一種高光能密度輸出的 led 外延結(jié)構(gòu)及外延方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)及外延方法，將兩組或兩組以上的LED基本結(jié)構(gòu)單元以隧道節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接而形成統(tǒng)一的外延器件結(jié)構(gòu)，LED基本結(jié)構(gòu)單元包括：n型層、發(fā)光層和P型層，其中，發(fā)光層處于n型層和p型層之間。并且，n型層、發(fā)光層和P型層又由若干子層組成。本發(fā)明所述LED外延結(jié)構(gòu)可以在較低的電流密度注入條件下即獲得較高的光子能流密度輸出，提高了器件的光學(xué)控制因子。同時(shí)，它也緩解了LED器件在大電流密度驅(qū)動(dòng)條件下的“能效降低”(Efficiency Droop)問題，維持了器件較高的能量轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)及外延方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)及外延方法，屬于LED光電子器件的制造領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]基于砷化物AlJriyGah—yAs (O ^ x, y ^ I ；x+y 彡 I)、磷化物AlxInyGa1^yP (O ^ x, y ^ I ；x+y ^ I)、磷砷化物 AlJriyGah-yAShPz (O 彡 x, y, z ^ I ；x+y ^ I)和氮化物AlxInyGa1TyN (O彡x, y彡I ；x+y ( I ;纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu))半導(dǎo)體材料的發(fā)光二極管LED以其節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)逐漸在電子顯示屏、景觀照明、礦燈、路燈、液晶顯示器背光源、普通照明、光盤信息存儲(chǔ)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展開廣泛應(yīng)用。上述化合物半導(dǎo)體可以覆蓋從紅外、可見到紫外光的全部光譜能量范圍，而通過控制氮化物合金的陽離子組分可以準(zhǔn)確地定制LED器件的發(fā)射波長(zhǎng)。從應(yīng)用領(lǐng)域范圍、市場(chǎng)容量來看，又以氮化物L(fēng)ED的應(yīng)用為大宗、主流，比如，以白光LED為應(yīng)用代表的半導(dǎo)體照明行業(yè)。
[0003]雖然由上述化合物半導(dǎo)體制作的LED屬直接帶隙躍迀發(fā)光而具有較高的發(fā)光效率，但是，在目前技術(shù)條件下，LED器件在大電流密度驅(qū)動(dòng)條件下，會(huì)出現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換效率降低的現(xiàn)象，即“能效降低”(Efficiency Droop)現(xiàn)象。而且，這種現(xiàn)象在氮化物L(fēng)ED上表現(xiàn)尤為明顯。所以，在通常情況下，為了維持較高的能量轉(zhuǎn)換效率和保證高可靠性，器件所使用的驅(qū)動(dòng)電流密度都較低，如此便降低了 LED器件輸出的光子能流密度和光子總輸出功率。
[0004]對(duì)于某些需要器件具有高光子能流密度輸出的場(chǎng)合，亦即需要器件具有高光學(xué)控制因子的定向照明應(yīng)用領(lǐng)域，例如，汽車前大燈、射燈、筒燈、投影儀光源、體育場(chǎng)館照明等，上述問題帶來的矛盾就會(huì)突顯出來。在傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)下制作的照明燈具為了獲得較高的光子能量密度，往往會(huì)用增大驅(qū)動(dòng)電流而犧牲效率的辦法來實(shí)現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)僅有一組基本結(jié)構(gòu)單元的現(xiàn)狀，提供一種將兩組或兩組以上的LED基本結(jié)構(gòu)單元以隧道節(jié)(隧道二極管)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接而形成統(tǒng)一的具有高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置的襯底層和外延層；所述外延層包括至少兩組LED基本單元和至少一個(gè)隧道節(jié)；
[0007]所述每?jī)山MLED基本單元之間通過一個(gè)隧道節(jié)連接。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:采用本發(fā)明所述LED外延結(jié)構(gòu)制作的器件可以在保證輸入電功率不變的情況下，通過提高工作總電壓來實(shí)現(xiàn)工作電流的降低，即每個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元的正向壓降通過隧道節(jié)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)累加，而每個(gè)基本結(jié)構(gòu)的正向電流都是恒定的。這樣便可以緩解LED器件在大電流密度驅(qū)動(dòng)條件下的“能效降低"(Efficiency Droop)問題，使器件在較低的工作電流下維持較高的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，采用本發(fā)明所述LED外延結(jié)構(gòu)可以在較低的電流密度注入條件下即獲得較高的光能流度輸出，因而提高了器件的光學(xué)控制因子，為后繼LED燈珠、燈具和照明系統(tǒng)的開發(fā)提供了更好的靈活性，更多的可能性。
