一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括依次層疊的襯底層、第一n型氮化鎵層、第一量子阱層、第一p型氮化鎵層、隧穿結(jié)層、第二n型氮化鎵層、第二量子阱層和第二p型氮化鎵層；其中，隧穿結(jié)層包括依次層疊的p++氮化鎵層、調(diào)制摻硅的銦鎵氮層和n+氮化鎵層；p++氮化鎵層覆蓋貼合于第一p型氮化鎵層，n+氮化鎵層層疊覆蓋貼合于第二n型氮化鎵層。該發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有的LED芯片相比，增加了單個(gè)芯片晶粒的功率和電壓，降低了襯底的使用成本，甚至簡化了芯片制作工藝。在取代或優(yōu)化目前的高壓氮化物發(fā)光二極管上具有很大的優(yōu)勢(shì)。
【專利說明】一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著LED照明技術(shù)的發(fā)展，高壓發(fā)光二極管(LED)芯片已經(jīng)成為市場(chǎng)上不可缺少的一部分。高壓LED芯片通過把芯片的外延層分割成小的晶粒單元，并借助芯片工藝把它們串聯(lián)起來制得，從而表現(xiàn)出高電壓，小電流的特點(diǎn)。由于高壓LED芯片的成本太高，許多燈具廠商優(yōu)先選用把封裝好的小功率氮化物發(fā)光二極管串聯(lián)起來代替大功率的LED芯片，這大大的制約了高壓發(fā)光二極管的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，可制備得到大功率、大電壓的LED芯片。
[0004]本發(fā)明提供了一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，所述發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的襯底層、第一 η型氮化鎵層、第一量子阱層、第一 ρ型氮化鎵層、隧穿結(jié)層、第二 η型氮化鎵層、第二量子阱層和第二 P型氮化鎵層；其中，所述隧穿結(jié)層包括依次層疊的P++氮化鎵層、調(diào)制摻硅的銦鎵氮層和η+氮化鎵層；所述ρ++氮化鎵層覆蓋貼合于所述第一 P型氮化鎵層，所述η+氮化鎵層層疊覆蓋貼合于所述第二 η型氮化鎵層。
[0005]其中，所述ρ++氮化鎵層的厚度為5?50nm,摻雜濃度為1E2°?lE21cm_3。
[0006]其中，所述η+氮化鎵層的厚度為5?50nm,摻雜濃度為1E2°?lE21cm_3。
[0007]其中，所述調(diào)制摻娃的銦鎵氮層的厚度為5?20nm,摻雜濃度為IE21?IE23Cm'
[0008]其中，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的禁帶寬度小于所述P++氮化鎵層和所述η+氮化鎵層的禁帶寬度。
[0009]其中，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的禁帶寬度小于所述第一量子阱的禁帶寬度。
[0010]相應(yīng)的，本發(fā)明還提供了一種制備方法，用于制備上述發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括步驟如下:
[0011]提供一襯底層；
[0012]采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積法，在所述襯底層上依次制備第一 η型氮化鎵層、
第一量子講層、第一 P型氮化鎵層；
[0013]在所述第一 ρ型氮化鎵層表面依次層疊制備P++氮化鎵層，調(diào)制摻硅的銦鎵氮層和η+氮化鎵層；
[0014]在所述η+氮化鎵層的表面依次層疊制備第二 η型氮化鎵層、第二量子阱層和第二P型氮化鎵層。
[0015]其中，所述ρ++氮化鎵層采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積制備；所述P++氮化鎵層的生長條件參數(shù)為:鎵源為三甲基鎵，氮源為氨氣，鎂源為二茂基鎂，載氣為氫氣和氮?dú)猓瑲錃夂偷獨(dú)鈿饬髁康谋壤?gt;1:1，反應(yīng)腔的壓力為200?700torr，反應(yīng)溫度為800?1050°C，制備得到所述P++氮化鎵層的厚度為5?50nm，摻雜濃度為1E2°?lE21cm_3。
[0016]其中，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的生長方式是分步生長；包括以下步驟:
[0017]S31:通入娃燒和氨氣在所述ρ++氮化鎵層表面生成Si原子；
[0018]S32:關(guān)閉娃燒，通入嫁源和鋼源；
[0019]S31和S32步驟重復(fù)進(jìn)行5?10次，制備得到所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層。
