CN103022296B - 一种半导体外延结构及其发光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体发光器件的外延结构，包括电子注入区、空穴注入区、多量子阱有源区、阻挡载流子的势垒层以及一个或多个带边整形层。该带边整形层的掺杂类型和/或掺杂浓度与其相邻层有差异，可通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场修整半导体能带的带边形状，使多量子阱有源区中的载流子分布均匀，总体俄歇复合降低，以及提升阻挡载流子的势垒层的有效势垒高度，减小载流子溢出多量子阱有源区形成的漏电流，从而提高内量子效率。本发明还公开了应用该外延结构的半导体发光器件，同样利用局域内建电场对能带结构带边形状的修整，产生俄歇复合降低和/或漏电流减小的效果，从而提高器件的内量子效率。

Description

一种半导体外延结构及其发光器件
技术领域
本发明涉及半导体发光器件的技术领域，特别涉及一种利用局域内建电场修整能带结构以提高内量子效率的外延结构，本发明还涉及应用该外延结构的半导体发光器件。
背景技术
通常，半导体发光器件（semiconductor light emitting device）,包括半导体激光器（semiconductor laser diode，其缩写为LD）以及半导体发光二极管（semiconductor lightemitting diode，其缩写为LED）。所述载流子注入区(carrier injection region)，包括电子注入区(electron injection region）和空穴注入区（hole injection region）。多量子阱有源区（multi-quantum well active region）是由量子阱层（quantum well）和垒层（barrier）交替叠成的周期性结构，在量子阱层中电子空穴复合产生光子。阻挡载流子的势垒层位于多量子阱有源区和载流子注入区之间，使得该位置处的导带或价带具有较高势能。
研究表明，半导体发光器件的内量子效率与如下所述几种机理有密切的关系：俄歇复合（Auger recombination）、载流子泄漏（carriers leakage）、多量子阱有源区中载流子分布不均匀（nonuniform distribution of carriers）、极化效应（effect of the polarization field）、结热（junction heating）、空穴传输受限（limited hole transport）等。但是，具体是哪种影响占优势没有定论。
根据以上机理，提高半导体发光器件的内量子效率的方法主要有减小载流子的泄漏，提高多量子阱有源区中载流子分布的均匀性，降低俄歇复合等。研究人员也提出了很多的改善办法，例如：使用与氮化镓（GaN）晶格匹配的宽带隙材料AlInN薄层做垒层；在多量子阱有源区与电子阻挡层（electron blocking layer，EBL）之间插入一层p-InGaN做空穴存储层，提高空穴的注入效率；使用宽带隙材料AlInN代替AlGaN作电子阻挡层；使用InGaN或者GaN-InGaN-GaN或者InGaN-AlGaN-InGaN材料代替GaN材料做垒层，等等。
以上改善半导体发光器件内量子效率的方法，通常是就特定器件或者结构而言，应用具有很大的局限性；且一些方法还存在很多的问题亟待解决，例如利用宽带隙材料AlInN薄层做多量子阱有源区的垒层，受当前外延生长水平的影响晶体质量不高，限制了器件光电性能的改善。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种提高半导体发光器件内量子效率的外延结构，通过在外延结构的特定位置引入带边整形层，利用其产生的局域内建电场，修整外延结构的半导体能带的带边形状，提高器件的内量子效率。
本发明的目的之二在于提供一种内量子效率提高了的半导体发光器件，通过在半导体发光器件外延结构的特定位置引入带边整形层，利用其产生的局域内建电场，修整能带结构的带边形状，提高器件的内量子效率。
为实现本发明的目的之一所采用的技术方案：