[0009]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0010]進(jìn)一步，所述LED基本單元包括依次設(shè)置的η型層、發(fā)光層和ρ型層。
[0011]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，η型層、P型層分別提供載流子電子和空穴的注入，而發(fā)光層則是電子和空穴復(fù)合發(fā)光的場(chǎng)所。
[0012]進(jìn)一步，所述η型層包括至少一個(gè)η型子層，砷化物AlxInyGa1IyAs (O彡X，y彡I ；x+y 彡 I)、磷化物 AlxInyGahiP (O ^ χ.Y ^ I ；x+y 彡 I)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (O ^ x, y, z ^ I ；x+y ( I)和氮化物 AlJriyGah—yN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)n型子層；
[0013]所述每個(gè)η型子層分別進(jìn)行η型摻雜；所述每個(gè)η型子層的η型摻雜的摻雜濃度相同或不同，η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se和Te中的至少一種。
[0014]進(jìn)一步，所述P型層包括至少一個(gè)P型子層，砷化物AlxInyGa1IyAs (O ^ x, y ^ I ；x+y 彡 I)、磷化物 AlxInyGahiP (O ^ χ.Y ^ I ；x+y 彡 I)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (O ^ x, y, z ^ I ；x+y ( I)和氮化物 AlJriyGah—yN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)P型子層；
[0015]所述每個(gè)ρ型子層分別進(jìn)行ρ型摻雜；
[0016]所述每個(gè)ρ型子層的ρ型摻雜的摻雜濃度相同或不同；p型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd和C中的至少一種。
[0017]進(jìn)一步，所述發(fā)光層包括至少一個(gè)薄膜子層，砷化物AlxInyGa1TyAs (O ^ x, y ^ I ；x+y 彡 I)、磷化物 AlxInyGahiP (O ^ χ.Y ^ I ；x+y 彡 I)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (O ^ x, y, z ^ I ；x+y ( I)和氮化物 AlJriyGah—yN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)薄膜子層；
[0018]所述至少一薄膜子層進(jìn)行η型、ρ型摻雜或非摻雜；所述η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；所述ρ型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0019]進(jìn)一步，所述隧道節(jié)包括至少兩個(gè)隧道子層，砷化物AlxInyGa1TyAs (O ^ x, y ^ I ；x+y 彡 I)、磷化物 AlxInyGahiP (O ^ χ.Y ^ I ；x+y 彡 I)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (O 彡 X，y, z 彡 I ;x+y 彡 I)和氮化物AlJnyGah-yN^ 彡 x, y 彡 I ；x+y ^ I)中的至少一種構(gòu)成至少兩個(gè)隧道子層。
[0020]進(jìn)一步，所述至少兩個(gè)隧道子層分別進(jìn)行η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s；所述η型重?fù)诫s元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；ρ型重?fù)诫s元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0021]進(jìn)一步，所述襯底層為同質(zhì)襯底或異質(zhì)襯底；當(dāng)襯底層為異質(zhì)襯底時(shí)，襯底層和外延層之間還設(shè)有緩沖層，所述襯底層由藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、尖晶石、磷化銦、氮化硼、金剛石、氧化鋅、二氧化硅、鋁酸鋰、鎵酸鋰、鈮酸鋰、硼化鋯和硼化鉿中的一種構(gòu)成。
[0022]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)傳統(tǒng)LED外延結(jié)構(gòu)僅有一組基本結(jié)構(gòu)單元的現(xiàn)狀，提供一種將兩組或兩組以上的LED基本結(jié)構(gòu)單元以隧道節(jié)(隧道二極管)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接而形成統(tǒng)一的具有高光能密度輸出的LED外延方法。
[0023]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種高光能密度輸出的LED外延方法，具體包括以下步驟:
[0024]步驟1:判斷襯底層是否為同質(zhì)襯底，如果是，執(zhí)行步驟3 ;否則，執(zhí)行步驟2 ;
[0025]步驟2:在襯底層上表面生長(zhǎng)緩沖層；
[0026]步驟3:在襯底層或緩沖層上表面生長(zhǎng)一組LED基本單元；
[0027]步驟4:在LED基本單元上表面生長(zhǎng)一個(gè)隧道節(jié)；
[0028]步驟5:在隧道節(jié)上生長(zhǎng)一組LED基本單元；
