CN113471342B - Led外延结构以及led芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种LED外延结构以及LED芯片，其中，所述LED外延结构从下至上依次包括：衬底、缓冲层、分布式布拉格反射镜层以及半导体层，所述分布式布拉格反射镜层包括低折射率膜层和位于该低折射率膜层上的高折射率膜层，且所述高折射率膜层的厚度薄于所述高折射率膜层的光学厚度。本发明通过调整所述高折射率膜层的厚度可以减小所述分布式布拉格反射镜层的光吸收，提高分布式布拉格反射镜层的反射率和出光强度。

Description

LED外延结构以及LED芯片
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种LED外延结构以及LED芯片。
背景技术
发光二极管(LED)由于其高效、节能和环保的特点越来越受到关注，在日常生活随处可见，广泛应用于交通信号灯、显示屏、夜晚照明和植物照明等领域。
发光二极管早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后逐渐发展到可以发出各种单色光。时至今日，发光二极管能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，发光亮度也有了明显的提高。
现在对波长565nm～640nm的光的需求在急剧的增长，但是在制作短波长LED芯片时，传统的分布式布拉格反射镜(DBR)层会出现光吸收问题，导致分布式布拉格反射镜层的反射率降低，LED芯片的发光强度低，这些问题还有待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED外延结构以及LED芯片，以解决短波长分布式布拉格反射镜层出现的光吸收问题，有利于提高分布式布拉格反射镜层的反射率和LED芯片的出光强度。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种LED外延结构，所述LED外延结构从下至上依次包括：衬底、缓冲层、分布式布拉格反射镜层以及半导体层，所述分布式布拉格反射镜层包括低折射率膜层和位于所述低折射率膜层上的高折射率膜层，所述高折射率膜层的厚度薄于所述高折射率膜层的光学厚度。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述低折射率膜层的材质包括AlzGa1-zAs，其中95％≥z≥100％。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述分布式布拉格反射镜层为所述低折射率膜层和所述高折射率膜层组成的周期性结构，且所述分布式布拉格反射镜层的周期对数范围为：10～100。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述低折射率膜层的厚度比所述低折射率膜层的光学厚度偏厚d1，所述d的范围为0.05D1～0.4D1，其中D1为所述低折射率膜层的光学厚度，且所述D1＝λ/4N1，N1为所述低折射率膜层的折射率，λ为中心反射波长。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述低折射率膜层的厚度为30nm～70nm。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述高折射率膜层包括第一高折射率膜层和位于所述第一高折射率膜层上的第二高折射率膜层，且所述第一高折射率膜层的厚度和组分不同于所述第二高折射率膜层。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一高折射率膜层的材质包括AlyGa1-yAs，其中70％≥y≥50％。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第二高折射率膜层的材质包括AlxGa1-xAs，其中65％≥x≥0。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第二高折射率膜层的材质中的Al组分含量不高于所述第一高折射率膜层的材质中的Al组分含量。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第二高折射率膜层的厚度比所述第二高折射率膜层的光学厚度偏薄2d2，所述d2的范围为0.05D2～0.4D2，其中D2为所述第二高折射率膜层的光学厚度，且所述D2＝λ/4N2，N2为所述第二高折射率膜层的折射率，λ为中心反射波长。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第二高折射率膜层的厚度为20nm～60nm。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述第一高折射率膜层的厚度为d2。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述衬底包括GaAs衬底和Si衬底中的一种。