一种半导体发光器件的外延结构，包括电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区，还包括一个或多个带边整形层；该带边整形层的掺杂类型和/或掺杂浓度与其相邻层有差异，所述掺杂类型为非掺杂、P型掺杂或N型掺杂；所述带边整形层通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场修整外延结构的半导体能带的带边形状；所述带边整形层位于电子注入区和多量子阱有源区之间，以调节多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级的位置，使多量子阱有源区内的量子阱层中的载流子浓度分布变得均匀，总体俄歇复合降低；或，还包括阻挡载流子的势垒层，该势垒层与所述带边整形层共同位于空穴注入区和多量子阱有源区之间；该势垒层的一侧或两侧设有带边整形层时，该带边整形层使该势垒层的有效势垒高度升高，载流子泄漏减小；或，所述带边整形层位于多量子阱有源区内的垒层中；或，所述带边整形层位于电子注入区内或空穴注入区内。
本发明的有益效果在于：在半导体发光器件外延结构的特定位置引入带边整形层，利用带边整形层的掺杂类型和/或掺杂浓度与其相邻层有差异，而形成的局域内建电场修整邻近能带结构的带边形状，使能带结构发生弯曲，降低靠近电子注入区一侧多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级的位置，改善载流子的注入，使得多量子阱有源区内的量子阱层中的载流子分布均匀，总体俄歇复合降低；也可以提升阻挡载流子的势垒层的有效势垒高度，减小载流子的泄漏。根据研究表明，在不同位置引入带边整形层有不同的作用机理，但都是基于利用局域内建电场修整外延结构半导体能带的带边形状的原理，提高器件的内量子效率。
带边整形层的掺杂类型和/或掺杂浓度与其相邻层有差异，可为非掺杂、P型掺杂或N型掺杂，通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场修整半导体能带的带边形状。
优选的，所述带边整形层通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场修整外延结构的半导体能带的带边形状。
该带边整形层调节多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级的位置，使多量子阱有源区内的量子阱层中的载流子浓度分布变得均匀，总体俄歇复合降低。
当带边整形层位于电子注入区和多量子阱有源区之间时，通过调整该带边整形层的掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场，修整邻近能带结构的带边形状发生弯曲，降低靠近电子注入区一侧多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级的位置，改善载流子的注入，使得载流子在多量子阱有源区的量子阱中的分布更均匀，从而降低总体俄歇复合。
优选的，当该带边整形层位于电子注入区和多量子阱有源区之间时，该带边整形层使多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级降低；距离带边整形层越远的量子阱，其电子基态能级相对准费米能级降低的程度越小。
优选的，所述带边整形层为多个时，同时位于多量子阱有源区的两侧，具体为：位于电子注入区和多量子阱有源区之间，以及与阻挡载流子的势垒层共同位于多量子阱有源区和空穴注入区之间。
优选的，所述带边整形层为多个时，共同位于多量子阱有源区的同一侧，具体为：位于多量子阱有源区和空穴注入区之间，各带边整形层的掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度不同。
优选的，所述带边整形层为多个时，共同位于多量子阱有源区的同一侧，具体为：位于多量子阱有源区和空穴注入区之间，各带边整形层的掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度不同；还包括阻挡载流子的势垒层，位于载流子注入区和多量子阱有源区之间。
在上述优选方案中，当多量子阱有源区和空穴注入区之间具有带边整形层时，同时存在阻挡载流子的势垒层，该势垒层也位于多量子阱有源区和空穴注入区之间。
优选的，当该带边整形层与阻挡载流子的势垒层共同位于多量子阱有源区和空穴注入区之间时，通过调整该带边整形层的掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场，修整阻挡载流子的势垒层处能带结构的带边形状，改变局部导带相对准费米能级的位置，提升阻挡载流子的势垒层的有效势垒高度，减少电子泄漏。
