CN113571612B - Led外延结构及其应用以及包含该结构的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体照明领域，公开了一种LED外延结构及其应用以及包含该结构的发光二极管及其制备方法，LED外延结构包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层以及p型接触层，p型接触层从下至上依次设置的p型GaN层、p型InaGa1‑aN层、p型AlbIncGa1‑b‑cN层和MgN层；其中，0<a<1,0<1‑a<1,0<b<1,0<c<1,0<1‑b‑c<1。本发明中的LED外延结构中的p型接触层可以提升与p电极的欧姆接触效果，降低欧姆接触电阻，有利于多量子阱发光层的光子溢出，从而提升发光二极管的光电特性；有利于电流扩散，提升发光二极管的抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，特别涉及一种LED外延结构及其应用以及包含该结构的发光二极管及其制备方法。
背景技术
由于发光二极管具有节能环保，可灵巧设计，长寿命等优势，近年来得到迅速发展。 尤其是III-V族氮化物的半导体LED技术在蓝光领域的成功，直接推动了LED照明进入千 家万户。目前主流GaN基发光二极管芯片结构为：图形化蓝宝石衬底，AlN成核层，缓冲层，非掺杂GaN层，掺Si的n型GaN层，多量子阱发光层，电子阻挡层，掺Mg的p型GaN层。为了便于打线外接正向电压使器件发光，通常在n，p型层表面形成欧姆接触。低的欧姆接触电阻需要更低的肖特基势垒高度或是半导体材料重掺杂来实现，或是两者相结合。因n型GaN功函数较小，制作n型GaN的欧姆接触相对容易，而制作低阻的p-GaN欧姆接触比较困难。目前主流的p型接触层制作方法主要为生长重掺杂的p型AlInGaN层，但单纯的重掺杂的p型AlInGaN层对实现较好的欧姆接触并不理想，同时Mg，In等都是吸光材料，影响器件的发光效率。总之，要实现良好的欧姆接触，就得在发光亮度上作出牺牲，很难做到电压与亮度兼得。
公开号为CN103367594A、专利名称为“一种发光二极管及其制备方法”的发明专利，通过以Mg的均匀掺杂的p型GaN层替代非掺杂的GaN层作为Mg的δ掺杂的p型GaN的最终覆盖层，能够在一定程度上改善p型欧姆接触层质量，提高外量子效率，而且Mg的δ掺杂的P型GaN层和Mg的均匀掺杂的P型GaN层组成的复合型p型GaN欧姆接触层，既可以获得高的空穴浓度从而增加电子空穴的复合发光效率，又可以降低欧姆接触电阻，使得发光二极管的整体电学特性变佳。
公开号为CN105702829A、专利名称为“具有P-型欧姆接触层的发光二极管外延结构”的发明专利，涉及以电极为特征的至少有一个电位跃变势垒或表面势垒的专门适用于光发射的半导体器件，该结构从下至上顺序包括衬底、缓冲层、N-型半导体材料层、多量子阱层、P-型电子阻挡层、P-型半导体材料传输层和P-型欧姆接触层，其中，P-型欧姆接触层的组成为AlxInyGa1-x-yN,其中0≤x<1，0≤y<1，0≤1-x-y，并且组份量是渐变的，沿着生长方向其晶格常数逐渐增加，并且禁带宽度逐渐减小。本发明克服了现有技术存在的宽禁氮化物半导体难于形成P型欧姆接触和空穴供应困难的缺陷，提高了LED的发光效率。
虽然上述两个专利中的p型接触层与电极能够形成良好的欧姆接触，但是p型接触层均会阻挡光子的溢出，导致亮度偏低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种LED外延结构及其应用以及包含该结构的发光二极管及其制备方法，该LED外延结构中的p型接触层可以提升与p电极的欧姆接触效果，降低欧姆接触电阻，有利于多量子阱发光层的光子溢出，从而提升发光二极管的光电特性；有利于电流扩散，提升发光二极管的抗静电能力。
技术方案：本发明提供了一种LED外延结构，包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层（103）、n型GaN层、多量子阱发光层、p型GaN层，在所述p型GaN层之上还设有p型接触层，所述p型接触层包括从下至上依次设置的p型GaN层、p型InaGa1-aN层、p型AlbIncGa1-b-cN层和MgN层；其中，0<a<1,0<1-a<1,0<b<1,0<c<1,0<1-b-c<1。优选0<a<0.5，0<b<0.5,0<c<0.5。
优选地，所述p型接触层为若干个从下至上周期性生长的p型GaN层、p型InaGa1-aN层、p型AlbIncGa1-b-cN层和MgN层。优选周期数为1~10个。
