一种双波段LED外延结构及其制备方法、LED芯片与流程

本发明涉及半导体器件，具体涉及一种双波段led外延结构及其制备方法、led芯片。

背景技术：

1、随着固态照明、微型显示及可见光通信技术的飞速发展，单芯片集成多波段发光功能已成为第三代半导体光电子器件的重要演进方向。特别是蓝绿双波段发光二极管（led），因其在无荧光粉真彩照明、水下通信窗口匹配及植物光合作用光谱定制等领域展现出独特的应用价值，受到了业界的广泛关注。然而，如何在单一芯片内实现高效、稳定的双波段光谱输出，并克服高注入电流下的效率骤降问题，仍是目前亟待攻克的技术难题。

2、目前，现有技术中实现单芯片双波段发光通常采用垂直堆叠的双有源区设计，仅对下层的蓝光有源区进行电注入，利用产生的蓝光光子作为激发源，穿透并被上层的绿光有源区吸收，从而激发产生绿光。虽然该方案实现了单一电流控制双色输出，但本质上属于“光-光转换”过程。这不仅存在显著的斯托克斯能量损耗，导致整体光效受限，而且绿光发射强度完全依赖于蓝光的光子通量密度，极易受电流波动影响，造成光谱比例不稳定。此外，在高电流密度下，蓝光区产生的大量高能俄歇载流子（热载流子）未能得到有效利用，反而通过声子散射转化为热量，加剧了器件的效率滚降。

3、另一种改进方案是引入隧穿结（tunnel junction）的级联结构，旨在通过电学方式连接上下有源区以提升载流子利用率。然而，现有的隧穿结构多用于制作高压led或多结太阳能电池，当其应用于双波段led时，往往侧重于降低串联电阻，而忽略了载流子的能量管理与筛选。此类结构通常设计为双pn结或多pn结架构，需要对上下有源区分别进行电注入控制。这种架构不仅导致驱动电路复杂，且容易造成载流子在两个有源区之间的分布不均和泄漏。更为关键的是，传统的隧穿层无法对载流子能量进行筛选，无法有效捕获并利用蓝光区产生的高能俄歇载流子，导致这部分能量依然被浪费。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双波段led外延结构及其制备方法、led芯片，旨在解决上述背景技术中的至少一个问题。

2、本发明在于提供一种双波段led外延结构，包括衬底，还包括：

3、依次层叠设于所述衬底之上的n型gan层、蓝光多量子阱层、第一p型层、能量接力层、应力释放层、绿光多量子阱层、第二p型层；

4、所述能量接力层包括依次层叠设置的重掺杂p型gan层、隧穿势垒层和重掺杂n型gan层，所述重掺杂p型gan层设于所述第一p型层之上，所述重掺杂n型gan层上设有所述应力释放层；

5、所述重掺杂p型gan层的厚度为10nm-30nm，mg掺杂浓度为1×1020cm-3-5×1020cm-3；

6、所述隧穿势垒层为alaga1-an层，其中，0.15≤a≤0.30，厚度为1nm-5nm；

7、所述重掺杂n型gan层的厚度为10nm-30nm，si掺杂浓度为1×1020cm-3-5×1020cm-3。

8、根据上述技术方案的一方面，所述应力释放层为ingan/gan超晶格结构或组分渐变的ingan层；

9、当所述应力释放层为ingan/gan超晶格结构时，周期数为3-10，其中，ingan层的in组分为0.03-0.10，厚度为2nm-5nm，gan层的厚度为5nm-10nm；

10、当所述应力释放层为组分渐变的ingan层时，ingan层中的in组分由0.02-0.04渐变至0.10-0.20，厚度为30nm-60nm。

11、根据上述技术方案的一方面，所述第一p型层包括依次层叠于所述蓝光多量子阱层之上的algan电子阻挡层和掺杂gan层；

12、所述algan电子阻挡层中al组分为0.15-0.25，其中掺杂mg，掺杂浓度为1×1019cm-3-3×1019cm-3，厚度为20nm-50nm；

13、所述掺杂gan层中掺杂mg，掺杂浓度为5×1018cm-3-1×1019cm-3，厚度为50nm-150nm。

14、根据上述技术方案的一方面，所述第二p型层包括依次层叠于所述绿光多量子阱层之上的电子阻挡层和gan接触层；

15、所述电子阻挡层为掺杂mg的algan电子阻挡层，al组分为0.15-0.25，厚度为20nm-50nm，mg掺杂浓度为1×1019cm-3-3×1019cm-3；