优选的，当采用P型掺杂时，掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1018cm-3；带边整形层的厚度为1nm～300nm；当采用N型掺杂时，掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1019cm-3；带边整形层的厚度为1nm～100nm。
优选的，当带边整形层与阻挡载流子的势垒层共同位于多量子阱有源区和空穴注入区之间时，所述阻挡载流子的势垒层位于带边整形层和多量子阱有源区之间，或位于带边整形层和空穴注入区之间；带边整形层的优选厚度为1nm～300nm。
当带边整形层具有多层且同时具有两种作用机理时，可同时起到降低总体俄歇复合和减小载流子泄漏这两种效果。
为实现本发明的目的之二所采用的以下七种技术方案，以下方案都是在应用上述外延结构的基础上制成的半导体发光器件：
方案一：至少包括依次排列的电子注入区、带边整形层、多量子阱有源区和空穴注入区。
方案二：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区、带边整形层、阻挡载流子的势垒层和空穴注入区。
方案三：具有两个带边整形层，分别为第一带边整形层和第二带边整形层；半导体发光器件外延结构至少包括依次排列的电子注入区、第二带边整形层、多量子阱有源区、第一带边整形层、阻挡载流子的势垒层和空穴注入区。
方案四：具有两个带边整形层，分别为第一带边整形层和第二带边整形层；第一带边整形层为N型掺杂，第二带边整形层为P型掺杂；半导体发光器件外延结构至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区、阻挡载流子的势垒层、第二带边整形层、第一带边整形层和空穴注入区。
方案五：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；还包括带边整形层，设于多量子阱有源区内的垒层中。
方案六：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；还包括带边整形层，设于电子注入区内。
方案七：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；还包括带边整形层，设于空穴注入区内。
本发明在半导体发光器件外延结构的特定位置引入带边整形层，该带边整形层通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场修整外延结构的半导体能带的带边形状；该局域内建电场作用于邻近的能带结构，使能带结构发生弯曲，可以降低靠近电子注入区一侧多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级的位置，改善载流子的注入，平衡多量子阱有源区的量子阱中载流子的分布，降低总体俄歇复合；也可以提升阻挡载流子的势垒层的有效势垒高度，减少载流子的泄漏，最终提高器件的内量子效率。
相对于现有技术中的不足，本发明提供了一个新的解决问题的思路，利用局域内建电场修整半导体外延结构的能带的带边形状来实现提高器件内量子效率的目的，所公开的外延结构可广泛应用于半导体发光器件领域，包括LED领域及半导体激光器领域；并且利用该外延结构制成的半导体发光器件，影响了俄歇复合、载流子泄漏等多个方面，使得器件内量子效率明显改善。
现有技术中制造本发明中所述外延结构及半导体发光器件的工艺较为成熟，在外延生长时，利用金属有机化合物化学气相沉积技术生长带边整形层，之后再制作成半导体发光器件。
附图说明
图1是现有技术中发光二极管的外延结构示意图
图2是本发明实施例一的发光二极管的外延结构示意图
图3是图1所示现有技术中发光二极管能带结构示意图
图4是图2所示实施例的能带结构示意图
图5是图3和图4中所述量子阱Q的放大对比图
图6（a）是图2所示实施例的多量子阱有源区的电子浓度分布示意图
图6（b）是图2所示实施例的多量子阱有源区的空穴浓度分布示意图
图7是图2所示实施例的内量子效率的变化趋势图
图8是本发明实施例二的发光二极管的结构示意图
图9是图8所示实施例的能带结构示意图
图10是图8所示实施例的电子电流分布示意图
图11是图8所示实施例的内量子效率的变化趋势图
图12是本发明实施例三的发光二极管的结构示意图
