[发明专利]LED外延片、其制作方法及包括其的LED芯片

说明书

技术领域

本发明涉及半导体照明技术领域，具体而言，涉及一种LED外延片、其制作方法及包括其的LED芯片。

背景技术

GaN基材料（包括GaN、AlGaN、InGaN、MgGaN、SiGaN）属于直接带隙半导体，并且其带隙从1.8-6.2V连续可调，是生产高亮度蓝光、绿光和白光LED的最常用材料，广泛应用于背光源、大尺寸屏幕显示、标示标牌指示、信号灯及照明等领域。

GaN基LED芯片的制作方法通常为：采用MOCVD（金属有机化合物化学气相沉积方法）在蓝宝石衬底上外延生长一层GaN缓冲层；然后再生长非掺杂的GaN，目的是提高后续外延晶体的质量，在此基础上再依次生长掺杂Si的N型GaN、掺杂In的GaN量子阱和掺杂Mg或Al的P型GaN形成LED外延片；在LED外延片上生长ITO层；通过光刻及沉积工艺在ITO层上形成P电极，以及在N型GaN上形成N电极，从而形成LED芯片，如图1所示。

图1是现有的GaN基LED芯片的结构示意图，该芯片包括：GaN缓冲层102，设置在蓝宝石衬底101上；U型GaN层103，设置在GaN缓冲层102上；N型GaN层104，设置在所述U型GaN层103，N型GaN层包括平行设置的第一表面1041、第二表面1042，并且第一表面1041的高度高于第二表面1042；量子阱层105，设置在所述N型GaN层的第一表面1041上，所述量子阱层具有InxGa(1-x)N（x=0.20～0.21）/GaN层的周期性结构，其中InxGa(1-x)N（x=0.20～0.22）层的厚度为2.7～3.5纳米，GaN层的厚度为11～12纳米，量子阱层105总的厚度为165～233纳米；P型GaN层106，设置在所述量子阱层上105，其中P型GaN层106包括厚度为40～50纳米的掺杂Al和Mg的Al-Mg-GaN层1061和和厚度为150-200纳米的掺杂Mg的Mg-GaN层1062；ITO层107，设置在P型GaN层106上；P电极108，设置在ITO层107上；N电极109，设置在N型GaN层的第二表面1042上；保护层110，设置在ITO层107的表面、N型GaN层的第二表面以及两者之间的侧壁上。

目前，大尺寸、大功率LED器件取代小功率LED器件是半导体照明工程的必然趋势，但是随着芯片尺寸的加大，现有LED芯片的P型GaN层和N型GaN层中的电子运输过程中会出现“电流拥挤”的现象，使得整个外延层电流分布不均匀，流经量子阱的电流比较局域，造成的后果是芯片的驱动电压较高，亮度偏低。另一方面，P型GaN层的电阻值比较高（一般为8～10Ω），因此P型GaN层必须采用ITO作为连接层，以降低P型GaN层和P电极的欧姆接触电阻；但是ITO必须达到200～300纳米的厚度才能显著降低P型GaN层和P电极之间的欧姆接触电阻，而过厚的ITO会对光子产生一定程度的吸收，从而降低了LED的外部量子效率。

发明内容

本发明旨在提供一种LED外延片、其制作方法及包括其的LED芯片，以解决现有大功率LED器件存在的驱动电压较高、亮度偏低的技术问题。

本发明一方面提供了一种LED外延片。该外延片包括：由衬底表面向外依次设置的GaN缓冲层、第一U型GaN层、第一N型GaN层、量子阱层以及第一P型GaN层；还包括设置在第一P型GaN层上的隧道结层。

进一步地，上述隧道结层包括：第二P型GaN层，设置在第一P型GaN层上，优选地，在第二P型GaN层中Mg的掺杂浓度为1E+20～2E+20atom/cm³；绝缘层，设置在第二P型GaN层上；第二N型GaN层，设置在绝缘层上，优选地，在第二N型GaN层中Si的掺杂浓度为1E+19～1.2E+19atom/cm³。

进一步地，上述绝缘层包括：第二U型GaN层，设置在第二P型GaN层上；掺杂In的GaN层，设置在第二U型GaN层上，优选地，掺杂In的GaN层掺杂In后形成的化学式为In_xGa_(1-x)N，其中x为0.1～0.15；第三U型GaN层，设置在掺杂In的GaN层上。

进一步地，在上述隧道结层中，第二P型GaN层的厚度为20～30纳米；第二U型GaN层的厚度为2～3纳米；掺杂In的GaN层的厚度为8～10纳米；第三U型GaN层的厚度为2～3纳米；第二N型GaN层的厚度为30～40纳米。