CN102185057B

CN102185057B - 一种氮化物led结构及其制备方法

Info

Publication number: CN102185057B
Application number: CN 201110112525
Authority: CN
Inventors: 于洪波; 肖德元; 程蒙召; 张汝京
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2031-05-03
Also published as: CN102185057A

Abstract

本发明公开了一种氮化物LED结构，其在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；由于该超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向势阱中扩散，提高了器件的内量子效率和发光效率；还公开了一种氮化物LED结构的制备方法，通过在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；由于该超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向势阱中扩散，提高了器件的内量子效率和发光效率。

Description

一种氮化物LED结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及LED制备技术领域，尤其涉及一种氮化物LED结构及其制备方法。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光。

随着以氮化物为基础的高亮度LED应用的开发，新一代绿色环保型固体照明光源-氮化物LED已成为人们关注的焦点。以GaN、InGaN和AlGaN合金为主的III族氮化物半导体材料具有宽的直接带隙、强化学键、耐高温、抗腐蚀等优良性能，是制造短波长高亮度发光器件的理想材料。

通常的GaN基LED发光器件采用P-N结结构，并且在P型半导体和N型半导体之间设有多量子阱结构，所述多量子阱结构作为有源区。当器件工作时，电子和空穴分别从有源区两端的N型区和P型区输入，在量子阱有源区内复合发光。其中，材料的电学性质是影响发光器件性能的关键因素。因为氮化物的禁带宽度较宽，所以氮化物P型材料的获得和低的空穴浓度一直是制约氮化物发光器件性能的主要因素。氮化物材料通常采用的P型掺杂杂质为Mg或Zn。

不同于传统的III-V族化合物半导体，纤锌矿结构的III族氮化物半导体具有极强的自发极化和压电极化效应。极化效应在III族氮化物LED的结构设计和制造中起着双面的作用。一方面，极化效应会在量子阱中产生斯塔克效应(Stark Effect)，造成注入阱中的电子和空穴的波函数交叠变小，导致发光器件的内量子效率降低。另一方面，研究表明，利用压电效应的AlGaN/GaN超晶格会大大提高P型氮化物的激活效率，从而显著提高Mg或Zn掺杂产生的空穴密度。这主要是因为压电效应在超晶格中产生很强的内建电场，导致能带弯曲程度急剧增大，有效地减小了Mg的受主激活能，提高了Mg掺杂效率。

为获得P型氮化物材料，提高空穴浓度，目前采取的办法是利用高浓度的Mg或Zn对氮化物进行掺杂，获得重掺杂的P型氮化物材料；采用该方法形成的氮化物LED的能带结构如图1所示，该氮化物LED包括N型电子注入层、P型空穴注入层以及夹在所述N型电子注入层与所述P型空穴注入层之间的多量子阱有源层，并且所述多量子阱有源层与所述P型空穴注入层之间还设置有P型电子阻挡层；为了提高空穴的浓度，提高LED器件的发光效率，所述P型空穴注入层及所述P型电子阻挡层进行了重掺杂(所述掺杂区域通过图中的阴影进行表示)，即利用高浓度的Mg或Zn杂质对所述P型空穴注入层及所述P型电子阻挡层进行了重掺杂。然而，由于Mg或Zn杂质的掺杂浓度要求很高(达到＞10¹⁹cm^-3量级)，这样在发光器件的使用过程中，就会导致一部分Mg杂质通过扩散进入有源区发光层，作为非辐射复合中心，从而降低器件的发光效率；因此，如何有效地获得P型氮化物材料，已成为目前业界亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化物LED结构及其制备方法，以提高氮化物LED的性能。

为解决上述问题，本发明提出一种氮化物LED结构，该氮化物LED结构至少包括N型电子注入层、P型空穴注入层以及夹在所述N型电子注入层与所述P型空穴注入层之间的多量子阱有源层，且所述多量子阱有源层与所述P型空穴注入层之间设置有一电子阻挡层，所述多量子阱有源层与所述电子阻挡层之间还设置有多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构。

可选的，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对InGaN进行P型掺杂。

可选的，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对GaN进行P型掺杂。

可选的，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为对InGaN及GaN均进行P型掺杂。

可选的，所述P型掺杂采用的杂质原子为Mg或Zn。

可选的，所述N型电子注入层、P型空穴注入层、多量子阱有源层及电子阻挡层均由Al_xGa_yIn_1-x-yN组成，其中，0＜x＜1，0＜x+y＜1。

可选的，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构中的InGaN的禁带宽度大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度，使超晶格结构不会吸收量子阱有源层发出的光。