图13是图12所示实施例的能带结构示意图
图14是图12所示实施例的内量子效率的变化趋势图
图15是本发明实施例四的发光二极管的结构示意图
图16是图15所示实施例的能带结构示意图
图17是图15所示实施例的电子电流分布示意图
图18是图15所示实施例的内量子效率的变化趋势图
具体实施方式
以下根据附图对本发明的具体实施例作进一步说明：
如图1所示，为现有技术中一种发光二极管的外延结构示意图。
在发光二极管（LED）的外延结构中，所述N型电子注入层即电子注入区，P型空穴注入层即空穴注入区，电子阻挡层即阻挡载流子的势垒层。
所述图1的发光二极管外延结构从下至上依次包括：衬底层11、成核层12（nucleationlayer）、N型电子注入层13、多量子阱有源区14、电子阻挡层15（EBL）和P型空穴注入层16。其中，
N型电子注入层13的结构：厚度3μm，材料为n-GaN，掺杂浓度为5×1018cm-3；
多量子阱有源区14的结构：包括若干个量子阱层及其相应的量子阱垒层，本实施例包括6个量子阱垒层和5个量子阱层；其中量子阱垒层的厚度为15nm，材料为GaN；量子阱层的厚度为3nm，材料为In0.11Ga0.89N；
P型空穴注入层16的结构：厚度0.2μm，材料p-GaN，掺杂浓度为7×1017cm-3。
上述现有技术中发光二极管的外延材料主要为GaN基的材料，此外现有技术中常见的半导体发光器件（包括LED和LD）的外延材料还有：InN、AlN、InGaN、AlGaN、AlInN、AlInGaN、GaP、GaAsP、GaAs、AlAs、AlGaAs、InP、AlP、AlInP、GaInP、AlGaP、AlGaInP、AlSb、InGaAs、InAs、InSb、GaSb、AlAsSb、AlInAs、InAsP、InGaAsP、AlGaSb、AlInSb、InGaSb、GaAsSb、CdS、ZnSe、ZnCdSe、ZnMgSeS、AlGaAsSb、InGaAsSb和InGaNAs等。
当前，激光器包括固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器及自由电子激光器，对于半导体激光器，其常见的外延结构中部分与发光二极管的外延结构相比具有一定的相似性，具有基本一致的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；均可以通过在外延结构的特定位置引入带边整形层，利用其形成的局域内建电场修整半导体能带的带边形状，实现器件内量子效率的提高。
图1所示的发光二极管还包括正负电极。
图3是图1所示发光二极管的能带结构示意图。
上述现有技术中发光二极管芯片的各层结构，同样适用于本发明所述的外延层结构，因为，该外延结构是发光二极管芯片的制作基础，其各层的结构在形成外延结构时已经得到确定。
因而，下述各发光二极管芯片结构的实施例，其实质上也是本发明涉及发光二极管和半导体激光器的外延结构的实施例。
实施例一
如图2所示发光二极管外延结构从下至上依次包括：衬底层21、成核层22、N型电子注入层23、带边整形层20、多量子阱有源区24、电子阻挡层25和P型空穴注入层26。相对于现有技术，在N型电子注入层23和多量子阱有源区24之间引入了带边整形层20。
带边整形层20的厚度为1nm～100nm，材料为P型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～5×1018cm-3，掺杂剂选用二茂镁（Cp2Mg）。
本实施例中，一种最优的选择是，带边整形层20的厚度为20nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。发明人经过实际验证，当掺杂为n型或者不掺杂（un-doping），以及厚度不为20nm时，相比于不插入该层来说也有优化效果，但其效果不如上述最优选择。
图4为本实施例选择最优方案（带边整形层的厚度为20nm，掺杂浓度为5×1017cm-3）时，能带结构变化示意图，图3和图4中，E1表示多量子阱有源区中与带边整形层相邻的量子阱垒层的能带结构，图4中的E0表示带边整形层的能带结构，对比图3和图4的E1能带区，可看出：
