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適用于大電流驅(qū)動的氮化物led外延結(jié)構(gòu)的制作方法

文檔序號:7141227閱讀:258來源:國知局
專利名稱:適用于大電流驅(qū)動的氮化物led外延結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本實用新型涉及LED光電子器件的制造技術(shù)領(lǐng)域,特別是適合大電流驅(qū)動的氮化物L(fēng)ED外延生長結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)
基于氮化物AlxInyGa1^yN (O ^ 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、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展開廣泛應(yīng)用。由于氮化物AlxInyGanyN(O ^ x,y ^ I ;x+y ( I)半導(dǎo)體的寬禁帶寬度大約處于1.9 6.2 eV區(qū)間范圍,恰好覆蓋從黃綠光到紫外光的光譜能量范圍。通過控制氮化物合金的陽離子組分可以準(zhǔn)確地制定LED器件的發(fā)射波長。另一方面,由于上述具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的氮化物L(fēng)ED屬直接帶隙躍遷發(fā)光,因而其發(fā)光效率較高。對于適合普通照明應(yīng)用的氮化物白光LED而言,目前全球業(yè)界產(chǎn)品的發(fā)光效率通常在60 150 lm/ff不等。盡管現(xiàn)在白光LED在發(fā)光效率方面已經(jīng)達(dá)到或超過熒光燈,但其數(shù)值仍僅為理論發(fā)光效率(約300 lm/W)的一半左右。造成白光LED發(fā)光效率不足的原因是多方面的。其中,“能效降低”問題是最重要的原因之一。所謂“能效降低”是指氮化物L(fēng)ED器件隨驅(qū)動電流的增大,量子效率呈現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象。以InGaN/GaN多量子阱為有源區(qū)的LED外延結(jié)構(gòu)制造的30*34mil尺寸的正裝芯片為例,其量子效率在2 5A/cm2電流密度區(qū)間達(dá)到最大值,之后效率便隨著電流的增大而降低。待電流密度達(dá)到53A/cm2 (即350mA)的正常驅(qū)動條件時,器件的量子效率卻相對最大值降低約10 20%。由此可見,“能效降低”問題嚴(yán)重制約了氮化物L(fēng)ED器件在大功率、大電流驅(qū)動條件下的應(yīng)用。對于“能效降低”現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機理,一般認(rèn)為源于以下幾個原因:⑴極化效應(yīng)引起的內(nèi)建靜電場。由于具有纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的氮化物在[0001]晶面方向具有自發(fā)極化效應(yīng),同時由于晶體應(yīng) 變產(chǎn)生的壓電極化效應(yīng)將與前者共同作用在產(chǎn)生內(nèi)建靜電場。LED器件的多量子阱有源區(qū)將在內(nèi)建靜電場的作用下發(fā)生量子局限斯塔克效應(yīng)(QCSE),能帶帶邊將會發(fā)生彎曲現(xiàn)象。發(fā)生能帶彎曲的量子阱將降低電子和空穴波函數(shù)的重合幾率,進(jìn)而降低量子效率。⑵晶體缺陷和漏電現(xiàn)象。氮化物晶體存在較高密度的晶體缺陷是一個普遍存在的問題,它既是漏電流輸運/傳導(dǎo)的物理路徑,又造成了非輻射躍遷中心的存在。而漏電是從量子阱有源區(qū)中“逃逸”出的未參加有效復(fù)合的電子,因此它的強度越大,對量子效率的不利影響就越大。此外,器件的漏電強度越大,其可靠性越低。⑶俄歇復(fù)合。⑷載流子濃度與復(fù)合分布不均勻。在通常的“周期循環(huán)式”多量子阱有源區(qū)中,由于電子和空穴的空間濃度分布不均,以及它們在遷移速率方面的較大差異,導(dǎo)致輻射復(fù)合主要出現(xiàn)在靠近P型半導(dǎo)體的最后幾個量子阱,且在最后一個量子阱的復(fù)合幾率最大。這樣的不均勻復(fù)合強度分布狀況對大電流驅(qū)動下的器件而言將限制其復(fù)合區(qū)域的空間體積大小,同樣也會對量子效率產(chǎn)生不利影響?,F(xiàn)有技術(shù)中,對于上述“能效降低”現(xiàn)象還沒有十分有效的解決辦法。發(fā)明內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題,本實用新型的目的在于提供一種適用于大電流驅(qū)動的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)。它能減小或者消除氮化物L(fēng)ED在大電流驅(qū)動條件下的“能效降低”問題,提高器件的量子效率。為達(dá)到上述目的,本實用新型的技術(shù)方案以如下方式實現(xiàn):適合大電流驅(qū)動的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),它從襯底開始自下而上依次包括:n型化合物半導(dǎo)體、有源區(qū)和P型化合物半導(dǎo)體三部分。η型化合物半導(dǎo)體包括緩沖層、非摻雜層、η型電子注入物層,P型化合物半導(dǎo)體包括P型電子阻擋層和P型空穴注入層,η型化合物半導(dǎo)體、有源區(qū)和P型化合物半導(dǎo)體三部分的組成材料均為氮化物AlxInyGanN (O ( X,y ( I ;x+y ( D,且各部分由一層或者若干層不同組分的AlxInyGa1TyN (O ^ x, y ^ I ;x+y ^ D構(gòu)成;其結(jié)構(gòu)特點是,所述有源區(qū)是由m個量子阱和m+1個量子壘交替堆疊而成,其中,m為任意自然數(shù),量子壘的最大禁帶寬度大于相鄰量子阱的最大禁帶寬度,不同量子壘的最大禁帶寬度或膜層厚度呈現(xiàn)漸變方式分布。