[0029]步驟6:判斷LED基本單元的數(shù)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，如果是，執(zhí)行步驟7 ;否則，執(zhí)行步驟4 ；
[0030]步驟7:結(jié)束LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0031]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0032]進(jìn)一步，所述步驟3具體包括以下步驟:
[0033]步驟3.1:在襯底層或緩沖層上表面生長(zhǎng)η型層；
[0034]步驟3.2:在η型層上表面生長(zhǎng)發(fā)光層；
[0035]步驟3.3:在發(fā)光層上表面生長(zhǎng)ρ型層。
[0036]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，η型層、P型層分別提供載流子電子和空穴的注入，而發(fā)光層則是電子和空穴復(fù)合發(fā)光的場(chǎng)所。
[0037]進(jìn)一步，所述隧道節(jié)包括依次設(shè)置在兩個(gè)LED基本單元之間的至少兩個(gè)隧道子層；并對(duì)至少兩個(gè)隧道子層分別進(jìn)行η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s。
[0038]進(jìn)一步，所述步驟I至步驟5中的生長(zhǎng)方法采用有機(jī)金屬氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)、脈沖激光沉積(PLD)、射頻磁控濺射(RF-MS)、分子束外延(MBE)中的至少一種制備方法實(shí)現(xiàn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例1所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)截面示意圖；
[0040]圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例2所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)截面示意圖；
[0041]圖3為本發(fā)明所述的一種高光能密度輸出的LED外延方法流程圖；
[0042]圖4為本發(fā)明具體實(shí)施3所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)的截面示意圖；
[0043]圖5為本發(fā)明實(shí)施例3所述的LED外延結(jié)構(gòu)中隧道節(jié)的具體結(jié)構(gòu)截面示意圖。
[0044]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0045]1、襯底層，2、緩沖層，3、η型層，4、發(fā)光層，5、ρ型層，6、隧道節(jié)，7、應(yīng)力釋放層，8、電子阻擋層，9、GaN層，10、ρ型重?fù)诫s的GaN層。

【具體實(shí)施方式】
[0046]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0047]如圖1所示，為本發(fā)明具體實(shí)施例1所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)截面示意圖，包括依次設(shè)置的襯底層1、緩沖層2、一個(gè)隧道節(jié)6和兩組LED基本結(jié)構(gòu)單元；其中第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元分別由η型層3、p型層5和發(fā)光層4構(gòu)成，發(fā)光層4位于η型層3與ρ型層5之間；第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元分別由η型層3、p型層5和發(fā)光層4構(gòu)成，發(fā)光層4位于η型層3與ρ型層5之間。第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元和第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元之間通過隧道節(jié)6實(shí)現(xiàn)連接導(dǎo)通。在本實(shí)施例中，襯底材料相對(duì)外延層而言是異質(zhì)襯底，因此，在η型層和襯底之間有緩沖層2。
[0048]在具體的外延生長(zhǎng)過程，首先選擇襯底晶圓，例如選擇異質(zhì)襯底1，然后生長(zhǎng)緩沖層2，之后便開始陸續(xù)生長(zhǎng)第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元的各層，依次是η型層3、發(fā)光層4和ρ型層5。然后，生長(zhǎng)隧道節(jié)6。接著，陸續(xù)生長(zhǎng)第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元的各層，依次是η型層3、發(fā)光層4和ρ型層5。如此，便完成了具備兩組LED基本結(jié)構(gòu)單元的新型LED器件結(jié)構(gòu)。
[0049]在通常情況下，應(yīng)注意調(diào)整外延工藝參數(shù)，使得第一組和第二組LED的發(fā)射波長(zhǎng)保持一致或保持較小的波長(zhǎng)差范圍。
[0050]所述η型層包括至少一個(gè)η型子層，砷化物AlJnyGa^yAsi^OSx，y彡1 ;x+y彡1)、磷化物 AlJriyGah—yP (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y ( 1)、磷砷化物 AlJriyGah—yAShPz (0 ^ x, y, z ^ 1 ；x+y ( 1)和氮化物AlJnyGah-yN^彡x, y彡1 ；x+y ( 1)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)η型子層；