可选的，在所述的LED外延结构中，所述半导体层包括依次形成于所述分布式布拉格反射镜层上的第一半导体层、发光层、第二半导体层以及窗口层。
为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种LED芯片，所述LED芯片从下至上依次包括第一电极层、上述所述的LED外延结构、电流扩展层以及第二电极层。
本发明提供的LED外延结构，从下至上依次包括：衬底、缓冲层、分布式布拉格反射镜层以及半导体层，所述分布式布拉格反射镜层包括低折射率膜层和位于该低折射率膜层上的高折射率膜层，且所述高折射率膜层的厚度薄于所述高折射率膜层的光学厚度。由于高折射率膜层的材质对光的吸收比低折射率膜层大，因此通过减小所述高折射率膜层的厚度可以减小光吸收，提高分布式布拉格反射镜层的反射率和LED芯片的出光强度。同时，通过在所述低折射率膜层和第二高折射率膜层中间增加一层第一高折射率膜层，所述第一高折射率膜层与所述第二高折射率膜层能够形成渐变式的高折射率膜层，起到缓冲作用，能更好的完成晶格匹配，减小光在反射时因晶格失配造成的光吸收。
附图说明
图1是本发明一实施例的LED芯片的结构示意图；
图2是本发明一实施例的分布式布拉格反射镜层的结构示意图；
图1～2中：
10-第一电极层，20-衬底，30-缓冲层，40-分布式布拉格反射镜层，401-低折射率膜层，402-高折射率膜层，4021-第一高折射率膜层，4022-第二高折射率膜层，50-第一半导体层，60-发光层，70-第二半导体层，80-窗口层，90-电流扩展层，100-第二电极层。
具体实施方式
发光二极管(LED)由于其高效、节能和环保的特点越来越受到关注。发光二极管是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，在照明领域应用广泛。发光二极管可高效地将电能转化为光能，早期只能发出低光度的红光，之后逐渐发展到可以发出各种单色光，时至今日，发光二极管能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，发光亮度也有了明显的提高。
而现在对短波长光的需求在急剧的增长，但是在制作短波长LED芯片过程中，传统的分布式布拉格反射镜层会出现光吸收问题，导致分布式布拉格反射镜层的反射率降低，因此，在制作短波长LED芯片时，光强度低和反射率低的问题还有待解决。
为了解决短波长分布式布拉格反射镜层出现的光吸收问题，以及提高分布式布拉格反射镜层的反射率和LED芯片的出光强度，进而提高LED芯片的光强度和反射率，本发明提供了一种LED外延结构以及LED芯片。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的LED外延结构以及LED芯片作进一步详细说明。根据下面说明书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
参阅图1，所述LED芯片从下至上依次包括第一电极层10、LED外延结构、电流扩展层90以及第二电极层100。
所述LED外延结构从下至上依次包括：衬底20、缓冲层(Buffer)30、分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector，DBR)层40以及半导体层。
所述衬底20优选为GaAs(砷化镓)衬底或者Si衬底，且所述衬底20包括正面以及与所述正面相对的背面，所述衬底20的正面用于生长缓冲层30，所述衬底20的背面用于生长第一电极层10。所述衬底20的厚度并不特别限定。
在所述衬底20上形成所述缓冲层30，且所述缓冲层30的材质可以为AlGaAs，还可以为GaAs，优选为AlGaAs。所述缓冲层30用于减少衬底20与外延层之间的晶格失配，以减少生长的外延层出现缺陷与位错的可能，提高晶体质量。优选利用MOCVD(Metal OrganicChemical Vapor Deposition：金属有机化学气相沉积)沉积所述缓冲层30。
在所述缓冲层30上形成分布式布拉格反射镜层40。所述分布式布拉格反射镜层40的作用是利用两种折射率不同的材质组成的周期性层状结构，将发光层60射向衬底的光反射并从顶部射出，从而大大提高出光率，并且所述分布式布拉格反射镜层与GaAs衬底晶格匹配度较高，具有较高的反射率，对器件的电化学特性影响较小。因此，在短波长的发光二极管LED外延结构中加入分布式布拉格反射镜层可以提高光的强度。
由光学薄膜理论可以得知，所述分布式布拉格反射镜层的光谱反射率和半峰全宽都随其材质折射率差的增大而增大，所以若要获得较好的分布式布拉格反射镜层反射光谱，应该使其两种材质折射率差尽可能大。
因为所述分布式布拉格反射镜层是由光学厚度为四分之一波长的高低折射率的两种材质叠加而成，因此，每层的光学厚度可以根据理论公式D＝λ/4N计算得出，其中D为该层的光学厚度，λ为中心反射波长，N为该层材料的折射率。
参阅图2，在本实施例中，所述分布式布拉格反射镜层40为周期性结构，且每周期的所述分布式布拉格反射镜层40又包括低折射率膜层401和位于该低折射率膜层401上的高折射率膜层402，即所述分布式布拉格反射镜层40为所述低折射率膜层401和所述高折射率膜层402组成的周期性结构。
