一種led外延片結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種LED外延片結構，其特征在于該結構LED外延片包括至少兩個pn結，構成至少兩個發光區域。每個pn結間設置有多量子阱以提高電子和空穴的復合發光效率。該多pn結LED外延片結構包括n型半導體和p型半導體交替生長的多層構造。由于發光區域成倍增加，因此可以通過增加LED芯片輸入電流以提升發光密度和亮度，同時避免了大電流情況下影響光效的電子溢出問題。
【專利說明】—種LED外延片結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及固態照明和顯示領域，特別是涉及LED外延芯片結構，該結構能夠大幅提高LED的發光密度和亮度。

【背景技術】
[0002]固態LED(發光二極管，Light Emitting D1de)光源因其高效、長壽、高顯色性、啟動迅速和環保的優點在照明和顯示設備正獲得越來越廣泛的應用。總結有關LED的各種技術發展路線，可以發現最終都歸結于怎樣提高光效和亮度。至今，在提高光效方面，相關研究和應用成果卓著，最新商業化的白光LED的光效記錄已經達到2001m/W以上，已遠遠高于節能燈601m/W的典型光效。然而，有關亮度提高方面的進展卻相對緩慢，因而限制了LED在更廣泛領域的應用。例如，現有的LED投影儀光源只能達到5001m的光輸出，所以只能應用在一些低端且投影面積較小的投影儀上，而主流投影儀依舊使用至少能輸出30001m超高壓汞燈和短弧氙燈。還有，目前大功率的工業和商用照明所使用的光源主要還是依賴金屬鹵化物燈，LED燈無論在亮度和功率方面都無法達到要求。
[0003]高亮度LED技術是現階段LED照明器件的主要發展方向，它能夠使得LED封裝器件的尺寸做得更小、性能更高，能為照明設計提供更多的創意空間和應用解決方案，
[0004]提高LED亮度就需要提高LED的發光密度，通常的手段一是提高LED芯片的電流密度，二是增大每個發光芯片的面積，但是過高的電流密度會造成電子溢出，也會使得芯片局部過熱，從而降低量子發光效率，縮短了 LED壽命，而過大的芯片面積會使得LED的應力問題更加突出，容易造成損壞，也不利于光效。
[0005]LED的發光來自于LED芯片中pn結(pn Junct1n),也就是p型半導體和η型半導體相互接觸的界面區域。通常，LED的pn結間設有多量子阱構造，形成發光區域。目前商業化的LED外延芯片多具有3-14層量子阱。多量子阱的結構有利于將載流子限制在勢阱中，因而能夠提高電子-空穴的復合效率，從而提升發光效率。然而，無論具有多少層量子阱，現有每個LED外延芯片的pn結只有一個，這一結構限制了 LED芯片亮度的進一步提升和功率的提高，無法滿足更多的照明和顯示設備如投影儀燈的亮度要求。
[0006]實用新型內容:
[0007]為了有效提高LED的發光密度從而提升LED的亮度，本實用新型提出了具有多個pn結也就是多個發光區域的LED外延片結構。這一外延結構能夠使得LED輸入電流成倍增加而無需擔心電子溢出的問題，因而能夠在保證較高光效的前提下大幅提高單位面積的光輸出，也就是發光密度和亮度。
[0008]具體地，本實用新型提出了一種具有多個pn結的LED外延芯片結構，該結構中外延層生長在一襯底上，各淀積層均順序生長，每一層材料生長在前一層之上。該結構的基本特征在于外延層包括η型半導體和P型半導體交替生長的多層構造，由此構成至少兩個pn結。
[0009]所述的pn結間設有多量子阱。
[0010]所述的具有多個pn結的LED外延片結構由下而上依次包括:
[0011]襯底、緩沖層、可選生長的不摻雜化合物層、第一 η型半導體層、第一發光層、P型半導體層、第二發光層、第二 η型半導體層。其中發光層也就是pn結間設有多量子阱；第二η型半導體層上面可以繼續外延生長第三發光層和另一層P型半導體層，以此延續周期疊力口，可根據實際需要確定最終Pn結的數目和以“多量子阱層-P型或η型半導體層”(不含第一 η型半導體層)為單元的外延周期數，該單元內P型或η型半導體的選擇要求和相鄰發光層的另一側的半導體不同。最上面的一層η型或者P型半導體(根據ρη結的數目所確定)之上可優選地再淀積一層重摻雜的η型或者P型半導體層，其上再淀積透明導電層。
[0012]LED芯片常見問題除了電子溢出外，還有位錯現象，容易引起LED芯片產生裂紋，其原因在于晶格失配和熱膨脹系數的差異。此外，靜電放電ESD (ElectrostaticDischarge)也是LED外延芯片常遇到的問題。為了減少電子溢出、降低位錯密度和防止靜電放電，可在發光層和P型或者η型半導體層之間，或者同時在發光層和P型半導體間以及發光層和η型半導體層之間，插入一層或多層阻擋層。