[0051]所述每個(gè)η型子層分別進(jìn)行η型摻雜；所述每個(gè)η型子層的η型摻雜的摻雜濃度相同或不同，η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se和Te中的至少一種。
[0052]所述ρ型層包括至少一個(gè)ρ型子層，砷化物AlJnyGa^-yAs (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y彡1)、磷化物AlJriyGahiPi^O彡x, y彡1 ；x+y彡1)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (0 ^ x, y, z ^ 1 ；x+y ( 1)和氮化物 AlJriyGah—yN (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)P型子層；
[0053]所述每個(gè)ρ型子層分別進(jìn)行ρ型摻雜；
[0054]所述每個(gè)ρ型子層的ρ型摻雜的摻雜濃度相同或不同；ρ型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd和C中的至少一種。
[0055]所述發(fā)光層包括至少一個(gè)薄膜子層，砷化物AlJriyGah—yAs (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y彡1)、磷化物AlJriyGahiPi^O彡x, y彡1 ；x+y彡1)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (0 ^ x, y, z ^ 1 ；x+y ( 1)和氮化物 AlJriyGah—yN (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)薄膜子層；
[0056]所述至少一薄膜子層進(jìn)行η型、ρ型摻雜或非摻雜；所述η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；所述ρ型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0057]所述隧道節(jié)包括至少兩個(gè)隧道子層，砷化物AlJriyGah—yAs (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y彡1)、磷化物AlJriyGahiPi^O彡x, y彡1 ；x+y彡1)、磷砷化物AlJriyGah—yAShPz (0 ^ x, y, z ^ 1 ；x+y ( 1)和氮化物 AlJriyGah—yN (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)中的至少一種構(gòu)成至少兩個(gè)隧道子層。
[0058]所述至少兩個(gè)隧道子層分別進(jìn)行η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s；所述η型重?fù)诫s元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；p型重?fù)诫s元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0059]所述襯底層1由藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、尖晶石、磷化銦、氮化硼、金剛石、氧化鋅、二氧化硅、鋁酸鋰、鎵酸鋰、鈮酸鋰、硼化鋯和硼化鉿中的一種構(gòu)成。
[0060]如圖2所示，為本發(fā)明具體實(shí)施例2所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)截面示意圖；列舉了 N組(若干組)LED基本結(jié)構(gòu)單元通過N-1組隧道節(jié)相連接而進(jìn)行磊疊的情形。該情形與圖1中兩組LED基本結(jié)構(gòu)相連接的方式類似，只是基本結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量增加了?？梢钥吹剑诘贜組LED結(jié)構(gòu)單元中，包含了 η型層3、ρ型層5和發(fā)光層4構(gòu)成，發(fā)光層4位于η型層3與ρ型層5之間。并且，第Ν-1組LED基本結(jié)構(gòu)單元與第N組LED基本結(jié)構(gòu)單元通過隧道節(jié)6連接導(dǎo)通。對(duì)于外延生長(zhǎng)方法，其過程與兩組LED基本結(jié)構(gòu)單元的情況類似，需要逐一生長(zhǎng)每個(gè)結(jié)構(gòu)單元以及兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的隧道節(jié)。同時(shí)，通常要保證每個(gè)LED基本結(jié)構(gòu)單元的發(fā)射波長(zhǎng)相近或相同。
[0061 ] 對(duì)于襯底的材質(zhì)，可以從藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、尖晶石、磷化銦、氮化硼、金剛石、氧化鋅、二氧化硅、鋁酸鋰、鎵酸鋰、鈮酸鋰、硼化鋯或硼化鉿中選取一種。
[0062]對(duì)于η型層，其組成材料為砷化物AlJriyGah—yAs (0彡x, y彡1 ；x+y ( 1)、磷化物AlJriyGah-yP (0 彡 X，y ^ 1 ；x+y ^ 1)、磷砷化物 AlJriyGah-yAShPz (0 彡 x, y, z ^ 1 ；x+y ^ 1)和氮化物AlJnyGah—yr'KO彡x, y彡1 ；x+y ( 1)中的至少一種。并且，由一層或若干層不同組分的 AlJriyGah—yAs (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)或 AlJriyGah—yP (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)或 AlJriyGah-yAShPz (0 彡 x, y, z 彡 1 ；x+y 彡 1)或 AlJnyGah—yNi；。彡 x, y 彡 1 ；x+y 彡 1)(0 < x，y < 1 ;x+y < 1)構(gòu)成。同時(shí)，每一子層均進(jìn)行n型摻雜。η型層中的摻雜元素為
