一种增强空穴注入的异质结构LED器件转让专利
申请号 : CN201710587594.4
文献号 : CN107394021B
文献日 : 2023-04-11
发明人 : 刘宁炀 , 陈志涛 , 王巧 , 王君君 , 林丹 , 赵维 , 龚政
申请人 : 广东省半导体产业技术研究院
摘要 :
一种增强空穴注入的异质结构LED器件，包括衬底及衬底上的外延结构，所述外延结构包括沿外延生长方向依次设置的缓冲层、非故意掺杂层、n型电子漂移层、多量子阱发光有源区、p型电子阻挡层、p型空穴漂移层和p型接触层，所述n型电子漂移层上设置有n型欧姆接触电极，所述p型接触层上设置有p型欧姆接触电极，所述p型电子阻挡层由沿外延生长方向依次设置的p‑AlxGa1‑xN层、p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层及p‑AlzGa1‑zN层构成。本发明能够在保证对电子较好的阻挡作用、不增加器件工作电压的基础上，有效地提高空穴浓度和空穴漂移速率，缓解Mg受主激活能大、空穴迁移率低造成的不利影响，大大增强了空穴注入，从而提高了器件发光效率。
权利要求 :
1.一种增强空穴注入的异质结构LED器件，其特征在于：包括衬底(1)及衬底(1)上的外延结构，所述外延结构包括沿外延生长方向依次设置的缓冲层(2)、非故意掺杂层(3)、n型电子漂移层(4)、多量子阱发光有源区(5)、p型电子阻挡层(6)、p型空穴漂移层(7)和p型接触层(8)，所述n型电子漂移层(4)上设置有n型欧姆接触电极(9)，所述p型接触层(8)上设置有p型欧姆接触电极(10)，所述p型电子阻挡层(6)由沿外延生长方向依次设置的p‑AlxGa1‑xN层(61)、p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层(62)及p‑AlzGa1‑zN层(63)构成，其中所述p‑AlxGa1‑xN层(61)用于阻挡电子，所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层(62)用于调整价带和电场强度，使价带更接近空穴的准费米能级而提高空穴浓度，并使空穴在更大的电场下加速获得更高速率，所述p‑AlzGa1‑zN层(63)用于辅助增强阻挡电子，所述p‑AlxGa1‑xN层(61)的Al组分x为0.07≤x≤1，所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层(62)的In组分y1、y2、y3分别为0.04≤y1≤0.2，0.04≤y2≤0.2，0.04≤y3≤0.2，且y2≤y1≤y3，所述衬底(1)为导热基底，所述导热基底通过键合层(11)键合在n型欧姆接触电极(9)和p型欧姆接触电极(10)上而实现与外延结构的连接。
2.根据权利要求1所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，其特征在于：所述p‑AlxGa1‑xN层(61)的厚度为1～5nm。
3.根据权利要求1所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，其特征在于：所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层(62)中每一层的厚度均为1～5nm。
4.根据权利要求1所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，其特征在于：所述p‑AlzGa1‑zN层(63)的Al组分z为0.07≤z≤1。
5.根据权利要求1所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，其特征在于：所述p‑AlzGa1‑zN层(63)的厚度为1～5nm。
6.根据权利要求1所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，其特征在于：所述衬底(1)为生长衬底，所述缓冲层(2)、非故意掺杂层(3)、n型电子漂移层(4)、多量子阱发光有源区(5)、p型电子阻挡层(6)、p型空穴漂移层(7)和p型接触层(8)由生长衬底从下往上依次外延生长而成。
说明书 :
一种增强空穴注入的异质结构LED器件
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体照明技术领域，具体是涉及一种增强空穴注入的异质结构LED器件。
背景技术