[0020]所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的生長條件參數(shù)為:反應(yīng)腔壓力為300tOrr，溫度為800?950°C，鎵源為三甲基鎵，銦源為三甲基銦，氮源為氨氣，載氣為氫氣，摻雜劑為硅烷，制備得到所述調(diào)制摻娃的銦鎵氮層的厚度為5?20nm,摻雜濃度為IE21?lE23cnT3。
[0021]其中，所述η+型氮化鎵層的生長條件參數(shù)為:反應(yīng)腔壓力為500torr，溫度900?IlOO0C，鎵源為三甲基鎵，氮源為氨氣，載氣為氫氣，摻雜劑為硅烷，制備得到所述η+型氮化鎵層的厚度為5?50nm，摻雜濃度為IE2q?lE21Cm_3。
[0022]在本發(fā)明提供的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)中，通過隧穿結(jié)把兩個(gè)PN結(jié)串聯(lián)起來，或者多個(gè)隧穿結(jié)串聯(lián)多個(gè)PN結(jié)，制備得到大功率、大電壓的LED芯片。與現(xiàn)有的LED芯片相t匕，增加了單個(gè)芯片晶粒的功率和電壓，甚至采用單個(gè)芯片晶粒就可以達(dá)到高壓性能要求。從而減少了串聯(lián)的LED芯片晶粒的個(gè)數(shù)，降低了襯底的使用成本，甚至簡化了芯片制作工藝。在取代或優(yōu)化目前的高壓氮化物發(fā)光二極管上具有很大的優(yōu)勢(shì)，也使高壓氮化物發(fā)光二極管有更好的發(fā)展前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的層結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的兩個(gè)隧穿結(jié)連接3個(gè)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的制備方法；
[0026]圖4是無調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的能帶示意圖；
[0027]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的有調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的能帶示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0029]參見圖1，為本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積制備。發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的襯底層
101、第一 η型氮化鎵層102、第一量子阱層103、第一 ρ型氮化鎵層104、隧穿結(jié)層、第二 η型氮化鎵層108、第二量子阱層109和第二 ρ型氮化鎵層110。
[0030]在本實(shí)施方式中，隧穿結(jié)層為一個(gè)，用于連接其兩側(cè)的PN結(jié)層。參見圖2，也可為兩個(gè)隧穿結(jié)串聯(lián)3個(gè)PN結(jié)的結(jié)構(gòu)。在其他實(shí)施方式中，隧穿結(jié)可為η個(gè)，從而連接η+1個(gè)
PN結(jié)。
[0031]隧穿結(jié)層包括依次層疊的ρ++氮化鎵層105、調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106和η+氮化鎵層107。ρ++氮化鎵層105覆蓋貼合于第一 ρ型氮化鎵層104, η+氮化鎵層107層疊覆蓋貼合于第二 η型氮化鎵層108。其中，ρ++氮化鎵層105是指相對(duì)重?fù)诫s的氮化鎵。調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106是指一種高摻雜的銦鎵氮層。[0032]ρ++氮化鎵層105的厚度為5?50nm，摻雜濃度為IE2q?lE21cm_3。
[0033]調(diào)制摻娃的銦鎵氮層106的厚度為5?20nm,摻雜濃度為IE21?lE23cnT3。
[0034]調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106的禁帶寬度小于ρ++氮化鎵層105和η+氮化鎵層107的禁帶寬度。
[0035]此外，調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106的禁帶寬度小于第一量子阱層103的禁帶寬度，以避免對(duì)光的再次吸收。
[0036]η+型氮化鎵層107的厚度為5?50nm，摻雜濃度為1E2°?lE21cm_3。
[0037]參見圖3，本發(fā)明實(shí)施例還提供了 一種制備方法，用于制備上述發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括步驟如下:
[0038]S1:提供一襯底層101，襯底層101的材質(zhì)為藍(lán)寶石。
[0039]S2:米用金屬有機(jī)化合物氣相沉積法,在襯底層101上依次制備第一 η型氮化鎵層
102、第一量子講層103、第一 ρ型氮化鎵層104。
[0040]S3:在第一 P型氮化鎵層104表面依次層疊制備ρ++氮化鎵層105，調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106和η+氮化鎵層107。
[0041]在S3步驟中，ρ++氮化鎵層105采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積(MOCVD)設(shè)備制得。鎵源為三甲基鎵(TMGa)，氮源為氨氣(NH3)，鎂源為二茂基鎂(Cp2Mg)，載氣為H2和N2, H2和N2氣流量的比例>1: 1，反應(yīng)腔的壓力為200?700torr，反應(yīng)溫度為800?1050°C，其中，優(yōu)選的反應(yīng)溫度為900?1100°C。ρ++氮化鎵層105的厚度為5?50nm，摻雜濃度為IE2q?IE21Cm 3。
[0042]調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106的厚度為5?20nm，摻雜濃度為IE21?IE23CnT3,調(diào)制Si的銦鎵氮層的生長溫度為800?950°C。
[0043]調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106的生長方式是分步生長。具體步驟包括:
[0044]S31:通入娃燒和氨氣在ρ++氮化鎵層105表面生成Si原子；
[0045]S32:關(guān)閉娃燒，通入嫁源和鋼源；
[0046]S31和S32步驟重復(fù)進(jìn)行5?10次，制備得到調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106。
[0047]本實(shí)施方式中，其生長條件參數(shù)為:反應(yīng)腔壓力為300torr，溫度為800°C，鎵源為三甲基鎵(TMGa)，銦源為三甲基銦(TMIn)，氮源為氨氣NH3),載氣為H2，摻雜劑為硅烷(SiH4)。
[0048]具體的生長步驟為，S31步驟中，氨氣的量不變，通入IOs硅烷，在ρ++氮化鎵層105表面生成Si原子。S32步驟中，通入30s三甲基銦和三甲基鎵，兩者氣流量的比例>1:250, Si原子緩慢擴(kuò)散至銦鎵氮晶格中。重復(fù)S31和S32步驟5?10次，制備得到調(diào)制摻娃的銦鎵氮層106。
[0049]η+型氮化鎵層107的制備方法為，反應(yīng)腔壓力為500torr，溫度900?1100°C，鎵源為三甲基鎵(TMGa)，氮源為氨氣(NH3),載氣為H2，摻雜劑為硅烷(SiH4)。η+型氮化鎵層107的厚度為5?50nm，摻雜濃度為IE2q?lE21cnT3。
[0050]S4:在η+氮化鎵層107的表面依次層疊制備第二 η型氮化鎵層108、第二量子阱層109和第二 ρ型氮化鎵層110。
[0051]通過上述制備過程，制備得到一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)。參見圖4為熱平衡狀態(tài)下無調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的發(fā)光二極管的能帶示意圖。圖5為熱平衡下本發(fā)明實(shí)施例提供的，具有調(diào)制摻硅的銦鎵氮層106的，發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的能帶示意圖。其中，Ef是費(fèi)米能級(jí)，Ev是價(jià)帶，Ec是導(dǎo)帶。通過對(duì)比可以清晰地看到,在圖5中，ρ++氮化鎵層105和η+氮化鎵層107所構(gòu)成的PN結(jié)的耗盡層的寬度大大變窄，且ρ++氮化鎵層105價(jià)帶和η+氮化鎵層107導(dǎo)帶的距離也變小了，大大增加了電子隧穿的幾率。這是因?yàn)檎{(diào)制摻硅的銦鎵氮層106具有較高的摻雜濃度，它的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入到導(dǎo)帶中，拉近了 P++氮化鎵層105價(jià)帶和η+氮化鎵層107導(dǎo)帶的距離，同時(shí)很大程度上降低了耗盡層的寬度，使ρ++氮化鎵層105價(jià)帶電子穿過禁帶能夠進(jìn)入到η+氮化鎵層107導(dǎo)帶,使電子隧穿,產(chǎn)生明顯的隧道電流。
