[發(fā)明專利]發(fā)光二極管及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010143181.9
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111554782B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王國斌;王建峰;徐科
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇第三代半導(dǎo)體研究院有限公司
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/00;H01L33/12;H01L33/14;H01L33/32
• 代理公司: 上海盈盛知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31294
• 代理人: 孫佳胤

本發(fā)明提供了一種發(fā)光二極管，包括自支撐襯底層，以及所述自支撐襯底表面的n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、以及p型半導(dǎo)體層，所述發(fā)光層包括電子擴展層、超晶格有源區(qū)、和空穴增強層。上述結(jié)構(gòu)能夠提高在小電流密度下的出光效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，尤其涉及一種發(fā)光二極管。

背景技術(shù)

GaN基的發(fā)光二極管(LED)因其發(fā)光層可以混合窄禁帶的InGaN材料 (對應(yīng)長波長光)和寬禁帶的AlGaN材料(對應(yīng)短波長)，從而可實現(xiàn)全光譜的發(fā)光，被廣泛應(yīng)用于照明顯示及其相關(guān)應(yīng)用。附圖1所示是現(xiàn)有技術(shù)中一種芯片尺寸的GaN基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖，一般用于100微米以上尺寸的芯片，主要由襯底、n型區(qū)、發(fā)光有源區(qū)和p型區(qū)組成。其中發(fā)光有源區(qū)用的是In (Al)GaN的多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)，通過調(diào)制In(Al)組分，理論上可以實現(xiàn)整個可見光范圍內(nèi)的波長。具體的結(jié)構(gòu)包括：藍寶石等異質(zhì)襯底、非摻雜GaN 層、n型GaN層、前壘層(FB)、應(yīng)力釋放層(SRL)、影子量子阱(SMQW)、量子阱有源區(qū)(MQW-SZ)、電子阻擋層(EBL)和p型GaN層等。

一般在藍寶石/硅/碳化硅等異質(zhì)襯底上生長非摻雜的GaN體材料，目的是減少由異質(zhì)襯底帶來的位錯，為后面生長器件結(jié)構(gòu)提供好的晶體質(zhì)量。盡管如此，由于能生長的體材料厚度有限，其位錯密度仍然達到10⁸cm^-2量級以上。而這樣的位錯密度在傳統(tǒng)芯片尺寸下，還可以勉強滿足出光效率的要求，原因是GaN系材料對位錯不像其他半導(dǎo)體材料那么敏感。但是，在100微米以下的Micro-LED芯片尺寸，位錯密度會急劇上升1～2個數(shù)量級，此時的缺陷密度引起的Shock-Read-Hall(SRH)非輻射復(fù)合將不容忽視。

由于異質(zhì)襯底的原因，會存在很大的應(yīng)力，現(xiàn)有外延結(jié)構(gòu)在生長以多量子阱(MQWs)為發(fā)光有源區(qū)之前，需要生長一些外延層來消除影響，像應(yīng)力釋放層(StrainRelease Layer)和影子量子阱(Shellow Well)等。而通常的前壘層(FB)是為了開V型坑來提高出光效率的，在100微米以下的Micro-LED 芯片尺寸，這種V型坑(也即缺陷)和其帶來的不均勻性將會被放大，此時缺陷密度引起的SRH復(fù)合將占主導(dǎo)作用。再者，當芯片縮小到Micro-LED尺寸時，電流密度變低，nGaN與MQW之間的那些外延層的作用將被減弱，量子阱中的電子、空穴波函數(shù)空間分離會加劇。電子相比空穴，不論是濃度還是遷移率，都要高出1～2個數(shù)量級。在上述極化場效應(yīng)影響下，多量子阱的有源區(qū)結(jié)構(gòu)中，電子被最后一個阱捕獲的概率上升。即發(fā)光復(fù)合只在最后1個阱內(nèi)發(fā)生，載流子的匹配變差，內(nèi)量子效率降低。

在p型區(qū)的電子阻擋層(EBL)，除了阻擋從量子阱有源區(qū)溢出的電子外，更重要的作用是為了填補前面的V型坑，而當尺寸減小后，更多電子被最后一個阱捕獲，電子阻擋層的效果也被減弱。

綜上，微尺寸Micro-LED形成如下趨勢：峰值效率向大電流密度區(qū)域偏移、同時伴隨著出光效率的急劇下降。如何避免在小電流密度注入下，峰值效率向非工作區(qū)域偏移，同時避免出光效率急劇下降，是現(xiàn)有技術(shù)面臨的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種發(fā)光二極管，能夠提高在小電流密度下的出光效率。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種發(fā)光二極管，包括自支撐襯底層，以及所述自支撐襯底表面的n型半導(dǎo)體層、發(fā)光層、以及p型半導(dǎo)體層，所述發(fā)光層包括電子擴展層、超晶格有源區(qū)、和空穴增強層。

可選的，所述超晶格有源區(qū)包括多層交替生長的發(fā)光阱層和發(fā)光壘層。包括不少于30層彼此交替的發(fā)光阱層和發(fā)光壘層，發(fā)光阱層的單層厚度區(qū)間為 2～3nm，發(fā)光壘層的單層厚度區(qū)間為4～8nm，以形成小電流密度下的電子空穴的隧穿效應(yīng)。

可選的，電子擴展層的厚度大于100nm，空穴增強層厚度小于30nm。