[0002] GaN基发光二极管（LED）具有体积小、寿命长、高效节能、绿色环保等优点，是传统白炽灯、荧光灯的理想替代光源，是引领新一代照明革命的核心关键器件。近十余年来，LED照明市场规模不断扩大，取得了巨大的成功，同时可见光通信、微显示、可穿戴智能眼镜等LED新型应用不断发展，对器件性能提出了更高要求。当前在学术界和产业界，仍面临的重要挑战之一是如何解决大注入电流下LED的发光效率骤降（Efficiency Droop）问题。导致器件出现效率骤降的原因众说纷纭，可能包括缺陷相关的非辐射复合、俄歇复合、载流子解局域化、空穴注入效率限制或载流子泄漏等多种因素。其中，空穴注入效率限制或载流子泄漏是其中最重要的因素之一，这是因为对GaN基材料体系而言，n型和p型材料存在显著的导18 ‑3
电性差异，例如：n型GaN基材料掺杂容易实现，电子浓度可远大于1×10 cm ，且迁移率可
2
＞300 cm /V/s；而p型GaN基材料缺乏合适的受主掺杂剂（通常用Mg），空穴浓度很难做到1
18 ‑3 2
×10 cm 以上，且迁移率通常＜10 cm/V/s。因此，LED器件中n区和p区载流子存在显著的不平衡，从而导致内量子效率较低或者大注入电流下电子泄漏严重，导致器件发光效率下降。在Mg受主激活能高达150‑250meV的限制条件下，现有技术通常在量子阱发光有源区和p‑GaN漂移区之间引入p‑AlGaN、AlGaN/GaN短周期超晶格、或者渐变组分p‑AlGaN等电子阻挡层结构来阻挡电子泄漏。这些电子阻挡层在一定程度上缓解了效率骤降，但仍存在厚度较大导致器件工作电压增大、外延生长条件较为苛刻、或者制备工艺复杂等一系列问题。
电性差异，例如：n型GaN基材料掺杂容易实现，电子浓度可远大于1×10 cm ，且迁移率可
2
＞300 cm /V/s；而p型GaN基材料缺乏合适的受主掺杂剂（通常用Mg），空穴浓度很难做到1
18 ‑3 2
×10 cm 以上，且迁移率通常＜10 cm/V/s。因此，LED器件中n区和p区载流子存在显著的不平衡，从而导致内量子效率较低或者大注入电流下电子泄漏严重，导致器件发光效率下降。在Mg受主激活能高达150‑250meV的限制条件下，现有技术通常在量子阱发光有源区和p‑GaN漂移区之间引入p‑AlGaN、AlGaN/GaN短周期超晶格、或者渐变组分p‑AlGaN等电子阻挡层结构来阻挡电子泄漏。这些电子阻挡层在一定程度上缓解了效率骤降，但仍存在厚度较大导致器件工作电压增大、外延生长条件较为苛刻、或者制备工艺复杂等一系列问题。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构可靠，能够实现阻挡层中价带能带结构和电场强度分布的局部调节，有效地增强空穴注入，发光效率高的异质结构LED器件。
[0004] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0005] 本发明所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，其特点是：包括衬底及衬底上的外延结构，所述外延结构包括沿外延生长方向依次设置的缓冲层、非故意掺杂层、n型电子漂移层、多量子阱发光有源区、p型电子阻挡层、p型空穴漂移层和p型接触层，所述n型电子漂移层上设置有n型欧姆接触电极，所述p型接触层上设置有p型欧姆接触电极，所述p型电子阻挡层由沿外延生长方向依次设置的p‑AlxGa1‑xN层、p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层及p‑AlzGa1‑zN层构成，其中所述p‑AlxGa1‑xN层用于阻挡电子，所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层用于调整价带和电场强度，使价带更接近空穴的准费米能级而提高空穴浓度，并使空穴在更大的电场下加速获得更高速率，所述p‑AlzGa1‑zN层用于辅助增强阻挡电子。
[0006] 其中，所述p‑AlxGa1‑xN层的Al组分x为0.07≤x≤1。而且，所述p‑AlxGa1‑xN层的厚度为1～5nm。
[0007] 所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层的In组分y1、y2、y3分别为0.04≤y1≤0.2，0.04≤y2≤0.2，0.04≤y3≤0.2，且y2≤y1≤y3。而且，所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层中每一层的厚度均为1～5nm。
[0008] 所述p‑AlzGa1‑zN层的Al组分z为0.07≤z≤1。而且，所述p‑AlzGa1‑zN层的厚度为1～5nm。
[0009] 为了使本发明具有多种不同的结构形式，以方便地满足不同的使用需要，既可以是，所述衬底为生长衬底，所述缓冲层、非故意掺杂层、n型电子漂移层、多量子阱发光有源区、p型电子阻挡层、p型空穴漂移层和p型接触层由生长衬底从下往上依次外延生长而成；也可以是，所述衬底为导热基底，所述导热基底通过键合层键合在n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极上而实现与外延结构的连接。