引入带边整形层后，利用其形成的局域内建电场，修整多量子阱有源区中与带边整形层相邻的量子阱垒层的能带的带边形状，使其弯曲；从整体上来看，带边整形层与相邻量子阱垒层的导带坡度变缓且有效势垒高度降低，更利于载流子的注入；此外，在局域内建电场的作用下，靠近带边整形层一侧的量子阱中的电子基态能级与准费米能级的相对位置也受到影响，观察第一个量子阱Q，如图5所示，其左侧为图3的量子阱示意图，其右侧为图4的量子阱示意图，相比于左侧，右侧量子阱内的电子基态能级位置相对准费米能级更低，表明有更多的电子被该量子阱捕获，提高了该量子阱中载流子的浓度。距离带边整形层越远的量子阱，受局域内建电场的影响越弱，量子阱内的电子基态能级相对准费米能级降低程度越小，这表明相对于优化前的结构，本实施例所述发光二极管中多量子阱有源区的量子阱中的载流子分布更均匀。
图6（a）和图6（b）所示为本实施例最优方案下多量子阱有源区中电子、空穴浓度分布示意图，从图中可看出，对比引入带边整形层前后多量子阱有源区的量子阱中载流子分布，引入带边整形层后载流子分布更均匀，总体俄歇复合会降低，因而提高了器件的内量子效率。
图7是本实施例最优方案下内量子效率随电流密度的变化趋势图，对比引入带边整形层前后内量子效率的变化，可见引入带边整形层后，内量子效率得到了提高，且随电流增大内量子效率提高的幅度没有减小。
实施例二
如图8所示发光二极管外延结构从下至上依次包括：衬底层31、成核层32、N型电子注入层33、多量子阱有源区34、带边整形层30、电子阻挡层35和P型空穴注入层36。相对于现有技术，在电子阻挡层35和多量子阱有源区34之间引入了带边整形层30。
带边整形层30的厚度为1nm～300nm，材料为P型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～5×1018cm-3，掺杂剂选用二茂镁（Cp2Mg）。
本实施例中，一种最优的选择是，带边整形层30的厚度为50nm，掺杂浓度为3×1017cm-3。发明人经过实际验证，当掺杂为n型或者不掺杂，以及厚度不为50nm时，相比于不插入该层来说也有优化效果，但其效果不如上述最优选择。
图9为本实施例选择最优方案时，能带结构变化示意图，图9中的E0表示带边整形层的能带结构，E2表示电子阻挡层的能带结构，对比图3和图9的E0及E2能带区，可看出：
引入带边整形层后，利用其形成的局域内建电场，修整带边整形层及电子阻挡层处能带的带边形状，使该区域导带弯曲上翘，一方面电子阻挡层的导带相对于准费米能级升高，提升了其有效势垒高度，减少了载流子泄漏；另一方面该局部区域能带的弯曲上翘也使得带边整形层与电子阻挡层界面处的导带相对准费米能级抬高，减少了电子在该部位的聚集。
图10所示为最优方案下，引入带边整形层前后电子电流随距离变化的趋势图，图中可看出，引入带边整形层后，漏电流（此时为电子泄露）减小。
图11所示为本实施例最优方案下内量子效率随电流密度的变化趋势图，对比引入带边整形层前后内量子效率的变化，可见引入带边整形层后，器件的内量子效率得到提高，且随电流增大内量子效率提高的幅度没有减小。
实施例三
如图12所示发光二极管外延结构从下至上依次包括：衬底层41、成核层42、N型电子注入层43、第二带边整形层40b、多量子阱有源区44、第一带边整形层40a、电子阻挡层45和P型空穴注入层46。相对于现有技术，在N型电子注入层43和多量子阱有源区44之间引入了第二带边整形层40b；在电子阻挡层45和多量子阱有源区44之间引入了第一带边整形层40a。
第一带边整形层40a的厚度为1nm～300nm，材料为P型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～5×1018cm-3，掺杂剂选用二茂镁（Cp2Mg）。本实施例中，一种较优的选择是，第一带边整形层40a的厚度为50nm，掺杂浓度为3×1017cm-3。
第二带边整形层40b的厚度为1nm～100nm，材料为N型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～1×1019cm-3，掺杂剂选用硅烷（SiH4）；或者，材料为P型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～5×1018cm-3，掺杂剂选用二茂镁（Cp2Mg）。本实施例中，一种较优的选择是，第二带边整形层40b的厚度为20nm，掺杂浓度为8×1017cm-3，掺杂剂选用硅烷（SiH4）。
发明人经过实际验证，当掺杂类型不同、掺杂浓度不同或者不掺杂（un-doping），以及层厚度变化时，相比于不插入该层来说也有优化效果，但其效果不如上述优选方案。