S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種。
[0063]對(duì)于ρ型層，其組成材料為砷化物AlJriyGah—yAs (0彡x, y彡1 ；x+y ( 1)、磷化物AlJriyGah-yP (0 彡 X，y ^ 1 ；x+y ^ 1)、磷砷化物 AlJriyGah-yAShPz (0 彡 x, y, z ^ 1 ；x+y ^ 1)和氮化物AlJnyGah—yr'KO彡x, y彡1 ；x+y ( 1)中的至少一種。并且，由一層或若干層不同組分的 AlJriyGah—yAs (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)或 AlJriyGah—yP (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)或 AlJriyGah-yAShPz (0 彡 x, y, z 彡 1 ；x+y 彡 1)或 AlJnyGah—yNi；。彡 x, y 彡 1 ；x+y 彡 1)(0 < x，y < 1 ;x+y < 1)構(gòu)成。同時(shí)，每一子層均進(jìn)行p型摻雜。ρ型層中的摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0064]對(duì)于發(fā)光層，其組成材料為砷化物AlJriyGah—yAs (0彡x, y彡1 ；x+y ( 1)、磷化物 AlJriyGah—yP(0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)、磷砷化物 AlJriyGah-yAShPz(0 ^ x, y, z ^ 1 ；x+y彡1)、氮化物AlJnyGa^yNi^O彡x, y彡1 ;x+y彡1)中的至少一種。并且，由一層或若干層不同組分的 AlJriyGah—yAs (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y 彡 1)或 AlJriyGah—yP (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y 彡 1)或 AlJriyGah-yAShPjO 彡 x, y, z 彡 1 ；x+y 彡 1)或 AlJnyGah—yNi；。^ x, y ^ 1 ；x+y 彡 1) (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)構(gòu)成。
[0065]此外，發(fā)光層中的至少一層薄膜子層可進(jìn)行η型或ρ型摻雜或非摻雜。其中，η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；p型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0066]對(duì)于隧道節(jié)，其特征在于，組成材料為砷化物AlJnyGakyAs (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y彡1)、磷化物AlJriyGahiPi^O彡x, y彡1 ；x+y彡1)、磷砷化物AlJriyGah-yAShPz (0 彡 x, y, z 彡 1 ；x+y ( 1)、氮化物 AlJnyGah—yNi；。彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)中的至少一種，且由兩層相同組分或兩層以上不同組分的AlJnyGah—yAs (0 ^ x, y ^ 1 ；x+y 彡 1)或 AlJriyGah-yPi；。彡 x, y 彡 1 ；x+y 彡 1)或 AlJriyGah-yAShPz (0 ^ x, y, z ^ 1 ；x+y 彡 1)或 AlJriyGah—yN (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y 彡 1) (0 彡 x, y 彡 1 ；x+y ( 1)構(gòu)成。
[0067]除此之外，隧道節(jié)的特征還在于，隧道節(jié)中的至少兩層薄膜子層分別進(jìn)行η型重?fù)诫s和Ρ型重?fù)诫s。其中，η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；p型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0068]如圖3所示，為本發(fā)明所述的一種高光能密度輸出的LED外延方法，具體包括以下步驟:
[0069]步驟1:判斷襯底是否為同質(zhì)襯底，如果是，執(zhí)行步驟3 ;否則，執(zhí)行步驟2 ;
[0070]步驟2:在襯底層上表面生長(zhǎng)緩沖層；
[0071]步驟3:在襯底或緩沖層上表面生長(zhǎng)η型層；
[0072]步驟4:在η型層上表面生長(zhǎng)發(fā)光層；
[0073]步驟5:在發(fā)光層上表面生長(zhǎng)ρ型層。
[0074]步驟6:在LED基本單元上表面生長(zhǎng)一個(gè)隧道節(jié)；
[0075]步驟7:在隧道節(jié)上生長(zhǎng)一組LED基本單元；
[0076]步驟8:判斷LED基本單元的數(shù)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，如果是，執(zhí)行步驟8 ;否則，執(zhí)行步驟5 ；
[0077]步驟9:結(jié)束LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