优选地，所述p型接触层的厚度为5nm~100nm；其中，P型杂质浓度为1E+20~5E+21Atom/cm3。优选地，所述p型GaN层的厚度为1~10nm；所述p型InaGa1-aN层的厚度为1~10nm；所述p型AlbIncGa1-b-cN层的厚度为1~10nm；所述MgN层的厚度为1~10nm。
优选地，所述p型GaN层的材质为掺Mg的p型AlxInyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,0≤1-x-y；厚度为20nm~200nm；Mg掺杂浓度在5E+19~5E+21 Atom/cm3。
进一步地，在所述衬底与所述缓冲层之间还设有AlN成核层；在所述缓冲层与所述n型GaN层之间还设有非掺杂GaN层；在所述多量子阱发光层与所述p型GaN层之间还设有电子阻挡层。
优选地，所述电子阻挡层的材质为掺Mg的p型AlxInyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,0≤1-x-y；厚度为5nm~50nm；Mg掺杂浓度在1E+19~1E+21 Atom/cm3。
本发明还提供了一种具有p型接触层的LED外延结构在发光二极管中的应用。
本发明还提供了一种发光二极管，包括所述的LED外延结构，在所述p型接触层上设有与其欧姆接触的p电极。
优选地，所述p型接触层包括第一区域和第二区域，所述第一区域的上表面与所述第二区域的上表面在水平方向上非共面；所述p电极设置在所述第一区域的上表面。
优选地，所述第一区域上表面与所述第二区域上表面的高度差ΔH为所述p型接触层总厚度的0.5~0.9倍。
进一步地，所述第二区域上覆盖有透明导电层。该透明导电层优选ITO透明导电层。
优选地，所述透明导电层的厚度为20nm~150nm。
在所述n型GaN层上设有与其欧姆接触的n电极；或者在所述衬底下表面设有与其欧姆接触的n电极。
本发明还提供了一种发光二极管的制作方法，包括以下步骤：采用刻蚀工艺，在所述p型接触层的部分区域刻蚀到所述n型GaN层，形成阶梯台面；在所述阶梯台面上光刻n型电极图形，采用电子束蒸镀工艺，在所述n型电极图形区域蒸镀出所述n型电极，形成欧姆接触；在所述p型接触层的所述第一区域的上表面光刻出p型电极图形，采用刻蚀工艺，将所述p型接触层的第二区域减薄；采用电子束蒸镀工艺，在所述第二区域的上表面蒸镀透明导电层；采用电子束蒸镀工艺，在所述p型电极图形上蒸镀所述p型电极，形成欧姆接触，完成发光二极管的制作。
有益效果：
1、本发明的p型接触层为p型GaN/p型InGaN/p型AlInGaN/MgN，首先生长p型GaN层作为过渡层，以提高接触层的晶体质量；其次生长p型InGaN层，通过低掺In，实现费米能级的降低，从而降低电压；再其次生长p型AlInGaN层，掺入Al可以缓解In掺杂造成的亮度下降问题；最后生长MgN层，提高Mg的掺杂浓度，提升与P电极的欧姆接触，降低电压。
2、周期性生长的p型GaN/p型InaGa1-aN/p型AlbIncGa1-b-cN/MgN层，周期性的生长超晶格结构可以有效的释放应力，提高晶体质量；保持总厚度不变的情况下，周期性的生长超晶格结构减少了单个周期的厚度，而薄的单层容易在界面处构成异质结，形成二维电子气，增加载流子的横向扩展能力，增加了产品的抗静电击穿能力。
3、本发明中的发光二极管中的p电极，通过增加一道刻蚀的方法，将非电极覆盖区域p型接触层减薄，有利于多量子阱发光层的光子溢出，从而提升发光二极管的光电特性，解决了非p电极区域的接触层吸光问题，提高亮度。
4、本发明中的发光二极管中通过增加一道刻蚀制备出台阶状的p型接触层，并在减薄后的非电极覆盖区域覆盖ITO透明导电层，有利于电流扩散，提升发光二极管的抗静电能力。
附图说明
图1为本发明中的LED外延结构的示意图；
图2为实施方式1至6中p型接触层的结构示意图；
图3为实施方式1至6中的发光二极管的结构示意图；
图4为实施方式7中p型接触层的结构示意图；
图5为实施方式8中的发光二极管的结构示意图；
图6为实施方式9中的发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种LED外延结构，如图1所示，包括从下至上依次设置的图形化蓝宝石衬底101、AlN成核层102、缓冲层103、非掺杂GaN层104、掺Si的n型GaN层105、多量子阱发光层106、电子阻挡层107、掺Mg的p型GaN层108以及p型接触层109。