16、所述gan接触层厚度为100nm-200nm，mg掺杂浓度为1×1019cm-3-5×1019cm-3。

17、根据上述技术方案的一方面，所述n型gan层为掺杂si的gan层，厚度为2μm-5μm，si掺杂浓度为1×1018cm-3-5×1018cm-3，所述衬底为图形化蓝宝石衬底、sic衬底或si衬底。

18、根据上述技术方案的一方面，所述蓝光多量子阱层为周期性交替层叠设置的inxga1-xn阱层和gan垒层，其中，0.10≤x≤0.20，周期数为5-10，inxga1-xn阱层的厚度为2.5nm-3.5nm，gan垒层的厚度为8nm-12nm；

19、所述蓝光多量子阱层的发射峰值波长为440nm-480nm。

20、根据上述技术方案的一方面，所述绿光多量子阱层为周期性交替层叠设置的inyga1-yn阱层和gan垒层，其中，0.20≤y≤0.30，周期数为5-10，inyga1-yn阱层的厚度为2.5nm-3.5nm，gan垒层的厚度为8nm-12nm；

21、所述绿光多量子阱层的发射峰值波长为500nm-540nm。

22、本发明的第二方面在于提供一种双波段led外延结构的制备方法，所述制备方法用于制备上述双波段led外延结构，所述制备方法包括：

23、提供一衬底；

24、在所述衬底上依次外延生长n型gan层、蓝光多量子阱层、第一p型层；

25、在所述第一p型层上依次外延生长重掺杂p型gan层、隧穿势垒层和重掺杂n型gan层，形成能量接力层；

26、在所述能量接力层之上依次外延生长应力释放层、绿光多量子阱层、第二p型层。

27、本发明的第三方面在于提供一种led芯片，所述led芯片包括上述双波段led外延结构。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

29、1、传统技术通常将高电流下的俄歇复合视为导致效率骤降的有害因素，其产生的能量最终以热能形式耗散，本发明通过能量接力层，将其转化为有益的激发源，主动捕获蓝光有源区在高电流下产生的俄歇高能载流子，并通过隧穿势垒层的能量筛选作用将载流子定向输运至绿光有源区进行二次发光。这种能量接力机制有效利用了原本被浪费的能量，显著缓解了传统led在大电流下出现的效率骤降问题，实现了整体光效的提升。

30、2、能量接力层中的超薄隧穿势垒层充当了能量筛的角色，仅允许能量高于特定阈值的高能载流子通过并注入绿光区。这种物理机制使得绿光发射强度与蓝光区的俄歇过程自动耦合，无需复杂的反馈电路控制，即可在宽电流范围内实现双波段光谱比例的高度稳定，解决了传统双波段led光谱随驱动电流大幅漂移的难题。

31、3、本发明通过精确控制隧穿势垒层的组分（al组分0.15-0.30）与厚度（1nm-5nm），构建了陡峭的能带结构。这种超薄势垒不仅保障了高能载流子的隧穿概率，更重要的是形成了有效的能量过滤窗口。配合重掺杂形成的强局域电场，使得绿光区的发光响应速度与蓝光区保持同步（延迟<1ns），证实了绿光源于俄歇载流子的电转移机制，而非传统的光吸收-再发射过程，从而在物理层面杜绝了光致发光固有的斯托克斯损耗与效率瓶颈。

32、4、通过引入重掺杂的p++/n++结构，本发明在实现载流子隧穿的同时，有效控制了级联结构的串联电阻，避免了因工作电压过高导致的发热问题。同时，配合应力释放层，缓解了因堆叠高in组分绿光区带来的晶格失配应力，抑制了位错的产生，从而保证了器件在长期工作下的高可靠性和长寿命。

33、5、与采用双pn结串联或光泵浦方案的双波段结构相比，本发明仅包含由n型gan层与第一p型层构成的一个电注入pn结，绿光区完全由俄歇高能载流子经能量接力层选择性隧穿激发，由此在50a/cm²至200a/cm²范围内保持绿/蓝光强比（g/b）变化量不超过±15%，且绿光与蓝光发光延迟小于1ns、200a/cm²下正向工作电压低至3.2v；同时绿光g/b比随温度升高而正相关增大，从机理上证实绿光源于俄歇载流子的电转移而非光激发，从根本上规避了光致发光的斯托克斯损耗与光谱随电流漂移。