在上述氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)中,所述m+1個量子壘的最大禁帶寬度按照自下而上的方向呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布,且其中至少存在A (A為非負(fù)整數(shù),A < m)個最大禁帶寬度保持不變的量子壘。在上述氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)中,所述m+1個量子壘的膜層厚度按照自下而上的方向呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布,且其中至少存在B (B為非負(fù)整數(shù),B^m)個膜層厚度保持不變的量子壘。在上述氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)中,所述量子壘和量子阱的禁帶寬度都通過調(diào)節(jié)氮化物AlxInyGa1IyN (O≤x, y≤I ;x+y ( I)的化學(xué)組分實現(xiàn)。本實用新型 由于采用了上述結(jié)構(gòu),其優(yōu)點如下:首先,在本實用新型氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)中,量子壘的最大禁帶寬度呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布可以增加空穴的注入效率,同時也增加了電子注入到有源區(qū)的效率。相比現(xiàn)有技術(shù)中具有“周期循環(huán)式”多量子阱有源區(qū)的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),本實用新型所述的外延結(jié)構(gòu)改進(jìn)了載流子濃度或復(fù)合強度空間分布不均勻的缺點。第二,本實用新型中采用量子壘的最大禁帶寬呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布的外延結(jié)構(gòu)可以降低量子壘與量子阱交接界面處的晶格常數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)的失配,提高有源區(qū)的外延晶體質(zhì)量。進(jìn)而降低漏電,提高LED內(nèi)量子效率和抗靜電擊穿性倉泛.。第三,采用量子壘的最大禁帶寬度呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布的外延結(jié)構(gòu)還可以減少量子壘與量子阱界面結(jié)合處的極化靜電荷積累,降低LED器件的內(nèi)建極化電場強度。這將有效地削弱量子局限斯塔克(QCSE )效應(yīng)對量子效率和發(fā)射波長穩(wěn)定性的不利影響,進(jìn)而部分或完全克服LED器件在大電流驅(qū)動條件下的“能效降低”問題。第四,采用量子壘的膜層厚度呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布的外延結(jié)構(gòu)可以增加載流子的隧穿效應(yīng)強度,改善載流子空間濃度或復(fù)合強度分布不均勻特點,從而提高載流子復(fù)合強度。綜上所述,采用本實用新型所述的量子壘漸變的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)可以增加氮化物L(fēng)ED器件的量子效率,特別是在大電流工作條件下的內(nèi)量子效率。同時,它能有效地克服采用常規(guī)“周期循環(huán)式”多量子阱有源區(qū)外延結(jié)構(gòu)LED在大電流工作條件下的“能效降低”問題。此外,該結(jié)構(gòu)還能提高器件工作的可靠性和穩(wěn)定性。
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為本實用新型實施例1的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)的剖面示意圖;圖2為本實用新型實施例1的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為本實用新型實施例2的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為本實用新型實施例3的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖5為本實用新型實施例4的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖6為本實用新型實施例5的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖7為本實用新型實施例6的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖8為本實用新型實施例7的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖;圖9為本實用新型實施例8的多量子阱有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1參看圖1,本實用新型按照自下而上的順序依次為藍(lán)寶石襯底1、GaN低溫緩沖層
