CN102637793B - 三族氮化合物半导体紫外光发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包括蓝宝石衬底、依次成长在该蓝宝石衬底上的n型半导体层、有源层以及p型半导体层。所述n型半导体层与有源层之间还成长有一n型应变层晶格结构。所述n型应变层晶格结构的晶格常数大于等于所述有源层的晶格常数，小于等于所述n型半导体层的晶格常数。所述n型应变层晶格结构使所述n型半导体层与所述有源层之间达成渐变晶格匹配，可以消除n型半导体层从下面传递来的缺陷，及减缓晶格部匹配造成的能带倾斜，以提升量子阱发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种三族氮化合物半导体紫外光发光二极管。
背景技术
对于发光二极管这类光电子器件，要求对注入的电子(n型载流子)和空穴(p型载流子)都能够限制在有源区，并在有源区内复合发光。人们在有源区的两侧用禁带宽度比有源层的更大的半导体材料形成势垒层，并根据掺杂的不同，可分别实现对电子和空穴的约束。对于包层的材料，不仅要考虑能否形成适当的势垒高度，还要考虑考虑到它两边的半导体层和量子阱层能否晶格匹配，否则将破坏器件结构和性能。另外还要考虑是否能有低的电阻率和高的迁移率，以满足器件电学上的要求。对于三族氮化合物半导体紫外光发光二极管，通常在双异质结或单、多量子阱层的两侧，分别生长一层n型或p型的AlGaN层与n型或P型的GaN势垒层，所述n型或p型的GaN势垒层形成对电子和空穴的势垒而约束载流子。AlGaN和GaN之间的晶格失配比较小，但是，由于蓝宝石(a＝4.758)基板和GaN(a＝3.189)的晶格失配非常大，外延层缺陷密度大，迁移率低，尽管生长了过渡层，界面上的缺陷仍然向上传递延伸，从而会造成有源层与GaN层之间存在较大的晶格失配，引起显著的量子限制斯塔克效应(QCSE)，导致能带倾斜。随着注入电流的增加，阱内电子空穴波函数空间分裂严重，波函数重叠积分大大减小，电子空穴对的复合辐射几率降低，限制了器件内量子效率的提高，发光效率严重下降。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可维持晶格品质，提升量子阱发光强度的三族氮化合物半导体发光二极管。
一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包括蓝宝石衬底、依次成长在该蓝宝石衬底上的n型半导体层、有源层以及p型半导体层。所述n型半导体层与有源层之间还成长有一n型应变层晶格结构。所述n型应变层晶格结构的晶格常数大于所述有源层的晶格常数，小于所述n型半导体层的晶格常数，使所述n型半导体层与所述有源层之间达成渐变晶格匹配,所述n型应变层晶格结构的具体结构为(AlxGa1-xN-GaN)m，其由AlxGa1-xN层和GaN层交替分布，其中0≦x≦1，m代表层数,所述n型应变层晶格结构中掺杂n型杂质，其浓度为1017EA/cm3-1018EA/cm3，所述n型应变层晶格结构的厚度为2～2.5μm。
上述三族氮化合物半导体发光二极管在有源层与n型半导体层之间插入一n型应变层晶格结构，使所述n型半导体层与所述有源层之间达成渐变晶格匹配，可以消除n型半导体层从下面传递来的缺陷，及减缓晶格部匹配造成的能带倾斜，以提升量子阱发光强度。
附图说明
图1为本发明实施方式中的三族氮化合物半导体发光二极管的结构示意图。
图2为n型半导体层、n型应变层晶格结构以及有源层的晶格关系示意图。
图3为现有技术三族氮化合物半导体发光二极管以及本发明的三族氮化合物半导体发光二极管的电流与发光强度曲线图。
图4为现有技术三族氮化合物半导体发光二极管以及本发明的三族氮化合物半导体发光二极管的电流与功率曲线图。
主要元件符号说明
| 三族氮化合物半导体发光二极管 | 10 |
| 蓝宝石衬底 | 11 |
| GaN生长层 | 12 |
| GaN过渡层 | 13 |
| n型GaN层 | 14 |
| n型应变层晶格结构 | 15 |
| InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层 | 16 |
| p型AlGaN层 | 17 |
| p型GaN层 | 18 |
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
实施方式一
请参阅图1，本发明实施方式提供的三族氮化合物半导体发光二极管10包括一蓝宝石衬底11、顺序生长在所述蓝宝石衬底11上的一未掺杂的GaN生长层12、一未掺杂的GaN过渡层13、一n型GaN层14、一n型应变层晶格结构15、一InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层16、一p型AlGaN层17以及一p型GaN层18。该p型AlGaN层17用作电子阻挡层。
在InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层16包括阱层InyGa1-yN和阱层InyGa1-yN两侧的势垒层AlzGa1-zN，其中0≦y≦1；0≦z≦1。
所述n型应变层晶格结构15的具体结构为(AlxGa1-xN-GaN)m，其由AlxGa1-xN层和GaN层交替分布。其中0≦x≦1，m代表层数。所述n型应变层晶格结构15的厚度大于1μm，优选地，所述n型应变层晶格结构15的厚度为2～2.5μm。所述x以及m根据所述InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层16所设定的出光波长而可以进行调整。