[0078]所述隧道節(jié)包括依次設(shè)置在兩個(gè)LED基本單元之間的至少兩個(gè)隧道子層；并對(duì)至少兩個(gè)隧道子層分別進(jìn)行η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s。
[0079]所述步驟1至步驟7中的生長(zhǎng)方法采用有機(jī)金屬氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)、脈沖激光沉積(PLD)、射頻磁控濺射(RF-MS)、分子束外延(ΜΒΕ)中的至少一種制備方法實(shí)現(xiàn)。
[0080]如圖4所示，為本發(fā)明具體實(shí)施3所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)的截面示意圖；本實(shí)施例選擇在Sic襯底上進(jìn)行氮化物藍(lán)光LED外延結(jié)構(gòu)，說明本發(fā)明所述高光能密度輸出的LED器件結(jié)構(gòu)和制作方法。
[0081]高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，從襯底開始從下到上，依次出現(xiàn)的膜層結(jié)構(gòu)包括:在SiC襯底1上有一層AlGaN/GaN復(fù)合緩沖層2，緊接著是一層非故意摻雜的GaN薄膜層9。從GaN薄膜層9開始，將會(huì)生長(zhǎng)兩組LED基本結(jié)構(gòu)單元。其中，第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元的膜層結(jié)構(gòu)包括m型GaN層3、應(yīng)力釋放層7、發(fā)光層4、電子阻擋層8、ρ型GaN層5 ;第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元在第一組基本結(jié)構(gòu)單元的上方，膜層結(jié)構(gòu)與第一組相似，包括以下膜層:n型GaN層3、應(yīng)力釋放層7、發(fā)光層4、電子阻擋層8、p型GaN層5。在ρ型GaN層5的上方還有一層ρ型重?fù)诫s的GaN層10，該層是為了后期進(jìn)行芯片加工時(shí)形成金屬電極的歐姆接觸。兩組LED基本結(jié)構(gòu)單元之間為隧道節(jié)6，且該隧道節(jié)的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，即在P型重?fù)诫sGaN與η型重?fù)诫sGaN之間插入一層InQ.2GaQ.8N。
[0082]按照?qǐng)D4所示LED外延器件結(jié)構(gòu)示意圖，在MOCVD機(jī)臺(tái)上進(jìn)行外延生長(zhǎng)的具體方法為:首先，在SiC襯底1上生長(zhǎng)一層厚度為400nm的AlGaN/GaN復(fù)合緩沖層2，生長(zhǎng)溫度控制在大約1000°C。然后，生長(zhǎng)一層2 μπι厚的非摻雜GaN層9。接著，開始生長(zhǎng)第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元:先生長(zhǎng)一層2 μ m厚的η型GaN層3，摻雜元素為Si，且摻雜濃度為1.0 X 1019。接下來，生長(zhǎng)一組In^Ga^N/GaN超晶格組成的應(yīng)力釋放層7，其中，Ιηα(ι46&α96Ν和GaN的單層厚度均為5nm，總厚度為200nm。此后，生長(zhǎng)Ina 15Gaa85N/GaN多量子阱發(fā)光層4，其中，Inai5Gaa85N和GaN的單層厚度分別為3nm和10nm，多量子阱的周期數(shù)為4。緊接著，生長(zhǎng)一層150nm的AlQ.14GaQ.86N電子阻擋層8。再生長(zhǎng)一層0.2 μπι厚的ρ型GaN層5，ρ型摻雜元素為Mg，且摻雜濃度為1.0X102°。如此，便完成了第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元的生長(zhǎng)。
[0083]然后，生長(zhǎng)隧道節(jié)6。具體地，如圖5所示，隧道節(jié)包括3個(gè)子層:先生長(zhǎng)一層10nm厚的P型重?fù)诫sp++_GaN層，且摻雜濃度為5.0X 102°;再生長(zhǎng)一層3nm后的非摻雜In 0.2Ga0.8N層；最后生長(zhǎng)一層10nm厚的η型重?fù)诫sn++_GaN層，且摻雜濃度為2.0X102°。
[0084]此后，按照與第一組LED基本結(jié)構(gòu)單元相同的參數(shù)條件和方法進(jìn)行第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元的外延生長(zhǎng)，但是，其中也有參數(shù)條件不同的地方:需要調(diào)整發(fā)光層4的工藝條件使得其發(fā)射波長(zhǎng)與發(fā)光層4的發(fā)射波長(zhǎng)相等或近似相等。最后，在第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元上生長(zhǎng)一層10nm厚的ρ型Mg重?fù)诫s濃度為3.0X 102°的GaN層10。
[0085]為避免對(duì)眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝條件作冗余描述，本實(shí)施例僅對(duì)其中部分變化因素進(jìn)行了舉例。通過對(duì)其它結(jié)構(gòu)或工藝變化因素的調(diào)整亦能達(dá)到類似的效果，在此不作一一列舉。