上述电子阻挡层107的材质为掺Mg的p型Al0.2In0.1Ga0.7N层，厚度为30nm；Mg掺杂浓度为2E+20Atom/cm3。
上述掺Mg的p型GaN层108的材质为掺Mg的p型 Al0.1Ga0.9N层，厚度为 30nm；Mg掺杂浓度在 6E+19Atom/cm3。
如图2所示，上述p型接触层109为4个从下至上周期性生长的p型GaN/p型In0.2Ga0.8N/p型Al0.2In0.2Ga0.6N/MgN超晶格层，p型GaN层a的厚度为 2nm；p型In0.2Ga0.8N层b的厚度为 2nm；p型Al0.2In0.2Ga0.6N层c的厚度为 2nm；MgN层d的厚度为 1nm。
上述LED外延结构通过以下方法制备得到：
利用生长工艺在图形化蓝宝石衬底101上依次生长：AlN成核层102，缓冲层103，非掺杂GaN层104，掺Si的n型GaN层105，多量子阱发光层106，掺Mg的p型Al0.2In0.1Ga0.7N层107，掺Mg的p型Al0.1Ga0.9N层108，p型接触层109。
其中，生长p型接触层109的具体步骤如下：
S1：在掺Mg的p型Al0.1Ga0.9N层108上生长厚度为2nm的p型GaN层a；
S2：通入In源，在p型GaN层a上生长厚度为2nm的p型In0.2Ga0.8N层b;；
S3：通入Al源，在p型In0.2Ga0.8N层b上生长厚度为2nm的p型Al0.2In0.2Ga0.6N层c；
S4：关闭In，Al源，在p型Al0.2In0.2Ga0.6N层c上生长厚度为1nm的MgN层d；
S5：重复S1至S4至4个周期，形成p型接触层109。
通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图3所示，包括上述LED外延结构，在该外延结构的掺Si的n型GaN层105上设有与其欧姆接触的n电极110，p型接触层109包括第一区域和第二区域，第一区域的上表面与第二区域的上表面在水平方向上非共面；p电极112设置在第一区域的上表面并与其欧姆接触。第一区域上表面与第二区域上表面的高度差ΔH为p型接触层109总厚度的0.7倍，第二区域上覆盖有厚度为20~150nm的ITO透明导电层111。
通过以下步骤制备上述发光二极管：
采用刻蚀工艺，在p型接触层109的部分区域刻蚀到掺Si的n型GaN层105，形成阶梯台面；
在阶梯台面上光刻n型电极图形，采用电子束蒸镀工艺，在n型电极图形区域蒸镀出n型电极110，形成欧姆接触；
在p型接触层109的第一区域的上表面光刻出p型电极图形，采用刻蚀工艺，将p型接触层109的第二区域减薄至p型接触层109总厚度的0.7倍；
采用电子束蒸镀工艺，在已经减薄的第二区域的上表面蒸镀ITO透明导电层111；
采用电子束蒸镀工艺，在p型电极图形上蒸镀p型电极112，形成欧姆接触，完成发光二极管的制作。
实施方式2：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的p型接触层109为4个从下至上周期性生长的p型GaN/p型In0.1Ga0.9N/p型Al0.2In0.1Ga0.7N/MgN超晶格层，其中p型GaN层a的厚度为 2nm；p型In0.1Ga0.9N层b的厚度为2nm；p型Al0.2In0.1Ga0.7N层c的厚度为2nm；MgN层d的厚度为 1nm。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式3：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的p型接触层109为4个从下至上周期性生长的p型GaN/p型In0.3Ga0.7N/p型Al0.2In0.3Ga0.5N/MgN超晶格层，其中p型GaN层a的厚度为 2nm；p型In0.3Ga0.7N层b的厚度为 2nm；p型Al0.2In0.3Ga0.5N层c的厚度为2nm；MgN层d的厚度为 1nm。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式4：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的发光二极管的制备过程中，将p型接触层109的第二区域减薄至p型接触层109总厚度的0.5倍。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式5：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的发光二极管的制备过程中，将p型接触层109的第二区域减薄至p型接触层109总厚度的0.9倍。