可选的，所述N型电子注入层的禁带宽度、P型空穴注入层的禁带宽度以及多量子阱有源层中的量子阱的势垒的禁带宽度均大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度。

可选的，该氮化物LED结构还包括衬底、在所述衬底上依次生长的低温缓冲层以及不掺杂的氮化物层，所述不掺杂的氮化物层上依次形成有所述N型电子注入层、所述多量子阱有源层、所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构、所述电子阻挡层以及所述P型空穴注入层，所述N型电子注入层与N型电极相连，所述P型空穴注入层上形成有透明电极层，所述透明电极层上制备有P型电极。

同时，为解决上述问题，本发明还提出一种氮化物LED结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成低温缓冲层、不掺杂的氮化物层、N型电子注入层、多量子阱有源层、P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构、电子阻挡层以及P型空穴注入层；

依次刻蚀所述P型空穴注入层、所述电子阻挡层、所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构以及所述多量子阱有源层，形成一台柱面，并露出所述N型电子注入层，在露出的N型电子注入层上制备N型电极；

在刻蚀后的所述P型空穴注入层上制备透明电极层及P型电极。

可选的，其特征在于，所述P型掺杂采用的杂质原子为Mg或Zn。

可选的，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构中的InGaN的禁带宽度大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度。

与现有技术相比，本发明提供的氮化物LED结构，通过在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率。

与现有技术相比，本发明提供的氮化物LED结构的制备方法，通过在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率。

附图说明

图1为现有的LED结构的能带示意图；

图2为本发明实施例提供的氮化物LED结构的剖面图；

图3为本发明实施例提供的氮化物LED结构的第一种能带示意图；

图4为本发明实施例提供的氮化物LED结构的第二种能带示意图；

图5为本发明实施例提供的氮化物LED结构的第三种能带示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的氮化物LED结构及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供一种氮化物LED结构，其在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率；同时，还提供一种氮化物LED结构的制备方法，通过在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的氮化物LED结构的剖面图，如图2所示，本发明实施例提供的氮化物LED结构包括衬底101、在所述衬底101上依次形成的低温缓冲层102、不掺杂的氮化物层103、N型电子注入层104、多量子阱有源层105、InGaN/GaN超晶格结构106、电子阻挡层107以及P型空穴注入层108，其中，所述N型电子注入层104与N型电极109相连，所述P型空穴注入层108上形成有透明电极层110，所述透明电极层110上制备有P型电极111；所述InGaN/GaN超晶格结构106包括多个周期的InGaN/GaN超晶格，且所述InGaN/GaN超晶格结构106进行了P型掺杂。

本发明实施例提供的氮化物LED结构，通过在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率。

关于本发明实施例提供的氮化物LED结构的能带结构，请参考图3至图5，其中，图3为本发明实施例提供的LED结构的第一种能带示意图，图4为本发明实施例提供的LED结构的第二种能带示意图，图5为本发明实施例提供的LED结构的第三种能带示意图。

如图3至图5所示，本发明实施例提供的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式可在以下几种中进行选择，其中，所述掺杂区域通过图中的阴影进行表示：

(1)所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对InGaN进行P型掺杂，如图3所示；

(2)所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对GaN进行P型掺杂，如图4所示；

(3)所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为对InGaN及GaN均进行P型掺杂，如图5所示。

由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，因而可提高杂质原子的掺杂效率，使用较低浓度的杂质即可获得较高的空穴浓度，从而对所述InGaN/GaN超晶格结构进行P型掺杂的杂质原子的浓度进一步低于对所述P型空穴注入层进行P型掺杂的杂质原子的浓度。

进一步地，所述P型掺杂采用的杂质原子为Mg或Zn。

进一步地，所述N型电子注入层104、P型空穴注入层108、多量子阱有源层105及电子阻挡层107均由Al_xGa_yIn_1-x-yN组成，其中，0＜x＜1，0＜x+y＜1。

进一步地，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构106中的InGaN的禁带宽度大于所述多量子阱有源层105中的量子阱的势阱的禁带宽度，从而可保证在量子阱中发出的光不会被所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构106吸收。

进一步地，所述N型电子注入层104的禁带宽度、P型空穴注入层108的禁带宽度以及多量子阱有源层105中的量子阱的势垒的禁带宽度均大于所述多量子阱有源层105中的量子阱的势阱的禁带宽度。