[0010] 本发明由于采用了由p‑AlxGa1‑xN层、p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层和p‑AlzGa1‑zN层组成的异质结作为p型电子阻挡层，通过采用较薄的p‑AlxGa1‑xN层降低了对注入空穴的阻挡作用；同时，通过引入压电极化与p‑AlxGa1‑xN材料相反的p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层，由增强的极化电场能够使p‑AlxGa1‑xN和p‑Iny1Ga1‑y1N之间带阶处的价带更接近空穴准费米能级，并使空穴在更大的电场下漂移，而且复合层中p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N的作用是由带阶差异进一步提升价带和电场强度。通过以上多层异质结的共同作用，在优化的组分和厚度条件下，能够在保证对电子较好的阻挡作用、不增加器件工作电压的基础上，有效地提高空穴浓度和空穴漂移速率，缓解Mg受主激活能大、空穴迁移率低造成的不利影响，大大增强了空穴注入，从而提高了器件发光效率。此外，由于增强了空穴注入，可以降低LED器件p型层的整体厚度而保持器件性能不变，从而有利于节约材料外延生长的时间和原料成本，并减少p型层对量子阱发光的吸收，对于进一步提高器件性能和产业化生产都具有积极意义。
[0011] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
[0012] 图1为本发明方案一的结构示意图。
[0013] 图2为本发明方案二的结构示意图。
具体实施方式
[0014] 如图1‑图2所示，本发明所述的增强空穴注入的异质结构LED器件，包括衬底1及衬底1上的外延结构，所述外延结构包括沿外延生长方向依次设置的缓冲层2、非故意掺杂层3、n型电子漂移层4、多量子阱发光有源区5、p型电子阻挡层6、p型空穴漂移层7和p型接触层
8，所述n型电子漂移层4上设置有n型欧姆接触电极9，所述p型接触层8上设置有p型欧姆接触电极10。
8，所述n型电子漂移层4上设置有n型欧姆接触电极9，所述p型接触层8上设置有p型欧姆接触电极10。
[0015] 其中，所述p型电子阻挡层6由沿外延生长方向依次设置的p‑AlxGa1‑xN层61、p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层62及p‑AlzGa1‑zN层63构成。所述p‑AlxGa1‑xN层61用于阻挡电子，且其厚度为1～5nm ，Al组分x为0.07≤x≤1。所述p‑Iny1Ga1‑y1N/p‑Iny2Ga1‑y2N/p‑Iny3Ga1‑y3N复合层62用于调整价带和电场强度，使价带更接近空穴的准费米能级而提高空穴浓度，并使空穴在更大的电场下加速获得更高速率，且其每一层的厚度均为1～5nm，In组分y1、y2、y3分别为0.04≤y1≤0.2，0.04≤y2≤0.2，0.04≤y3≤0.2，且y2≤y1≤y3。所述p‑AlzGa1‑zN层63用于辅助增强阻挡电子，且其厚度为1～5nm，Al组分z为0.07≤z≤1。
[0016] 下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
[0017] 实施例一：
[0018] 本实施例中LED器件为正装结构的蓝光LED器件，其结构如图1所示。此时，衬底1为蓝宝石图形化生长衬底，在该蓝宝石图形化生长衬底上采用MOCVD生长法由下往上依次外延生长有GaN缓冲层、GaN非故意掺杂层、n型GaN电子漂移层、10个周期的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱发光有源区（发光波长约为460nm）、p型电子阻挡层、p型GaN空穴漂移层和p型GaN接触层。外延生长的条件和参数与传统大功率蓝光LED相似。其不同点在于p型电子阻挡层由厚度为5nm 的p‑Al0.14Ga0.86N层、厚度依次为1nm/1nm/1nm 的p‑In0.08Ga0.92N/p‑In0.04Ga0.96N/p‑In0.14Ga0.86N复合层以及厚度为5nm 的p‑Al0.07Ga0.93N层构成。Mg掺杂浓度都19 ‑3
为3×10 cm ，复合层中In组分依次为0.08/0.04/0.14，均小于多量子阱发光有源区的In组分0.2，以避免吸收正面出光。
为3×10 cm ，复合层中In组分依次为0.08/0.04/0.14，均小于多量子阱发光有源区的In组分0.2，以避免吸收正面出光。