优选的，所述低折射率膜层401材质优选为AlzGa1-zAs，其中95％≥z≥100％。所述低折射率膜层401的厚度厚于所述低折射率膜层401的光学厚度。进一步的，所述低折射率膜层401的厚度比所述低折射率膜层401的光学厚度偏厚d1，即所述低折射率膜层401的厚度在所述低折射率膜层401的光学厚度的基础上增加d1，使所述低折射率膜层401的厚度偏离光学厚度。通过研究得出，所述低折射率膜层401的厚度偏离所述低折射率膜层401的光学厚度的范围为5％～40％为最佳，即所述d1＝0.05D1～0.4D1，D1＝λ/4N1，其中，D1为所述低折射率膜层401的光学厚度，λ为中心反射波长，N1为低折射率膜层401的折射率。因此，所述低折射率膜层401的厚度为D1+d1。进一步的，所述低折射率膜层401的厚度优选为30nm～70nm，此厚度已经加上了偏离的5％～40％。
所述高折射率膜层402包括第一高折射率膜层4021和第二高折射率膜层4022，且所述第二高折射率膜层4022位于所述第一高折射率膜层4021上。所述第二高折射率膜层4022和所述第一高折射率膜层4021的厚度和组分均不相同。所述第一高折射率膜层4021的材质可以为AlyGa1-yAs，其中70％≥y≥50％。所述第二高折射率膜层4022的材质可以为AlxGa1-xAs，其中65％≥x≥0，且所述第二高折射率膜层4022的材质中的Al组分含量不高于所述第一高折射率膜层4021的材质中的Al组分含量，即x≤y。
所述第二高折射率膜层4022的厚度比所述第二高折射率膜层4022的光学厚度偏薄2d2，所述第二高折射率膜层4022的光学厚度为D2，且D2＝λ/4N2，其中λ为中心反射波长，N2为第二高折射率膜层4022的折射率。其中，d2＝0.05D2～0.4D2。因此，所述第二高折射率膜层4022的厚度为D2–2d2。进一步的，所述第二高折射率膜层4022的厚度优选为20nm～60nm，此厚度已经减去了偏离的厚度2d2。
所述第一高折射率膜层4021的厚度优选为d2，即所述第一高折射率膜层4021的厚度为0.05D2～0.4D2。由于所述第一高折射率膜层4021和所述第二高折射率膜层4022的厚度和组分均不相同，因此通过增加所述第一高折射率膜层4021，可以与所述第二高折射率膜层4022形成渐变式的高折射率膜层402，起到缓冲的作用，能更好的完成晶格匹配，减小应力失配，减小光在反射时因晶格失配造成的振动加剧，从而引起的吸收损耗。
继续参阅图2，所述分布式布拉格反射镜层40是使用AlzGa1-zAs/AlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs为一个周期，然后重复生长的结构。所述分布式布拉格反射镜层40的周期对数范围优选为10～100。当发光波长是短波长时会出现较强的吸收现象，通过调整低折射率膜层/第一高折射率膜层/第二高折射率膜层三层的厚度来确定波长。
由于在设计短波长的分布式布拉格反射镜层40的时候，根据布拉格反射镜的原理，在材质之间的每个界面处都发生菲涅尔反射，使得在界面处的所有反射光发生相消干涉，得到很强的反射光。而所述低折射率膜层401的材质优选为AlzGa1-zAs，例如Al0.95Ga0.05As，所述高折射率膜层402材质对光的吸收比所述低折射率膜层401材质的大，因此，在本实施例中通过减小高折射率膜层402的厚度，减小光吸收问题，实现提高分布式布拉格反射镜层的反射率和LED芯片的出光强度。
在所述分布式布拉格反射镜层40上生长所述第一半导体层50，且所述第一半导体层50的材质优选为N-AlGaInP，形成工艺优选为金属有机化学气相沉积。由于所述第一半导体层50为现有结构，在此不再赘述。
在所述第一半导体层50生长所述发光层60，且所述发光层60的结构优选为Al0.8Ga0.2InP/Al0.15Ga0.85InP，但不限于此。形成工艺优选为金属有机化学气相沉积。由于所述发光层60为现有结构，在此不再赘述。
在所述发光层60上生长所述第二半导体层70，且所述第二半导体层70的材质优选为P-AlGaInP，形成工艺优选为金属有机化学气相沉积。由于所述第二半导体层70为现有结构，在此不再赘述。
在所述第二半导体层70上生长所述窗口层80，且所述窗口层80的材质优选为GaP，形成工艺优选为金属有机化学气相沉积。由于所述窗口层80为现有结构，在此不再赘述。
在所述窗口层80上生长所述电流扩展层90，所述电流扩展层90的材质优选为ITO(Indium Tin Oxides，氧化铟锡)，且所述电流扩展层90的形成工艺主要有磁控溅射法、反应热蒸发法、电子束蒸发等，优选采用电子束蒸发或磁控溅射法形成ITO。
在所述电流扩展层90上形成所述第二电极层100，所述第二电极层100覆盖电流扩展层90的部分表面，由于形成所述第二电极层100的工艺为公知技术，在此不再赘述。