图13为本实施例选择较优方案时，能带结构变化示意图，图3和图13中，E1表示多量子阱有源区中与第二带边整形层相邻的量子阱垒层的能带结构，E2表示电子阻挡层的能带结构。图13中的Ea表示第二带边整形层40b的能带结构，Eb表示第一带边整形层40a的能带结构，对比图3和图13的E1及E2能带区，可看出：
第二带边整形层40b引入后，利用其形成的局域内建电场，修整E1能带区的带边形状，使得多量子阱有源区中与带边整形层相邻的量子阱垒层的能带形状改变；从整体上来看，带边整形层与相邻量子阱垒层的导带坡度变缓，有效势垒高度降低，更利于载流子的注入；此外，在局域内建电场的作用下，靠近该带边整形层一侧量子阱中电子基态能级与准费米能级的相对位置也受到影响，观察第一个量子阱Q，量子阱内的电子基态能级位置相对于准费米能级更低，表明有更多的电子被该量子阱捕获，提高了该量子阱中载流子的浓度。距离带边整形层越远的量子阱，受局域内建电场的影响越弱，量子阱内的电子基态能级相对于准费米能级降低程度越小，这表明相对于优化前的结构，本实施例所述发光二极管中多量子阱有源区的量子阱中载流子分布更均匀。
第一带边整形层40a引入后，利用其形成的局域内建电场修整该带边整形层与电子阻挡层处能带的带边形状，使该区域导带弯曲上翘。一方面电子阻挡层的导带相对于准费米能级升高，提升了其有效势垒高度，减少了载流子泄漏；另一方面该局部区域能带的弯曲上翘也使得带边整形层与电子阻挡层界面处的导带相对准费米能级抬高，减少了电子在该部位的聚集。
总的来说，本实施例较优方案，其获得的有益效果类比于实施例一和实施例二的结合。
图14所示，为本实施例较优方案下内量子效率随电流密度的变化趋势图，对比引入带边整形层前后内量子效率的变化，可见引入带边整形层后，器件内量子效率提高，且随电流增大内量子效率提高的幅度没有减小。
实施例四
如图15所示发光二极管外延结构从下至上依次包括：衬底层51、成核层52、N型电子注入层53、多量子阱有源区54、电子阻挡层55、第二带边整形层50b、第一带边整形层50a和P型空穴注入层56。相对于现有技术，在电子阻挡层55和P型空穴注入层56之间增加了第一带边整形层50a和第二带边整形层50b。
第一带边整形层50a的厚度为1nm～100nm，材料为N型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～1×1019cm-3，掺杂剂选用硅烷（SiH4）。本实施例中，一种较优的选择是，第一带边整形层50a的厚度为20nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
第二带边整形层50b的厚度为1nm～100nm，材料为P型掺杂GaN，掺杂浓度：1×1017cm-3～5×1018cm-3，掺杂剂选用二茂镁（Cp2Mg）。本实施例中，一种较优的选择是，第二带边整形层50b的厚度为20nm，掺杂浓度为5×1017cm-3。
发明人经过实际验证，当掺杂浓度不同以及层厚度变化时，相比于不插入该层来说也有优化效果，但其效果不如上述优选方案。
图16为本实施例选择较优方案时，能带结构变化示意图，图3和图16中，E2表示电子阻挡层的能带结构，图16中的E0表示第一带边整形层和第二带边整形层的能带结构，对比图3和图16的能带结构，可看出：
引入第一带边整形层和第二带边整形层后，利用其形成的局域内建电场，修整第二带边整形层与电子阻挡层处能带的带边形状使其发生弯曲上翘，导致电子阻挡层的导带相对准费米能级上升，增加了其有效势垒高度h；有效势垒高度h的升高使得漏电流（此处为电子泄漏）减少，器件内量子效率提高。
图17所示为较优方案下，引入带边整形层前后电子电流随距离变化的趋势图，图中可看出，引入带边整形层后，新结构的电子泄露减少。
图18所示，为本实施例较优方案下内量子效率随电流密度的变化趋势图，对比引入带边整形层前后内量子效率的变化，可见引入带边整形层后，器件的内量子效率提高，且随电流增大内量子效率提高的幅度没有减小。
除上述实施例一至实施例四外，带边整形层可设置在多量子阱有源区内，还可以设置于电子注入区内或空穴注入区内。带边整形层布置在多量子阱有源区内，特别是在垒层中的情况：在载流子分布不均匀的多量子阱有源区中的垒层位置处插入带边整形层，通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场，修整局部带边形状，调节其相邻的量子阱的基态能级与准费米能级之间的差异，从而影响量子阱的载流子浓度。通过在多量子阱有源区的一处或多处置入带边整形层，使载流子在多个量子阱中的分布变得均匀。