结合图2，本发明实施例提供的氮化物LED结构的制备方法包括如下步骤：

提供衬底101；

在所述衬底101上依次形成低温缓冲层102、不掺杂的氮化物层103、N型电子注入层104、多量子阱有源层105、P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构106、电子阻挡层107以及P型空穴注入层108；

依次刻蚀所述P型空穴注入层108、所述电子阻挡层107、所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构106以及所述多量子阱有源层105，形成一台柱面，并露出所述N型电子注入层104，在露出的N型电子注入层104上制备N型电极109；

在刻蚀后的所述P型空穴注入层108上制备透明电极层110及P型电极111。

其中，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构106的掺杂方式可在以下几种中进行选择，所述掺杂区域通过图中的阴影进行表示：

进一步地，所述P型掺杂采用的杂质原子为Mg或Zn。

综上所述，本发明提供了一种氮化物LED结构，其在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率；同时，还提供了一种氮化物LED结构的制备方法，通过在多量子阱有源层与电子阻挡层之间插入多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，从而可提高LED器件的空穴浓度，降低P型空穴注入层的掺杂浓度；并且由于InGaN/GaN超晶格结构具有极化效应，从而可提高其掺杂效率，降低P型杂质的浓度；减少了杂质原子向所述势阱中扩散，提高了发光器件的内量子效率和发光效率。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种氮化物LED结构，至少包括N型电子注入层、P型空穴注入层以及夹在所述N型电子注入层与所述P型空穴注入层之间的多量子阱有源层，且所述多量子阱有源层与所述P型空穴注入层之间设置有一电子阻挡层，其特征在于，所述多量子阱有源层与所述电子阻挡层之间还设置有多个周期的P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构中的InGaN的禁带宽度大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度。

2.如权利要求1所述的氮化物LED结构，其特征在于，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对InGaN进行P型掺杂。

3.如权利要求1所述的氮化物LED结构，其特征在于，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对GaN进行P型掺杂。

4.如权利要求1所述的氮化物LED结构，其特征在于，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为对InGaN及GaN均进行P型掺杂。

5.如权利要求1至4任一项所述的氮化物LED结构，其特征在于，所述P型掺杂采用的杂质原子为Mg或Zn。

6.如权利要求5所述的氮化物LED结构，其特征在于，所述N型电子注入层、P型空穴注入层、多量子阱有源层及电子阻挡层均由Al_xGa_yIn_1-x-yN组成，其中，0<x<1，0<x+y<1。

7.如权利要求6所述的氮化物LED结构，其特征在于，所述N型电子注入层的禁带宽度、P型空穴注入层的禁带宽度以及多量子阱有源层中的量子阱的势垒的禁带宽度均大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度。

8.如权利要求1所述的氮化物LED结构，其特征在于，该氮化物LED结构还包括衬底、在所述衬底上依次生长的低温缓冲层以及不掺杂的氮化物层，所述不掺杂的氮化物层上依次形成有所述N型电子注入层、所述多量子阱有源层、所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构、所述电子阻挡层以及所述P型空穴注入层，所述N型电子注入层与N型电极相连，所述P型空穴注入层上形成有透明电极层，所述透明电极层上制备有P型电极。

9.一种氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供衬底；

在所述衬底上依次形成低温缓冲层、不掺杂的氮化物层、N型电子注入层、多量子阱有源层、P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构、电子阻挡层以及P型空穴注入层，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构中的InGaN的禁带宽度大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度；

10.如权利要求9所述的氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对InGaN进行P型掺杂。

11.如权利要求9所述的氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为只对GaN进行P型掺杂。

12.如权利要求9所述的氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，所述P型掺杂的InGaN/GaN超晶格结构的掺杂方式为对InGaN及GaN均进行P型掺杂。

13.如权利要求9至12任一项所述的氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，所述P型掺杂采用的杂质原子为Mg或Zn。

14.如权利要求13所述的氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，所述N型电子注入层、P型空穴注入层、多量子阱有源层及电子阻挡层均由Al_xGa_yIn_1-x-yN组成，其中，0<x<1，0<x+y<1。

15.如权利要求14所述的氮化物LED结构的制备方法，其特征在于，所述N型电子注入层的禁带宽度、P型空穴注入层的禁带宽度以及多量子阱有源层中的量子阱的势垒的禁带宽度均大于所述多量子阱有源层中的量子阱的势阱的禁带宽度。