请参阅图2，由于InN的晶格常数大于GaN，而带隙小于GaN；而AlN的晶格常数小于并接近GaN，而带隙远大于GaN。因此，可以选择所述结构(AlxGa1-xN-GaN)m，通过调整x以及m的值，使所述n型GaN层14、n型应变层晶格结构15以及InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层16的晶格常数满足下式：
n型GaN层14≧n型应变层晶格结构15≧InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层16
从而使所述n型GaN层14与所述InyGa1-yN/AlzGa1-zN有源层16之间达成渐变的晶格匹配。
在本实施方式中，所述结构(AlxGa1-xN-GaN)m是采用金属化学气相淀积(MOCVD)法在制备LED器件的过程中一次性生长出来。
本发明还可以在n型应变层晶格结构15中掺Si(硅)等n型杂质，其浓度为1017EA/cm3-1018EA/cm3；在p型AlGaN层17与p型GaN层18中掺Mg(镁)等p型杂质，其浓度为1016EA/cm3-1017EA/cm3，该杂质能够为复合发光提供载流子。
所述结构(AlxGa1-xN-GaN)m能够将GaN层从下面传递来的缺陷“掩盖”或者“抚平”。在其上面再生长高完整性的有源层，可以使有源层与GaN层的晶格达成渐变匹配，以减少载流子的缺陷散射、非辐射跃迁中心和光的吸收与散射，从而提高复合发光效率。
请参阅图3，其为现有技术三族氮化合物半导体发光二极管以及本发明的三族氮化合物半导体发光二极管10的电流与发光强度曲线图，其中虚线代表现有技术三族氮化合物半导体发光二极管，实线代表本发明的三族氮化合物半导体发光二极管10。从图中可以看出，随着电流注入的增大，本发明的三族氮化合物半导体发光二极管10相对于现有技术发光二极管的发光强度明显提高。对于大功率的紫外光发光二极管来说，一般使用350mA的操作电流，从图3中可以看出，当通入350mA的操作电流时，发光强度相对于现有技术有明显提高。
请参阅图4，其为现有技术三族氮化合物半导体发光二极管以及本发明的三族氮化合物半导体发光二极管10的电流与功率曲线图，其中虚线代表现有技术三族氮化合物半导体发光二极管，实线代表本发明的三族氮化合物半导体发光二极管10，从图中可以看出，对于大功率的紫外光发光二极管来说，当通过350mA的操作电流时，本发明的三族氮化合物半导体发光二极管10的发光效率相对于现有技术有明显提高。
实施方式二
本发明第二实施方式的三族氮化合物半导体发光二极管10相对于所述第一实施方式的三族氮化合物半导体发光二极管10的区别在于：所述n型应变层晶格结构15的结构具体为(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m，其由AlxGa1-xN层和AlkGa1-kN层交替分布。其中0≦x≦1，0≦k≦1。所述(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m的厚度大于1μm，优选地，所述(AlxGa1-xN-AlkGa1-kN)m的厚度为2～2.5μm。
相较于现有技术，本发明的三族氮化合物半导体发光二极管在有源层与n型半导体层之间插入一n型应变层晶格结构，使所述n型半导体层与所述有源层之间达成渐变晶格匹配，可以消除n型半导体层从下面传递来的缺陷，提升量子阱发光强度。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种像应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种三族氮化合物半导体发光二极管，其包括蓝宝石衬底、依次成长在该蓝宝石衬底上的n型半导体层、有源层以及p型半导体层，其特征在于，所述n型半导体层与有源层之间还成长有一n型应变层晶格结构，所述n型应变层晶格结构的晶格常数大于所述有源层的晶格常数，小于所述n型半导体层的晶格常数，使所述n型半导体层与所述有源层之间达成渐变晶格匹配,所述n型应变层晶格结构的具体结构为(AlxGa1-xN-GaN)m，其由AlxGa1-xN层和GaN层交替分布，其中0≦x≦1，m代表层数,所述n型应变层晶格结构中掺杂n型杂质，其浓度为1017EA/cm3-1018EA/cm3，所述n型应变层晶格结构的厚度为2～2.5μm。
2.如权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管，其特征在于：所述n型半导体层为n型GaN层，所述有源层为InyGa1-yN/AlzGa1-zN，所述p型半导体层为p型AlGaN层及p型GaN层，式中0≦y≦1；0≦z≦1。
3.如权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管，其特征在于：所述蓝宝石衬底上还依次生长有一未掺杂的GaN生长层、一未掺杂的GaN过渡层，所述n型半导体层生长在该未掺杂的GaN过渡层上。
4.如权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管，其特征在于：所述p型半导体层上还生长有一p型GaN层。
5.如权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管，其特征在于：所述n型应变层晶格结构采用金属化学气相淀积法在制备发光二极管器件的过程中一次性生长出来。
6.如权利要求1所述的三族氮化合物半导体发光二极管，其特征在于：所述n型应变层晶格结构中掺硅n型杂质；所述p型半导体层中掺镁p型杂质。
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