[发明专利]一种微发光二极管外延结构及其制备方法

说明书

本发明提出一种微LED外延结构，该外延结构至少包括N型层、发光层、P型层。其中发光层包括n个周期的量子阱结构，每一个周期的量子阱结构包括阱层和势垒层，其中n1个周期的量子阱结构定义为第一发光区，n2个周期的量子阱结构定义为第二发光区，n1和n2大于等于1，且n1+n2小于等于n，第一发光区比第二发光区更接近N型层，两组发光区势垒层材料的平均带隙满足以下条件：第一发光区小于第二发光区；两组发光区阱层材料的平均带隙满足以下条件：第一发光区大于等于第二发光区。利用该外延结构制备的微LED，可实现峰值光电转换效率对应电流密度低于1A/cm²，且光电转换效率提升约30%。

技术领域

本发明涉及一种微LED发光元件，属于半导体光电技术领域。

背景技术

传统外延结构LED的峰值光电转换效率分布在大于5A/cm²的电流密度区间，如图9所示，现有应用多数工作在高电流密度（大于10A/cm²）区域。然而，手机（或手表、手环）上用的Micro LED使用的电流非常小，往往在nA级的水平，换算成电流密度，在0.1~1A/cm²之间。传统外延结构在低于1A/cm²电流密度下，其光电转换效率处在非常不稳定的区间，随着电流的微小变化，光电转换效率亦会出现急速下降，导致传统结构外延片无法应用于低电流密度工作需求的产品。

因此，针对手机（或手表、手环）用途的Micro LED芯片，需要开发出峰值光电转换效率在低电流密度区间内、光电转换效率稳定的LED外延片。 专利CN107833953A提出的一种Micro LED多量子阱层的生长方法。MQW结构为阱层（InGaN）/阻挡层（GaN）/势垒层（GaN通H2），通过在势垒层中通入H2、在垒阱层之间插入阻挡层，对于MQW的晶格质量与垒阱应力的改善有限，有必要提出进一步提升微发光二极管低电流特性的技术方案。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种微LED外延结构及其制备方法。

作为本发明的一个方面，本发明提出一种微LED外延结构，所述微LED外延结构至少包括N型层、发光层、P型层，其中发光层包括n个周期的量子阱结构，每一个周期的量子阱结构包括阱层和势垒层，其中n1个周期的量子阱结构定义为第一发光区，n2个周期的量子阱结构定义为第二发光区，n1和n2大于等于1，且n1+n2小于等于n，第一发光区比第二发光区更接近N型层。两组发光区势垒层材料的平均带隙满足以下条件：第一发光区小于第二发光区；两组发光区阱层材料的平均带隙满足以下条件：第一发光区大于等于第二发光区。

优选的，所述第一发光区每一周期的量子阱结构至少包含第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层、阱层，其中第二势垒层位于第一势垒层和第三势垒层之间，在第一发光区内，每一量子阱结构的第二势垒层材料的带隙大于第一势垒层、第三势垒层材料的带隙。

优选的，所述第二发光区每一周期的量子阱结构至少包含第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层、阱层、第四势垒层，其中第二势垒层位于第一势垒层和第三势垒层之间，第四势垒层位于阱层之后，在第二发光区内，每一量子阱结构的第二势垒层材料的带隙大于第一势垒层、第三势垒层材料的带隙，第四势垒层的带隙大于第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层材料的带隙。

优选的，所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层、第四势垒层的厚度范围为10埃~1000埃；所述阱层的厚度范围为1埃~100埃。更优选地，每一周期的量子阱结构中，第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层的总厚度与阱层的厚度比在5：1~20：1之间；第四势垒层厚度与阱层的厚度比在5：1~20：1之间。

优选的，在每一个周期量子阱结构中，第二势垒层的厚度大于第一势垒层、第三势垒层的厚度。

优选的，在所述第二发光区的量子阱结构中，第四势垒层的厚度大于第一势垒层、第三势垒层的厚度。