一种LED外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及发光二极管领域，尤其涉及一种led外延结构及其制备方法。

背景技术：

1、目前，gan基led发光材料因其禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和迁移率高等物理和化学特性在显示、照明、生物技术、传感器及其他领域发挥着越来越多应用。目前，gan基led发光二极管主要面临的挑战则是空穴注入效率较低，进而造成gan基led发光材料光电转换效率较低。较低的空穴注入效率某种程度上也加剧了电子泄露这一问题，更深层面来说则造成内量子效率严重衰退，制约了gan基发光二极管的光电性能。所以提高空穴注入效率对于改善gan基led的光电性能显得尤为重要。

2、目前已有的，主要有调整有源区量子垒厚度来减小空穴传输路程，实现空穴浓度的均匀分布；通过设计p型gan中材料的组分来增加空穴注入浓度；以及增加p电极接触层电导率等实现。

3、上述方式，经过大量的研究证明在一定程度上可以改善空穴的注入效率，但由于外延生长中工艺复杂，每一层的组分差异又较小，很难精确的控制其组分，如量子垒厚度太厚则会造成应力失配，其材料极化电场增强，影响空穴注入效率较低；太薄则对电子和空穴的束缚力不足，也会影响内量子效率。再者，aln中mg的激活能力很差，精确控制al组分也一大挑战。

4、有鉴于此，本发明人专门设计了一种led外延结构及其制备方法，本案由此产生。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种led外延结构及其制备方法，用于解决led芯片穴注入效率低的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种led外延结构，包括：

4、衬底及依次层叠于所述衬底表面的n型半导体层、有源层以及p型半导体层；其中，所述有源层包括通过隧穿结串联的若干个量子阱结构，所述隧穿结包括沿第一方向依次堆叠的p型高掺半导体层、中间层以及n型高掺半导体层，所述p型高掺半导体层与所述n型高掺半导体层作为形成隧穿结的本体，且所述中间层用于在所述隧穿结内构建二次电场；所述第一方向垂直于所述衬底，并由所述衬底指向所述n型半导体层。

5、优选地，所述中间层与所述p型高掺半导体层和/或n型高掺半导体层的应力失配以构建所述二次电场，且所述二次电场包括极化电场。

6、进一步地，所述led外延结构作为gan系发光二极管的外延结构，则：

7、所述n型半导体层包括n型掺杂的gan层，所述p型半导体层包括p型掺杂的gan层，所述量子阱结构包括gan/ingan量子阱周期结构，所述p型高掺半导体层包括p型高掺的gan层，所述n型高掺半导体层包括n型高掺的gan层，所述中间层包括al组分和in组分渐变的alingan层。

8、优选地，所述中间层所构建的二次电场包括自由电场。

9、进一步地，所述中间层包括沿所述第一方向依次堆叠的第二p型半导体层、应力缓冲层以及第二n型半导体层；所述应力缓冲层用于间隔所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层，以避免所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层形成pn结。

10、进一步地，所述外延结构作为gan系发光二极管的外延结构，则：

11、所述n型半导体层包括n型掺杂的gan层，所述p型半导体层包括p型掺杂的gan层，所述量子阱结构包括gan/ingan量子阱周期结构，所述p型高掺半导体层包括p型高掺的gan层，所述n型高掺半导体层包括n型高掺的gan层。

12、进一步地，在所述中间层中：所述第二p型半导体层包括p型ingan层，所述第二n型半导体层包括n型algan层或n型gan层；所述应力缓冲层包括alingan层。

13、进一步地，通过in渐变增加的方式形成所述alingan层，以获得所述应力缓冲层。

14、优选地，所述n型高掺半导体层的掺杂浓度不小于所述p型高掺半导体层的掺杂浓度。

15、本发明还提供了一种led外延结构的制备方法，包括：

16、提供一衬底；

17、在所述衬底表面依次生长n型半导体层、有源层以及p型半导体层；其中，所述有源层包括通过隧穿结串联的若干个量子阱结构，所述隧穿结包括沿第一方向依次堆叠的p型高掺半导体层、中间层以及n型高掺半导体层，所述p型高掺半导体层与所述n型高掺半导体层作为形成隧穿结的本体，且所述中间层用于在所述隧穿结内构建二次电场；所述第一方向垂直于所述衬底，并由所述衬底指向所述n型半导体层。

18、优选地，所述中间层与所述p型高掺半导体层和/或n型高掺半导体层的应力失配以构建所述二次电场，且所述二次电场包括极化电场。

19、进一步地，所述led外延结构作为gan系发光二极管的外延结构，则：

20、所述n型半导体层包括n型掺杂的gan层，所述p型半导体层包括p型掺杂的gan层，所述量子阱结构包括gan/ingan量子阱周期结构，所述p型高掺半导体层包括p型高掺的gan层，所述n型高掺半导体层包括n型高掺的gan层，所述中间层包括al组分和in组分渐变的alingan层。

21、优选地，所述中间层所构建的二次电场包括自由电场，则：所述中间层包括沿所述第一方向依次堆叠的第二p型半导体层、应力缓冲层以及第二n型半导体层；所述应力缓冲层用于间隔所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层，以避免所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层形成pn结。

22、进一步地，所述外延结构作为gan系发光二极管的外延结构，则：所述n型半导体层包括n型掺杂的gan层，所述p型半导体层包括p型掺杂的gan层，所述量子阱结构包括gan/ingan量子阱周期结构，所述p型高掺半导体层包括p型高掺的gan层，所述n型高掺半导体层包括n型高掺的gan层；且在所述中间层中：所述第二p型半导体层包括p型ingan层，所述第二n型半导体层包括n型algan层或n型gan层；所述应力缓冲层包括alingan层。

23、经由上述的技术方案可知，本发明提供的led外延结构，通过设置所述有源层包括通过隧穿结串联的若干个量子阱结构，所述隧穿结包括沿第一方向依次堆叠的p型高掺半导体层、中间层以及n型高掺半导体层，所述p型高掺半导体层与所述n型高掺半导体层作为形成隧穿结的本体，且所述中间层用于在所述隧穿结内构建二次电场。基于此，当电子从n型半导体层进入有源层与空穴复合时，在隧穿结强大的内建电场的作用下，电子沿第一方向逐步转移至后续的量子阱结构中，实现电子和空穴的重复利用，并发生二次辐射复合；如此通过隧穿结串联的多个量子阱结构，可多次实现电子和空穴的重复利用，以产生更多的光子。

24、其次，通过设置所述n型高掺半导体层的掺杂浓度不小于所述p型高掺半导体层的掺杂浓度；从而，在保证p型掺杂剂的补偿效应的同时，避免p型掺杂剂(如mg等)的扩散，藉以最大化地实现电子和空穴的辐射复合。

25、然后，在本发明的一个技术方案中，所述中间层与所述p型高掺半导体层和/或n型高掺半导体层的应力失配以构建所述二次电场，且所述二次电场包括极化电场；基于此，通过极化电场进一步增强了隧穿结中的电场，从而提高载流子的隧穿几率。

26、此外，在本发明的另一个技术方案中，所述中间层所构建的二次电场包括自由电场。进一步地，所述中间层包括沿所述第一方向依次堆叠的第二p型半导体层、应力缓冲层以及第二n型半导体层；所述应力缓冲层用于间隔所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层，以避免所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层形成pn结。基于此，通过所述第二p型半导体层与所述第二n型半导体层构建与隧穿结同向的自由电场，增强了隧穿结中的电场，从而提高载流子的隧穿几率。

27、本发明还提供了一种led外延结构的制备方法，在实现上述技术效果的同时，其操作简单，易于实现。