[0013]在一些實例中，可有選擇地在某些層之間再插入過渡層，例如在η型半導體層和發光層之間可插入多量子阱的弛豫層，在發光層和阻擋層之間可加入超晶格層和低溫P型或η型半導體層(P型或η型的選擇需和最鄰近的半導體層一致)，也可在最上面的透明導電層之下加入表面粗化的P型或者η型半導體層。
[0014]在另外一些實例中，襯底之上生長有反射層或者圖案層。
[0015]而在其他一些實例中，依據材料中元素組份的變化，可將某一層再細化分成若干淀積層。
[0016]在所述具有多個pn結的LED外延芯片結構中:
[0017]襯底材料優選為藍寶石(A1203)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化鋅(ZnO)、硒化鋅(ZnSe)、砷化鎵(GaAs)或者磷化鎵(GaP)其中之一，襯底的厚度可設為300_1500Mm ；
[0018]緩沖層的材料可優選氮化鎵(GaN)、氮化鋁(A1N)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁銦(AlInN)、氮化鋁銦鎵(AlInGaN)、磷化鎵(GaP)、磷化銦鎵(InGaP)、磷化鋁銦鎵(AlInGaP)、砷化鎵(GaAs)、砷化鋁鎵(AlGaAs)以及磷化鎵砷(GaAsP)，通常厚度1nm以上，例如可選25nm ；
[0019]不摻雜化合物層可以是藍光紫光常用的GaN、氮化鋁鎵(AlGaN)或是不同元素組份的AlInGaN，也可以是紅黃光常用的GaP或不同元素組份AlInGaP，或者是GaAs、AlGaAs以及GaAsP，厚度通常為1.5-3.5Mm ；
[0020]η 型半導體層，可選摻雜了 η 型雜質的 GaN、AIN、InGaN、AlInN、Al InGaN、GaP，InGaP、AlInGaP, GaAs、AlGaAs 以及 GaAsP。該層的厚度可設為 1.0-3.5Mm0
[0021]阻擋層可選不同元素組份的AlInGaN、AlGaN、InGaN、GaN、AlInGaP或AlGaAs，其中可摻雜P型或η型雜質。
[0022]發光層具有多量子阱構造，成份可以是InGaN/GaN、AlInGaP或者AlGaAs。多量子阱中的勢壘層和勢阱層交替生長，共可設4-15周期單元。勢壘層和勢阱層的典型厚度分別是 10_20nm 和 2_5nm。
[0023]P 型半導體層，可選摻雜了 P 型雜質的 GaN、AIN、InGaN、AlInN、Al InGaN、GaP，InGaP、AlInGaP，GaAs、AlGaAs 以及 GaAsP。厚度通常在 50nm 以上，如 150nm。
[0024]透明導電層可優選氧化銦錫ITO導電玻璃膜。
[0025]上述每個多元系材料可以有不同的元素組份，例如，四元系AlInGaN其組份可由AlxInyGa1TyN 中的 x,y 和 Ι-χ-y 來表示,其中可設 O 彡 x < 0.3, O^y < 0.4, x + y ^
0.5ο
[0026]LED芯片的外延方法有氣相外延(VPE)、液相外延(LPE)、金屬有機化學氣相淀積(MOCVD,Metal-organic Chemical Vapor Deposit1n)、分子束外延(MBE)。目前 LED 工業界主要采用MOCVD外延技術。
[0027]本實用新型所提出的外延結構，無論各淀積層怎樣變化，都脫離不了一個基本特征，就是該外延結構中具有至少兩個pn結也就是至少兩個發光區域，因而能夠大幅增大輸入電流，從而提升發光密度和亮度。例如，在具有兩個pn結的“η型半導體層-pn結-p型半導體層-pn結-η型半導體層”的基本外延結構中，電流由P型半導體層流入進而分叉流入兩個Pn結，再分別從兩個η型半導體層流出，其效果相當于兩個并聯的具有單個pn結的芯片，但是總的尺寸減小了一倍，因此能夠使得發光密度和亮度成倍提高，同時由于流過每個Pn結的電流并沒有增加，量子發光效率也就得到了保障。
[0028]值得強調的是本實用新型適用于任何波長的LED外延芯片。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本實用新型所闡述的LED外延片結構的一個藍光LED外延片實例。

【具體實施方式】