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式6：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的发光二极管的制备过程中，p型接触层109的p型GaN层a的厚度为1nm；p型In0.2Ga0.8N层b的厚度为1nm； p型Al0.2In0.2Ga0.6N层c的厚度为1nm；MgN层d的厚度为1nm；生长周期为8个。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式7：本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于，本实施方式中的LED外延结构中，p型接触层109仅包括一个周期的p型GaN层a、p型In0.2Ga0.8N层b、p型Al0.2In0.2Ga0.6N层c以及MgN层d，如图4所示。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
本申请上述实施方式1至7制备得到的发光二极管与没有使用本发明中p型接触层结构的LED外延结构的发光二极管的光电特性的数据对比如下表1（各实施方式中的样品制成芯片面积为120um*215um，测试电流60mA）：
表1
| 样品 | Vf1/V | LOP /mW | ESD6K |
| 传统接触层 | 3.372 | 80.79 | 95.65% |
| 实施例1 | 3.325 | 81.15 | 98.77% |
| 实施例2 | 3.321 | 80.96 | 98.95% |
| 实施例3 | 3.336 | 80.86 | 97.64% |
| 实施例4 | 3.315 | 80.43 | 99.04% |
| 实施例5 | 3.349 | 81.66 | 98.02% |
| 实施例6 | 3.334 | 80.75 | 97.25% |
| 实施例7 | 3.318 | 81.07 | 96.98% |
实施方式8：
本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于，本实施方式中的发光二极管的结构如图5所示，其n电极位于衬底101的下表面并与衬底欧姆接触。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施方式9：
本实施方式提供了一种LED芯片结构，如图6所示，包括从下至上依次设置的图形化蓝宝石衬底101、AlN成核层102、缓冲层103、非掺杂GaN层104、掺Si的n型GaN层105、多量子阱发光层106、电子阻挡层107、掺Mg的p型GaN层108、p型接触层109，以及与P型接触层109电性连接的P电极112和与掺Si的n型GaN层105电性连接的N电极110。上述P型接触层109与P电极112之间还设置有ITO透明导电层111，P电极112设置于该透明导电层111之上。
上述电子阻挡层107的材质为掺Mg的p型Al0.2In0.1Ga0.7N层，厚度为30nm；Mg掺杂浓度为2E+20Atom/cm3。
上述掺Mg的p型GaN层108的材质为掺Mg的p型 Al0.1Ga0.9N层，厚度为 30nm；Mg掺杂浓度在 6E+19Atom/cm3。
上述p型接触层109从下至上依次包括 p型GaN层a、p型In0.2Ga0.8N层b、p型Al0.2In0.2Ga0.6N层c以及MgN层d。
蚀刻透明导电层111、p型接触层109、Mg的p型GaN层108、电子阻挡层107、多量子阱发光层106至暴露出部分掺Si的n型GaN层105平台，在掺Si的n型GaN层105平台上设置N电极110。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种LED外延结构，包括从下至上依次设置的衬底（101）、缓冲层（103）、n型GaN层（105）、多量子阱发光层（106）、p型GaN层（108），其特征在于，
在所述p型GaN层（108）之上还设有p型接触层（109），所述p型接触层（109）包括从下至上依次设置的p型GaN层（a）、p型InaGa1-aN层（b）、p型AlbIncGa1-b-cN层（c）和MgN层（d）；其中，0<a<1,0<1-a<1, 0<b<1,0<c<1,0<1-b-c<1。