在所述衬底20的背面形成有第一电极层10，且所述第一电极层10可以作为背金层。所述第一电极层10的材质优选为金属材质，进一步优选为Pt、Ti、Cr、W、Au、Al或Ag等。在所述衬底20的背面采用蒸发或者溅射等方法形成所述第一电极层10。由于所述第一电极层10为现有结构，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的LED外延结构和LED芯片中，所述LED外延结构从下至上依次包括：衬底、缓冲层、分布式布拉格反射镜层以及半导体层，分布式布拉格反射镜层包括低折射率膜层和位于该低折射率膜层上的高折射率膜层，且所述高折射率膜层的厚度薄于所述高折射率膜层的光学厚度。由于高折射率膜层的材质对光的吸收比低折射率膜层大，因此通过减小所述高折射率膜层的厚度可以减小光吸收，提高分布式布拉格反射镜层的反射率和LED芯片的出光强度。同时，通过在所述低折射率膜层和第二高折射率膜层中间增加一层第一高折射率膜层，所述第一高折射率膜层与所述第二高折射率膜层能够形成渐变式的高折射率膜层，起到缓冲作用，能更好的完成晶格匹配，减小光在反射时因晶格失配造成的光吸收。
此外，可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
而且还应该理解的是，本发明并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材质、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本发明的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”或“一个装置”的引述意味着对一个或多个步骤或装置的引述，并且可能包括次级步骤以及次级装置。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。

Claims (14)

1.一种LED外延结构，其特征在于，所述LED外延结构从下至上依次包括：衬底、缓冲层、分布式布拉格反射镜层以及半导体层，所述分布式布拉格反射镜层包括低折射率膜层和位于所述低折射率膜层上的高折射率膜层，且所述高折射率膜层的厚度薄于所述高折射率膜层的光学厚度，所述高折射率膜层包括第一高折射率膜层和位于所述第一高折射率膜层上的第二高折射率膜层，所述第二高折射率膜层的材质中的Al组分含量不高于所述第一高折射率膜层的材质中的Al组分含量。
2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜层为所述低折射率膜层和所述高折射率膜层组成的周期性结构，且所述分布式布拉格反射镜层的周期对数范围为：10～100。
3.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述低折射率膜层的材质包括AlzGa1-zAs，其中95％≥z≥100％。
4.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述低折射率膜层的厚度比所述低折射率膜层的光学厚度偏厚d1，所述d1的范围为0.05D1～0.4D1，其中D1为所述低折射率膜层的光学厚度，且所述D1＝λ/4N1，N1为所述低折射率膜层的折射率，λ为中心反射波长。
5.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述低折射率膜层的厚度为30nm～70nm。
6.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一高折射率膜层的厚度和组分不同于所述第二高折射率膜层。
7.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一高折射率膜层的材质包括AlyGa1-yAs，其中70％≥y≥50％。
8.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二高折射率膜层的材质包括AlxGa1-xAs，其中65％≥x≥0。
9.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二高折射率膜层的厚度比所述第二高折射率膜层的光学厚度偏薄2d2，所述d2的范围为0.05D2～0.4D2，其中D2为所述第二高折射率膜层的光学厚度，且所述D2＝λ/4N2，N2为所述第二高折射率膜层的折射率，λ为中心反射波长。
10.如权利要求9所述的LED外延结构，其特征在于，所述第一高折射率膜层的厚度为d2。
11.如权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述第二高折射率膜层的厚度为20nm～60nm。
12.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述衬底包括GaAs衬底和Si衬底中的一种。
13.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述半导体层包括依次形成于所述分布式布拉格反射镜层上的第一半导体层、发光层、第二半导体层以及窗口层。
14.一种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片从下至上依次包括第一电极层、权利要求1～13中任一项所述的LED外延结构、电流扩展层以及第二电极层。
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