[0030]本實用新型提出了一種具有多個pn結的LED芯片結構，用以大幅提高LED發光亮度和功率。為了將本實用新型的概念、技術方案和優點闡述得更加明白，以下結合附圖實例對本實用新型作進一步的具體說明。此實例僅作解釋本實用新型之用，并不用于限定本實用新型。
[0031]圖1所示的是一依據本實用新型精神所設計的一個藍光LED外延芯片結構，具有兩個pn結，適用于MOCVD的氣相淀積技術。該結構依據氣相淀積順序，自下而上包括:
[0032]襯底1:優選藍寶石(A1203)、碳化硅(SiC)或者硅(Si)，厚度為300-1500Mm，可設為 100Mm ；
[0033]緩沖層2:生長在襯底上，材料可選GaN或A1N，厚度大于10nm，可設為25nm ；
[0034]不摻雜的氮化物層3:優選GaN、AlGaN或其任意組合，生長在緩沖層上，厚度為
1.5-3.5Mm,可設為 2.5Mm ；
[0035]第一 η型氮化物半導體層4:生長在不摻雜的氮化物層上，材料可在GaN、A1N、InGaN、AlInN和AlInGaN之中選其一，所摻雜質可選硅(Si)或鍺(Ge)，該層厚度為1.0-3.5Mm,可設 2.0Mm;
[0036]阻擋層5:生長于第一 η型氮化物層上，材料可選AlGaN或是不同元素組份的Al InGaN,厚度 10_30nm，可設 20nm ；
[0037]第一多量子阱發光層(pn結)6:生長在阻擋層5之上，材料可選InGaN/GaN，勢壘的厚度為15nm,勢講的厚度為3nm,共4_15周期,可設10個周期；
[0038]阻擋層7:生長于第一多量子阱上，材料可選AlGaN或是不同元素組份的AlInGaN,其中可摻雜P型雜質，該層厚度110_30nm，可設20nm ；
[0039]P型氮化物半導體層8:生長在阻擋層7上面，材料可從GaN、AlN、InGaN、AlInN和AlInGaN中選其一，所摻雜質可選鎂(Mg)，厚度在50nm以上，可設200nm ；
[0040]阻擋層9:生長P型氮化物層之上，材料可選AlGaN或是不同元素組份的Al InGaN，其中可摻雜P型雜質，該層厚度10-30nm,可設20nm ；
[0041]第二多量子阱發光層(pn結)10:生長在阻擋層9之上，材料可選InGaN/GaN，勢壘的厚度為15nm,勢講的厚度為3nm,共4_15周期,可設10個周期；
[0042]阻擋層11:生長在第二多量子阱之上，材料可選AlGaN或是不同元素組份的Al InGaN,厚度 10_30nm，可設 20nm ；
[0043]第二 η型氮化物半導體層12:生長在阻擋層11上面，材料可從GaN、AIN、InGaN、AlInN和AlInGaN選其一，所摻雜質為硅(Si)或鍺(Ge)，該層厚度為1.0-3.5Mm，可設2.0Mm;
[0044]重摻雜的η型氮化物半導體層13:生長在第二 η型氮化物層之上，其上表面可以粗化以利更多光線出射到芯片外面；
[0045]ITO透明導電層14。
[0046]上述實施例和附圖用以闡述在本實用新型的內容，但并非限定了本實用新型的產品結構和形態，任何本領域普通技術人員皆有可能對其做適當變化和修飾，這些變化和修飾均不能視作脫離本實用新型的專利范疇。
【權利要求】
1.一種LED外延片結構,其特征在于,該結構LED外延片包括至少兩個pn結。
2.如權利要求1所述的LED外延片結構，其特征在于，該結構包括η型半導體和ρ型半導體交替生長的多層構造。
3.如權利要求1或2所述LED外延片結構，其特征在于，所述pn結間設置有多量子阱。
4.如權利要求3所述LED外延片結構，其特征在于，所述外延片結構依據外延淀積順序自下而上依次包括: 襯底層、緩沖層、第一 η型半導體層、第一多量子阱層、ρ型半導體層、第二多量子阱層和第二η型半導體層。
5.如權利要求4所述LED外延片結構，其特征在于，所述外延結構具有更多以“多量子阱層-P型或η型半導體層”為單元的多個周期層。
6.如權利要求4所述LED外延片結構，其特征在于，所述緩沖層和所述第一η型半導體之間加有不摻雜化合物層，所述第二 η型半導體層之上淀積有重摻雜η型半導體層。
7.如權利要求4所述LED外延片結構，其特征在于，所述ρ型半導體層和所述第一多量子阱、第二多量子阱之間加有阻擋層。
8.如權利要求4所述LED外延片結構，其特征在于，所述第一η型半導體層和所述第一多量子阱之間，所述第二多量子阱和所述第二 η型半導體層之間，均加有阻擋層。
【文檔編號】H01L33/00GK204118105SQ201420498099
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】王偉奉 申請人:王偉奉