[0019] 将得到的外延片按常规芯片工艺流片，采用ICP刻蚀工艺刻蚀部分外延结构，露出n型GaN电子漂移层，并在该露出的n型GaN电子漂移层的表面上通过电子束蒸发的方法制备Ti/Al/Ni/Au多层金属n型欧姆接触电极，同时在p型GaN接触层的表面上通过电子束蒸发的方法制备ITO/Ti/Au多层结构p型欧姆接触电极，最后制成单颗芯片，即可得到本实施例中增强空穴注入的蓝光LED器件。
[0020] 实施例二：
[0021] 本实施例中LED器件为正装结构的近紫外光LED器件，其结构如图1所示。此时，衬底1为蓝宝石/AlN复合生长衬底，在该蓝宝石/AlN复合生长衬底上采用MOCVD生长法由下往上依次外延生长有GaN缓冲层、GaN非故意掺杂层、n型Al0.07Ga0.93N电子漂移层、10个周期的In0.08Ga0.92N/GaN多量子阱发光有源区（发光波长约为395nm）、p型电子阻挡层、p型Al0.07Ga0.93N空穴漂移层和p型In0.07Ga0.93N接触层。外延生长的条件和参数与传统近紫外光LED相似。其不同点在于p型电子阻挡层由厚度为2nm 的p‑Al0.15Ga0.85N层、厚度依次为2nm/2nm/2nm 的p‑In0.05Ga0.95N/p‑In0.03Ga0.97N/p‑In0.08Ga0.92N复合层以及厚度为5nm 的p‑
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Al0.14Ga0.86N层构成。Mg掺杂浓度都为3×10 cm ，复合层中In组分依次为0.05/0.03/
0.08，均小于多量子阱发光有源区的In组分0.1，以避免吸收正面出光。另外，p型
Al0.07Ga0.93N空穴漂移层的厚度也由传统结构LED的150nm减薄为75nm，且p型层的总厚度约为90nm，为薄p型层的LED器件。
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Al0.14Ga0.86N层构成。Mg掺杂浓度都为3×10 cm ，复合层中In组分依次为0.05/0.03/
0.08，均小于多量子阱发光有源区的In组分0.1，以避免吸收正面出光。另外，p型
Al0.07Ga0.93N空穴漂移层的厚度也由传统结构LED的150nm减薄为75nm，且p型层的总厚度约为90nm，为薄p型层的LED器件。
[0022] 将得到的外延片按常规芯片工艺流片，采用ICP刻蚀工艺刻蚀部分外延结构，露出n型GaN电子漂移层，并在该露出的n型GaN电子漂移层的表面上通过电子束蒸发的方法制备Ti/Al/Ti/Au多层金属n型欧姆接触电极，同时在p型In0.07Ga0.93N接触层的表面上通过电子束蒸发的方法制备Ni/Au多层结构p型欧姆接触电极，最后制成单颗芯片，即可得到本实施例中增强空穴注入的近紫外光LED器件。在空穴注入获得增强的情况下，薄p型层的LED器件减少了外延原料和时间成本，且更有利于提高器件出光效率。
[0023] 实施例三：
[0024] 本实施例中LED器件为倒装结构的近紫外光LED器件，其结构如图2所示。此时，衬底1为导热基底。其外延结构为硅衬底上采用MOCVD生长法由下往上依次外延生长形成的AlN缓冲层、Al0.3Ga0.7N非故意掺杂层、n型Al0.1Ga0.9N电子漂移层、10个周期的In0.02Ga0.98N/Al0.1Ga0.9N多量子阱发光有源区（发光波长约为365nm）、p型电子阻挡层、p型Al0.1Ga0.9N空穴漂移层和p型In0.02Ga0.98N接触层。外延生长的条件和参数与传统近紫外光LED相似。其不同点在于p型电子阻挡层由厚度为3nm的 p‑Al0.2Ga0.8N层、厚度依次为3nm/3nm/3nm的p‑In0.02Ga0.98N/p‑In0.02Ga0.98N/p‑In0.02Ga0.98N复合层以及厚度为3nm 的p‑Al0.15Ga0.85N层构19 ‑3
成。Mg掺杂浓度都为5×10 cm ，复合层中In组分依次为0.02/0.02/0.02，以尽量减少对器件向下发光及反射光的吸收。
成。Mg掺杂浓度都为5×10 cm ，复合层中In组分依次为0.02/0.02/0.02，以尽量减少对器件向下发光及反射光的吸收。
[0025] 将得到的外延片按倒装芯片工艺流片，采用ICP刻蚀工艺刻蚀部分外延结构，露出n型Al0.1Ga0.9N电子漂移层，并在该露出的n型Al0.1Ga0.9N电子漂移层的表面上通过电子束蒸发的方法制备V/Al/V/Au多层金属n型欧姆接触电极，同时在p型In0.02Ga0.98N接触层的表面上通过电子束蒸发的方法制备Ag/Ni/Au结构p型欧姆接触反射镜电极，并通过倒装工艺将芯片通过键合层11键合到导热基底上，最后剥离硅衬底，制成单颗芯片，即可得到本实施例中增强空穴注入的近紫外光LED器件。
[0026] 本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。