2、非摻雜GaN層3、η型GaN電子注入層4、由10個InxGa^N (O彡χ彡I)量子壘和9個Ina2Gaa8N量子阱組成的有源區(qū)層5、Ala 13Gaa87N P型電子阻擋層6和p型GaN空穴注入層7。其中,GaN低溫緩沖層2的膜層厚度為25nm ;非摻雜GaN層3的厚度為2.5 μ m ;n型GaN電子注入層4的厚度為2.5 μ m,并采用5 X IO1Vcm3濃度的Si進(jìn)行η型摻雜。10個InxGapxN(O彡X彡I)量子壘的X取值自下而上分別為0、0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06,0.03、0、0,即量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢,量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。9個量子阱的禁帶寬度保持不變,且膜層厚度均為3nm ;Al0.13Ga0.87N p型電子阻擋層6的厚度為30nm ;p型GaN空穴注入層的厚度為0.5 μ m,并采用5X 102°/cm3濃度的Mg進(jìn)行p摻雜。本實施例LED外延結(jié)構(gòu)在靜態(tài)平衡條件下的能帶結(jié)構(gòu)圖如圖2所示(局部)。其中,量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)先減小后增大的漸變方式,而同一量子壘的禁帶寬度不變。需要補充說明的是,圖2和其它實施例的能帶結(jié)構(gòu)示意圖均未考慮極化電場對能帶帶邊的彎曲作用。實施例2除有源區(qū)層5外,本實用新型實施例2的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。如圖3,有源區(qū) 5 由 10 個 InxGahN/AlyInzGa卜^N/IrixGahN (O ^ x ^ I ;0 ^ y, z 彡 I ;y+z ( I)量子壘和9個Ina2Gaa8N量子阱組成。其中,單個量子壘In.Ga^.N/Al.1n.Ga^^N/In.Ga^.N又由三層氮化物InxGahNJlyInzGamN' InxGa1^xN組成。在同一個量子壘中,第一層、第三層氮化物的化學(xué)組分相同,第二層氮化物的禁帶寬度較其它兩層要大。如果用有序?qū)崝?shù)對(X,Y, z)用來表示單個量子壘三層氮化物的材料組分,那么,與上述10個量子壘InxGahN/AlyInzGa1IzNAnxGa^xN相應(yīng)的實數(shù)對取值自下而上分別為(0,0,O)、(0,0.05,O)、(0.06,
0.05,0.02),(0.14,0.05,0.1),(0.14,0.05,0.1),(0.12,0.05,0.08),(0.06,0.05,0.02)、(0.03,0.05,0),(0,0.05,O)、(0,0,0),即量子壘的最大禁帶寬度呈現(xiàn)先減小再增大的總體變化趨勢。單個量子壘的三個膜層InxGahNaiyInzGaml InxGa1J的厚度都是3nm,總厚度保持9nm不變。9個量子阱的禁帶寬度保持不變,且厚度均為3nm。[0033]實施例3除有源區(qū)5外,本實用新型實施例3的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。參看圖4,有源區(qū)5由8個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和7個Ina2Gaa8N量子阱組成。按照外延生長自下而上的順序,8個InxGahN (O ≤ x ≤ I)量子壘的最大禁帶寬度呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢。其中,第I個與第8個量子壘的材料為GaN ;第2、3個量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)均勻降低的變化方式,且代表它們化學(xué)組分的X取值分別從O均勻遞增到0.03、從0.06均勻遞增到0.09 ;第4、5、6、7個量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)均勻升高的變化方式,且它們的X取值分別從0.15均勻遞減到0.12、從0.11均勻遞減到0.08、從0.07均勻遞減到0.04、從
0.03均勻遞減到O ;所有量子壘的膜層厚度都保持IOnm不變;7個量子阱的禁帶寬度保持不變,且膜層厚度均為3nm。
實施例4除有源區(qū)5外,本實用新型實施例4的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。如圖5所示,有源區(qū)層5由10個InxGahN(O≤X≤I)量子壘和9個Ina2Gaa8N量子阱組成。10個InxGahN (O≤x≤I)量子壘的x取值自下而上分別為0、0、0.06,0.14,0.14,0.12,0.06、
0.03、0、0,即量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢。10個InxGahN (O≤x≤I)量子魚的膜層厚度自下而上分別為10nm、8nm、6 nm、4 nm、4 nm、5 nm、6 nm、8nm、10nm、IOnm,即量子壘的厚度也呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢。9個量子阱的禁帶寬度保持不變,且膜層厚度均為3nm。實施例5除有源區(qū)5外,本實用新型實施例5的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。如圖6所示,有源區(qū)層5由7個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和6個Ina2Gaa8N量子阱組成。7個InxGahN (O≤x≤I)量子壘的x取值自下而上分別為0,0.16,0.12,0.08,0.04、0、0,即禁帶寬度從第二個量子壘開始呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢,每個量子壘的厚度均為10nm。6個量子阱的禁帶寬度保持不變,且厚度均為3nm。實施例6除有源區(qū)5外,本實用新型實施例6的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。如圖7所示,有源區(qū)層5由9個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和6個Ina2Gaa8N量子阱組成。9個InxGahN (O≤x≤)量子壘的x取值自下而上分別為0,0.06,0.14,0.14,0.12,0.06、
