[发明专利]发光二极管及其制造方法

说明书

本发明提供了一种发光二极管，包括自支撑衬底层，以及所述自支撑衬底表面的n型半导体层、发光层、以及p型半导体层，所述发光层包括电子扩展层、超晶格有源区、和空穴增强层。上述结构能够提高在小电流密度下的出光效率。

技术领域

本发明涉及半导体照明领域，尤其涉及一种发光二极管。

背景技术

GaN基的发光二极管(LED)因其发光层可以混合窄禁带的InGaN材料 (对应长波长光)和宽禁带的AlGaN材料(对应短波长)，从而可实现全光谱的发光，被广泛应用于照明显示及其相关应用。附图1所示是现有技术中一种芯片尺寸的GaN基LED外延结构示意图，一般用于100微米以上尺寸的芯片，主要由衬底、n型区、发光有源区和p型区组成。其中发光有源区用的是In (Al)GaN的多量子阱结构(MQW)，通过调制In(Al)组分，理论上可以实现整个可见光范围内的波长。具体的结构包括：蓝宝石等异质衬底、非掺杂GaN 层、n型GaN层、前垒层(FB)、应力释放层(SRL)、影子量子阱(SMQW)、量子阱有源区(MQW-SZ)、电子阻挡层(EBL)和p型GaN层等。

一般在蓝宝石/硅/碳化硅等异质衬底上生长非掺杂的GaN体材料，目的是减少由异质衬底带来的位错，为后面生长器件结构提供好的晶体质量。尽管如此，由于能生长的体材料厚度有限，其位错密度仍然达到10⁸cm^-2量级以上。而这样的位错密度在传统芯片尺寸下，还可以勉强满足出光效率的要求，原因是GaN系材料对位错不像其他半导体材料那么敏感。但是，在100微米以下的Micro-LED芯片尺寸，位错密度会急剧上升1～2个数量级，此时的缺陷密度引起的Shock-Read-Hall(SRH)非辐射复合将不容忽视。

由于异质衬底的原因，会存在很大的应力，现有外延结构在生长以多量子阱(MQWs)为发光有源区之前，需要生长一些外延层来消除影响，像应力释放层(StrainRelease Layer)和影子量子阱(Shellow Well)等。而通常的前垒层(FB)是为了开V型坑来提高出光效率的，在100微米以下的Micro-LED 芯片尺寸，这种V型坑(也即缺陷)和其带来的不均匀性将会被放大，此时缺陷密度引起的SRH复合将占主导作用。再者，当芯片缩小到Micro-LED尺寸时，电流密度变低，nGaN与MQW之间的那些外延层的作用将被减弱，量子阱中的电子、空穴波函数空间分离会加剧。电子相比空穴，不论是浓度还是迁移率，都要高出1～2个数量级。在上述极化场效应影响下，多量子阱的有源区结构中，电子被最后一个阱捕获的概率上升。即发光复合只在最后1个阱内发生，载流子的匹配变差，内量子效率降低。

在p型区的电子阻挡层(EBL)，除了阻挡从量子阱有源区溢出的电子外，更重要的作用是为了填补前面的V型坑，而当尺寸减小后，更多电子被最后一个阱捕获，电子阻挡层的效果也被减弱。

综上，微尺寸Micro-LED形成如下趋势：峰值效率向大电流密度区域偏移、同时伴随着出光效率的急剧下降。如何避免在小电流密度注入下，峰值效率向非工作区域偏移，同时避免出光效率急剧下降，是现有技术面临的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种发光二极管，能够提高在小电流密度下的出光效率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管，包括自支撑衬底层，以及所述自支撑衬底表面的n型半导体层、发光层、以及p型半导体层，所述发光层包括电子扩展层、超晶格有源区、和空穴增强层。

可选的，所述超晶格有源区包括多层交替生长的发光阱层和发光垒层。包括不少于30层彼此交替的发光阱层和发光垒层，发光阱层的单层厚度区间为 2～3nm，发光垒层的单层厚度区间为4～8nm，以形成小电流密度下的电子空穴的隧穿效应。

可选的，电子扩展层的厚度大于100nm，空穴增强层厚度小于30nm。