[0086]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括依次設(shè)置的襯底層和外延層；所述外延層包括至少兩組LED基本單元和至少一個(gè)隧道節(jié)； 所述每?jī)山MLED基本單元之間通過一個(gè)隧道節(jié)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED基本單元包括依次設(shè)置的η型層、發(fā)光層和P型層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述η型層包括至少一個(gè)η型子層，砷化物AlxInyGa1IyAs (O彡x, y彡I ；x+y ( I)、磷化物AlxInyGa1HP (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷砷化物 AlJriyGah-yASh Pz(0 ^ x, y, z ^ I ；x+y ( I)和氮化物AlxInyGa1IyN (0 ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)η型子層； 所述每個(gè)η型子層分別進(jìn)行η型摻雜； 所述每個(gè)η型子層的η型摻雜的摻雜濃度相同或不同，η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se和Te中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型層包括至少一個(gè)P型子層，砷化物AlxInyGa1IyAs (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷化物 AlJriyGah-yP^ ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷砷化物 AlJriyGah—yASh Pz(O ^ x, y, z ^ I ；x+y ( D、氮化物AlxInyGa1TyN (0 ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)p型子層； 所述每個(gè)P型子層分別進(jìn)行P型摻雜； 所述每個(gè)P型子層的P型摻雜的摻雜濃度相同或不同；p型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd和C中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述發(fā)光層包括至少一個(gè)薄膜子層，砷化物AlxInyGa1TyAs (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷化物AlxInyGa1^yP (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷砷化物 AlJriyGah-yASh Pz (O ^ x, y, z ^ I ；x+y ( D和氮化物AlxInyGa1IyN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)薄膜子層； 所述至少一薄膜子層進(jìn)行η型、P型摻雜或非摻雜； 所述η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；所述ρ型摻雜元素為Be、Mg、Zn、CcUC中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述隧道節(jié)包括至少兩個(gè)隧道子層，砷化物AlxInyGa1TyAs (O彡x, y彡I ；x+y ( I)、磷化物 AlxInyGa1HP (O ^ χ.Y ^ 1 ；x+y ( I)、磷砷化物 AlJriyGah—yASh Pz (O ^ x, y, z ^ I ；x+y ( D和氮化物AlxInyGa1IyN (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)中的至少一種構(gòu)成至少兩個(gè)隧道子層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述至少兩個(gè)隧道子層分別進(jìn)行η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s；所述η型重?fù)诫s元素為S 1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；p型重?fù)诫s元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底層為同質(zhì)襯底或異質(zhì)襯底；當(dāng)襯底層為異質(zhì)襯底時(shí)，襯底層和外延層之間還設(shè)有緩沖層。
9.一種高光能密度輸出的LED外延方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1:判斷襯底層是否為同質(zhì)襯底，如果是，執(zhí)行步驟3 ;否則，執(zhí)行步驟2 ; 步驟2:在襯底層上表面生長(zhǎng)緩沖層； 步驟:3:在襯底層或緩沖層上表面生長(zhǎng)一組LED基本單元； 步驟4:在LED基本單元上表面生長(zhǎng)一個(gè)隧道節(jié)； 步驟5:在隧道節(jié)上生長(zhǎng)一組LED基本單元； 步驟6:判斷LED基本單元的數(shù)量是否達(dá)到預(yù)設(shè)值，如果是，執(zhí)行步驟7 ;否則，執(zhí)行步驟4; 步驟7:結(jié)束LED外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高光能密度輸出的LED外延方法，其特征在于，所述步驟3具體包括以下步驟: 步驟3.1:在襯底層或緩沖層上表面生長(zhǎng)η型層； 步驟3.2:在η型層上表面生長(zhǎng)發(fā)光層； 步驟3.3:在發(fā)光層上表面生長(zhǎng)ρ型層。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK104465912SQ201410638182
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】馬亮, 裴曉將, 李金權(quán), 劉素娟, 胡兵 申請(qǐng)人:江蘇鑫博電子科技有限公司