0.03、0、0,即量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢,量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。而且,第I個與第2個量子壘之間、第2個與第3個量子壘之間無量子講。從第3個量子壘以后,量子阱開始出現(xiàn),其禁帶寬度保持不變,膜層厚度均為3nm。
實施例7除有源區(qū)5外,本實用新型實施例7的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。如圖8所示,有源區(qū)層5由9個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和3個Ina2Gaa8N量子阱組成。9個InxGahN (O≤x≤I)量子壘的x取值自下而上分別為0,0.06,0.14,0.14,0.12,0.06、
0.03、0、0,即量子壘的禁帶寬度呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢,量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。而且,第I個與第2個量子壘之間、第2個與第3個量子壘之間、第6個與第7個量子魚之間、第7個與第8個量子魚之間、第8個與第9個量子魚之間無量子講。第3個與第4個量子魚之間、第4個與第5個量子魚之間、第5個與第6個量子魚之間存在量子講。這些量子阱的禁帶寬度保持不變,膜層厚度均為3nm。實施例8除有源區(qū)5外,本實用新型實施例8的LED外延結(jié)構(gòu)與實施例1完全相同。如圖9所示,有源區(qū)層5由9個InxGahN (O≤x≤I)量子壘和8個Ina2Gaa8N量子阱組成。9個InxGahN (O≤x≤I)量子壘的x取值自下而上分別為0、0.06、0.10、0.08、0.04、0、0、0、
O,即禁帶寬度從第2個量子壘開始呈現(xiàn)先增大然后恒定不變的趨勢。量子壘的膜層厚度保持在IOnm不變。8個量子阱的禁帶寬度保持不變,但它們的膜層厚度自下而上依次為5nm、6nm、5nm、4nm、3nm、2nm、2nm、2nm。以上只是公開了本實用新型的示范性實施例。對于本領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)人員依據(jù)本實用新型實例的思想,在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上屬同一技術(shù)構(gòu)思的改變均屬于本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.適用于大電流驅(qū)動的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),它從襯底開始自下而上依次包括:n型化合物半導(dǎo)體、有源區(qū)和P型化合物半導(dǎo)體三部分;n型化合物半導(dǎo)體包括緩沖層、非摻雜層、η型電子注入物層,P型化合物半導(dǎo)體包括P型電子阻擋層和P型空穴注入層,η型化合物半導(dǎo)體、有源區(qū)和P型化合物半導(dǎo)體三部分的組成材料均為氮化物AlxInyGa^yN,其中O≤x、y≤l>x+y ≤ I ;且各部分由一層或者若干層不同組分的AlxInyGa1IyN構(gòu)成,其中O≤x、y≤l、x+y≤ I ;其特征在于,所述有源區(qū)是由m個量子講和m+1個量子魚交替堆疊而成,其中,m為任意自然數(shù),量子壘的最大禁帶寬度大于相鄰量子阱的最大禁帶寬度,不同量子壘的最大禁帶寬度或膜層厚度呈現(xiàn)漸變方式分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),其特征在于,所述m+1個量子壘的最大禁帶寬度按照自下而上的方向呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布,且其中至少存在A個最大禁帶寬度保持不變的量子壘,其中A為非負(fù)整數(shù),A^m0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),其特征在于,所述m+1個量子壘的膜層厚度按照自下而上的方向呈現(xiàn)逐漸增大或者先減小再增大的漸變方式分布,且其中至少存在B個膜層厚度保持不變的量子壘,其中B為非負(fù)整數(shù),B
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),其特征在于,所述量子壘和量子阱的禁帶寬度都通過調(diào)節(jié)氮化物AlxInyGa1IyN的化學(xué)組分實現(xiàn),其中O彡x、y彡1、x+y ( I。
專利摘要適用于大電流驅(qū)動的氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu),涉及LED光電子器件的制造技術(shù)領(lǐng)域。本實用新型結(jié)構(gòu)從襯底開始自下而上依次包括n型化合物半導(dǎo)體、有源區(qū)和p型化合物半導(dǎo)體三部分。其結(jié)構(gòu)特點是,所述有源區(qū)是由m個量子阱和m+1個量子壘交替堆疊而成,其中,m為任意自然數(shù),量子壘的最大禁帶寬度大于相鄰量子阱的最大禁帶寬度,不同量子壘的最大禁帶寬度或膜層厚度呈現(xiàn)漸變方式分布。同現(xiàn)有技術(shù)相比,本實用新型能減小或者消除氮化物L(fēng)ED在大電流驅(qū)動條件下的“能效降低”問題,提高器件的量子效率。
文檔編號H01L33/06GK203085626SQ20122065519
公開日2013年7月24日 申請日期2012年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月4日
發(fā)明者馬亮, 梁信偉 申請人:同方光電科技有限公司, 同方股份有限公司
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