中的X均取定为0.01，样品A~样品F中的厚度分别取定为0nm、10nm、20nm、30nm、40nm及50nm，由图3可知，在x的值一定的情况下，随着AlxGa(1_x)N层107厚度的增加，发光亮度先上升后下降，而驱动电压先下降后上升，当样品的厚度范围大致在10nm~40nm时，对应的LED外延结构的