[0052]在本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)中，通過隧穿結(jié)把兩個(gè)PN結(jié)串聯(lián)或者多個(gè)隧穿結(jié)串聯(lián)多個(gè)PN結(jié)，制備得到大功率、大電壓的LED芯片。與現(xiàn)有的LED芯片相比，增加了單個(gè)芯片晶粒的功率和電壓，甚至采用單個(gè)芯片晶粒就可以達(dá)到高壓性能要求。從而減少了串聯(lián)的LED芯片晶粒的個(gè)數(shù)，降低了襯底的使用成本，甚至簡化了芯片制作工藝。在取代或優(yōu)化目前的高壓氮化物發(fā)光二極管上具有很大的優(yōu)勢(shì)，也使高壓氮化物發(fā)光二極管有更好的發(fā)展前景。
[0053]以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)包括依次層疊的襯底層、第一 η型氮化鎵層、第一量子阱層、第一 P型氮化鎵層、隧穿結(jié)層、第二 η型氮化鎵層、第二量子阱層和第二 P型氮化鎵層；其中，所述隧穿結(jié)層包括依次層疊的P++氮化鎵層、調(diào)制摻硅的銦鎵氮層和η+氮化鎵層；所述ρ++氮化鎵層覆蓋貼合于所述第一 P型氮化鎵層，所述η+氮化鎵層層疊覆蓋貼合于所述第二 η型氮化鎵層。
2.如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P++氮化鎵層的厚度為5~50nm，摻雜濃度為IE20~lE21cnT3。
3.如權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述η+氮化鎵層的厚度為5~50nm，摻雜濃度為IE20~lE21cnT3。
4.如權(quán)利要求3所述的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的厚度為5~20nm，摻雜濃度為IE21~lE23Cm_3。
5.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的禁帶寬度小于所述P++氮化鎵層和所述η+氮化鎵層的禁帶寬度。
6.如權(quán)利要求4所述的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的禁帶寬度小于所述第一量子阱的禁帶寬度。
7.一種制備方法，用于制備權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu),其特征在于，包括步驟如下: 提供一襯底層； 采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積法，在所述襯底層上依次制備第一 η型氮化鎵層、第一量子阱層、第一 P型氮化鎵層； 在所述第一 P型氮化鎵層表面依次層疊制備P++氮化鎵層，調(diào)制摻硅的銦鎵氮層和η+氮化鎵層； 在所述η+氮化鎵層的表面依次層疊制備第二 η型氮化鎵層、第二量子阱層和第二 ρ型氮化鎵層。
8.如權(quán)利要求7所述制備方法，其特征在于，所述ρ++氮化鎵層采用金屬有機(jī)化合物氣相沉積制備；所述P++氮化鎵層的生長條件參數(shù)為:鎵源為三甲基鎵，氮源為氨氣，鎂源為二茂基鎂，載氣為氫氣和氮?dú)猓瑲錃夂偷獨(dú)鈿饬髁康谋壤?gt;1:1，反應(yīng)腔的壓力為200~700torr，反應(yīng)溫度為800~1050°C，制備得到所述ρ++氮化鎵層的厚度為5~50nm，摻雜濃度為 IE20 ~IE21CnT3。
9.如權(quán)利要求8所述制備方法，其特征在于，所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的生長方式是分步生長；包括以下步驟: 531:通入硅烷和氨氣在所述ρ++氮化鎵層表面生成Si原子； 532:關(guān)閉硅烷，通入嫁源和鋼源； S31和S32步驟重復(fù)進(jìn)行5~10次，制備得到所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層。 所述調(diào)制摻硅的銦鎵氮層的生長條件參數(shù)為:反應(yīng)腔壓力為300torr，溫度為800~950°C，鎵源為三甲基鎵，銦源為三甲基銦，氮源為氨氣，載氣為氫氣，摻雜劑為硅烷，制備得到所述調(diào)制摻娃的銦鎵氮層的厚度為5~20nm,摻雜濃度為IE21~lE23cnT3。
10.如權(quán)利要求9所述制備方法，其特征在于，所述η+型氮化鎵層的生長條件參數(shù)為:反應(yīng)腔壓力為500torr，溫度900~1100°C，鎵源為三甲基鎵，氮源為氨氣，載氣為氫氣，摻雜劑為硅烷，制備得到 所述η+型氮化鎵層的厚度為5~50nm，摻雜濃度為1E2°~lE21cm_3。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK104022199SQ201410235976
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】冉思涵, 董彬忠, 王江波 申請(qǐng)人:華燦光電(蘇州）有限公司