[發(fā)明專利]LED外延結(jié)構(gòu)及其生長方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310274853.X
• 申請日: 2013-07-02
• 公開（公告）號: CN103346226A
• 公開（公告）日: 2013-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張宇;賴穆人
• 申請（專利權(quán)）人: 湘能華磊光電股份有限公司
• 主分類號: H01L33/14
• 分類號: H01L33/14;H01L33/06;H01L33/00
• 代理公司: 北京康信知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;張永明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種LED外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。

背景技術(shù)

GaN基材料（包括GaN、AlGaN、InGaN、MgGaN、SiGaN）屬于直接帶隙半導(dǎo)體，并且其帶隙從1.8-6.2V連續(xù)可調(diào)，是生產(chǎn)高亮度藍(lán)光、綠光和白光LED的最常用材料，廣泛應(yīng)用于背光源、大尺寸屏幕顯示、標(biāo)示標(biāo)牌指示、信號燈及照明等領(lǐng)域。

GaN基LED外延結(jié)構(gòu)生長方法通常為：采用MOCVD（金屬有機(jī)化合物氣相外延）在藍(lán)寶石襯底上外延生長一層GaN緩沖層，然后再生長非摻雜的GaN，目的是提高后續(xù)外延晶體的質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上再依次生長摻雜Si的N型GaN、摻雜In的GaN量子阱和摻雜Mg或Al的P型GaN，從而形成LED外延結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1是現(xiàn)有的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖，該外延結(jié)構(gòu)包括：GaN緩沖層102，設(shè)置在藍(lán)寶石襯底101上，包括厚度為50-60納米的GaN層1021及厚度為2-2.5微米的GaN1022；N型GaN層103，設(shè)置在所述GaN緩沖層102上，所述N型GaN層103包括厚度為1-1.5微米、Si摻雜濃度為4E+18-5E+18的GaN層1031，厚度為0.8-1.0微米、Si摻雜濃度為8E+18-9E+18的GaN層1032和厚度為0.4-0.5微米、Si摻雜濃度為3E+18-4E+18的GaN層1033；量子阱層104，設(shè)置在所述N型GaN層103上，所述量子阱層具有15個InxGa(1-x)N（x=0.20-0.21）/GaN層的超晶格結(jié)構(gòu)，其中InxGa(1-x)N（x=0.20-0.21）層的厚度為3納米，GaN層的厚度為12納米；P型GaN層105，設(shè)置在所述量子阱層上104，所述P型GaN層105包括厚度為40-50納米的Al-GaN(摻雜Al)1051和厚度為0.2-0.3微米的Mg-GaN(摻雜Mg)層1052。

目前，大尺寸、大功率LED器件取代小功率LED器件是半導(dǎo)體照明工程的必然趨勢，但是隨著芯片尺寸的加大，現(xiàn)有N型GaN的電子運(yùn)輸過程中會出現(xiàn)“電流擁擠”的現(xiàn)象，整個外延層電流分布不均勻，流經(jīng)量子阱的電流比較局域，造成的后果是芯片的驅(qū)動電壓較高，亮度偏低，大尺寸的效果為光效（亮度除以電壓）偏低。因此，N型GaN質(zhì)量影響著LED器件的工作壽命及發(fā)光效率，而現(xiàn)有的工藝生長N型GaN時，難以獲得高質(zhì)量的N型GaN層。

圖2是現(xiàn)有N型GaN的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，該能帶結(jié)構(gòu)包括：價帶能級201、導(dǎo)帶能級203以及位于兩者之間的費(fèi)米能級202，其中導(dǎo)帶能級203包括摻雜Si濃度為4E+18-5E+18的GaN形成的導(dǎo)帶能級2031、摻雜Si濃度為8E+18-9E+18的GaN形成的導(dǎo)帶能級2032和摻雜Si濃度為3E+18-4E+18的GaN形成的導(dǎo)帶能級2033。導(dǎo)帶能級2031和2033為勢壘，導(dǎo)帶能級2032為勢阱。該能帶結(jié)構(gòu)中的勢壘能級和勢阱能力相差不大，電子在傳輸過程中容易發(fā)生躍遷，使得電子輸運(yùn)過程中存在最短輸運(yùn)路徑，在最短路徑上將會出現(xiàn)電子密度過大引起的“電流擁擠”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致LED的驅(qū)動電壓較高，亮度偏低。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有大功率LED器件存在的驅(qū)動電壓較高、亮度偏低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種LED外延結(jié)構(gòu)及其生長方法。該生長方法采用交替式摻雜Si和Al的方式生長N型GaN層，形成Si-Al-GaN（摻雜Si和Al）/Si-GaN（摻雜Si）層的周期性N型GaN結(jié)構(gòu)。該N型GaN具有超晶格結(jié)構(gòu)，其中Si-Al-GaN層具有相對低的電阻值，而Si-GaN層具有相對高的電阻值，高、低電阻值的N型GaN在電流輸送過程中使得電子橫向擴(kuò)展能力加強(qiáng)，從而解決了電子運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的電流擁擠現(xiàn)象，降低了驅(qū)動電壓，使得量子阱電流均勻化，總體發(fā)光面積增加，亮度和光效提到提升。

本發(fā)明一方面提供了一種LED外延結(jié)構(gòu)。該外延結(jié)構(gòu)包括：GaN緩沖層，設(shè)置在藍(lán)寶石襯底上；N型GaN層，摻雜有Si和Al并設(shè)置在GaN緩沖層上；量子阱層，設(shè)置在N型GaN層上；P型GaN層上，設(shè)置在量子阱層上。優(yōu)選地，上述N型GaN層包括交替設(shè)置的Si-Al-GaN層和Si-GaN層。

優(yōu)選地，上述N型GaN層包括：第一N型GaN層，設(shè)置在GaN緩沖層上；第二N型GaN層，設(shè)置在第一N型GaN層上；第三N型GaN層，設(shè)置在第二N型GaN層上。