2.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述p型接触层（109）为若干个从下至上周期性生长的所述p型GaN层（a）、所述p型InaGa1-aN层（b）、所述p型AlbIncGa1-b-cN层（c）和所述MgN层（d）。
3.根据权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，所述p型接触层（109）的厚度为5nm~100nm；其中，P型杂质浓度为1E+20~5E+21 Atom/cm3。
4.根据权利要求3所述的LED外延结构，其特征在于，所述p型GaN层（a）的厚度为1~10nm；所述p型InaGa1-aN层（b）的厚度为1~10nm；所述p型AlbIncGa1-b-cN层（c）的厚度为1~10nm；所述MgN层（d）的厚度为1~10nm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，所述p型GaN层（108）的材质为掺Mg的p型AlxInyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,0≤1-x-y；厚度为20nm~200nm；Mg掺杂浓度在5E+19~5E+21 Atom/cm3。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的LED外延结构，其特征在于，在所述衬底（101）与所述缓冲层（103）之间还设有AlN成核层（102）；
在所述缓冲层（103）与所述n型GaN层（105）之间还设有非掺杂GaN层（104）；
在所述多量子阱发光层（106）与所述p型GaN层（108）之间还设有电子阻挡层（107）。
7.根据权利要求6所述的LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层（107）的材质为掺Mg的p型AlxInyGa1-x-yN层，其中，0≤x≤1,0≤y≤1,0≤1-x-y；厚度为5nm~50nm；Mg掺杂浓度在1E+19~1E+21 Atom/cm3。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的LED外延结构在发光二极管中的应用。
9.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1至7中任一项所述的LED外延结构，在所述p型接触层（109）上设有与其欧姆接触的p电极（112）。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述p型接触层（109）包括第一区域和第二区域，所述第一区域的上表面与所述第二区域的上表面在水平方向上非共面；所述p电极（112）设置在所述第一区域的上表面。
11.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，所述第一区域上表面与所述第二区域上表面的高度差ΔH为所述p型接触层（109）总厚度的0.5~0.9倍。
12.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，所述第二区域上覆盖有透明导电层（111）。
13.根据权利要求12所述的发光二极管，其特征在于，所述透明导电层（111）的厚度为20nm~150nm。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的发光二极管，其特征在于，在所述n型GaN层（105）上设有与其欧姆接触的n电极（110）；
或者在所述衬底（101）下表面设有与其欧姆接触的n电极（110）。
15.一种如权利要求10至13中任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用刻蚀工艺，在所述p型接触层（109）的部分区域刻蚀到所述n型GaN层（105），形成阶梯台面；
在所述阶梯台面上光刻n型电极图形，采用电子束蒸镀工艺，在所述n型电极图形区域蒸镀出所述n型电极（110），形成欧姆接触；
在所述p型接触层（109）的所述第一区域的上表面光刻出p型电极图形，采用刻蚀工艺，将所述p型接触层（109）的第二区域减薄；
采用电子束蒸镀工艺，在所述第二区域的上表面蒸镀透明导电层（111）；
采用电子束蒸镀工艺，在所述p型电极图形上蒸镀所述p型电极（112），形成欧姆接触，完成发光二极管的制作。
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