一種高光能密度輸出的led外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種高光能密度輸出的LED外延結(jié)構(gòu)，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)、氮化物 AlJnyGah—yN^ ^ x, y ^ 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。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)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(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]本實(shí)用新型解決上述技術(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]所述每兩組LED基本單元之間通過一個(gè)隧道節(jié)連接。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是:采用本實(shí)用新型所述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，采用本實(shí)用新型所述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，本實(shí)用新型還可以做如下改進(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，砷化鋁銦鎵、磷化鋁銦鎵、磷砷化鋁銦鎵和氮化鋁銦鎵中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)η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，
[0014]η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se和Te中的至少一種。
[0015]所述η型摻雜是指往材料中添加施主原子，形成η型半導(dǎo)體，如往Si材料中摻雜P原子，η型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是電子。
[0016]進(jìn)一步，所述ρ型層包括至少一個(gè)ρ型子層，砷化鋁銦鎵、磷化鋁銦鎵、磷砷化鋁銦鎵和氮化鋁銦鎵中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)P型子層；
[0017]所述每個(gè)P型子層分別進(jìn)行P型摻雜；
[0018]所述每個(gè)ρ型子層的ρ型摻雜的摻雜濃度相同或不同；
[0019]ρ型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd和C中的至少一種。
[0020]所述ρ型摻雜是指往材料中添加受主原子，形成η型半導(dǎo)體，如往Si材料中摻雜B原子。P型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子是空穴。
[0021]進(jìn)一步，所述發(fā)光層包括至少一個(gè)薄膜子層，砷化鋁銦鎵、磷化鋁銦鎵、磷砷化鋁銦鎵和氮化鋁銦鎵中的至少一種構(gòu)成至少一個(gè)薄膜子層；
[0022]所述至少一薄膜子層進(jìn)行η型、ρ型摻雜或非摻雜；
[0023]所述η型摻雜元素為S1、Sn、S、Se、Te中的至少一種；所述P型摻雜元素為Be、Mg、Zn、Cd、C中的至少一種。
[0024]進(jìn)一步，所述隧道節(jié)包括至少兩個(gè)隧道子層，砷化鋁銦鎵、磷化鋁銦鎵、磷砷化鋁銦鎵和氮化鋁銦鎵中的至少一種構(gòu)成至少兩個(gè)隧道子層。
[0025]所述砷化銷銦鎵為砷化物，其化學(xué)式為AlxInyGa1IyAs (O彡x, y彡I ；x+y ( I)；
[0026]所述磷化銷銦鎵為磷化物，其化學(xué)式為AlxInyGa1IyP (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)；
[0027]所述磷砷化銷銦鎵為磷砷化物，其化學(xué)式為AlxInyGa1IyAs1I Pz (O ^ x, y, z ^ I ；χ+y ( I)；
[0028]所述氮化鋁銦鎵為氮化物，其化學(xué)式為AlxInyGanyN(O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)。
[0029]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。
[0030]所述η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s是指摻雜原子的濃度比η型摻雜和ρ型摻雜正常值要高得多。
[0031]上述針對(duì)η型摻雜、ρ型摻雜、η型重?fù)诫s和ρ型重?fù)诫s的定義和應(yīng)用均屬于現(xiàn)有技術(shù)，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員使用的通用名稱，在中國知網(wǎng)搜索半導(dǎo)體相關(guān)文獻(xiàn)，大多涉及以上名稱的使用。
[0032]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。
【附圖說明】
[0033]圖1為本實(shí)用新型具體實(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；
[0034]圖2為本實(shí)用新型具體實(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；
[0035]圖3為本實(shí)用新型具體實(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；
[0036]圖4為本實(shí)用新型實(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。
[0037]附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下:
[0038]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】
[0039]以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。
[0040]如圖1所示，為本實(shí)用新型具體實(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、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；第二組LED基本結(jié)構(gòu)單元分別由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。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。
[0041]在具體的外延生長過程，首先選擇襯底晶圓，例如選擇異質(zhì)襯底1，然后生長緩沖層2，之后便開始陸續(xù)生長第一組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，生長隧道節(jié)6。接著，陸續(xù)生長第二組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)。
[0042]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)射波長保持一致或保持較小的波長差范圍。
[0043]所述η型層包括至少一個(gè)η型子層，砷化物AlxInyGa1TyAs ((Xx, y彡I ;x+y彡I)、磷化物 AlxInyGa1IyP (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷砷化物 AlxInyGa1HAShPz (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)n型子層；
[0044]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。
[0045]所述ρ型層包括至少一個(gè)ρ型子層，砷化物AlxInyGa1TyAs ((Xx, y彡I ;x+y彡I)、磷化物 AlxInyGa1IyP (O ^ x, y ^ I ；x+y ( I)、磷砷化物 AlxInyGa1HAShPz (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)P型子層；
[0046]所述每個(gè)ρ型子層分別進(jìn)行ρ型摻雜；
[0047]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。
[0048]所述發(fā)光層包括至少一個(gè)薄膜子層，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)薄膜子層；
[0049]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。
[0050]所述隧道節(jié)包括至少兩個(gè)隧道子層，砷化物AlxInyGa1IyAs (O ^ x, y ^ I ；x+y 彡 I)、磷化物 AlxInyGahiP (O ^ χ.Y ^ I ；x+y 彡