上述实施例一至实施例四中，所列举的带边整形层为GaN材料，事实上，带边整形层还可以是其他类型的半导体材料。优选的，带边整形层的材料最好与相邻层的材料一致，减小因材料的晶格失配等带来的不利影响，更利于器件内量子效率的提高。
本发明的外延结构，可利用金属有机化合物气相沉积技术生长。在上述外延结构的基础上，利用芯片切割成型技术，制成发光二极管芯片。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (11)

1.一种半导体发光器件的外延结构，其特征在于：包括电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区，还包括一个或多个带边整形层；
该带边整形层的掺杂类型和/或掺杂浓度与其相邻层有差异，所述掺杂类型为非掺杂、P型掺杂或N型掺杂；
所述带边整形层通过调整其掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度，利用其形成的局域内建电场修整外延结构的半导体能带的带边形状；
所述带边整形层位于电子注入区和多量子阱有源区之间，以调节多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级的位置，使多量子阱有源区内的量子阱层中的载流子浓度分布变得均匀，总体俄歇复合降低；
或，还包括阻挡载流子的势垒层，该势垒层与所述带边整形层共同位于空穴注入区和多量子阱有源区之间；该势垒层的一侧或两侧设有带边整形层时，该带边整形层使该势垒层的有效势垒高度升高，载流子泄漏减小；
或，所述带边整形层位于多量子阱有源区内的垒层中；
或，所述带边整形层位于电子注入区内或空穴注入区内。
2.按照权利要求1所述的外延结构，其特征在于：当该带边整形层位于电子注入区和多量子阱有源区之间时，该带边整形层使多量子阱有源区的量子阱电子基态能级相对准费米能级降低；距离带边整形层越远的量子阱，其电子基态能级相对准费米能级降低的程度越小。
3.按照权利要求1至2任一项所述的外延结构，其特征在于：所述带边整形层为多个时，同时位于多量子阱有源区的两侧，具体为：位于电子注入区和多量子阱有源区之间，以及与阻挡载流子的势垒层共同位于多量子阱有源区和空穴注入区之间。
4.根据权利要求1至2任一项所述的外延结构，其特征在于：所述带边整形层为多个时，共同位于多量子阱有源区的同一侧，具体为：位于多量子阱有源区和空穴注入区之间，各带边整形层的掺杂类型、掺杂浓度和/或层厚度不同。
5.一种应用权利要求1所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：至少包括依次排列的电子注入区、带边整形层、多量子阱有源区和空穴注入区。
6.一种应用权利要求1所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区、带边整形层、阻挡载流子的势垒层和空穴注入区。
7.一种应用权利要求3所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：具有两个带边整形层，分别为第一带边整形层和第二带边整形层；该半导体发光器件的外延结构至少包括依次排列的电子注入区、第二带边整形层、多量子阱有源区、第一带边整形层、阻挡载流子的势垒层和空穴注入区。
8.一种应用权利要求4所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：具有两个带边整形层，分别为第一带边整形层和第二带边整形层；第一带边整形层为N型掺杂，第二带边整形层为P型掺杂；该半导体发光器件的外延结构至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区、阻挡载流子的势垒层、第二带边整形层、第一带边整形层和空穴注入区。
9.一种应用权利要求1所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；还包括带边整形层，设于多量子阱有源区内的垒层中。
10.一种应用权利要求1所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；还包括带边整形层，设于电子注入区内。
11.一种应用权利要求1所述外延结构制成的半导体发光器件，其特征在于：至少包括依次排列的电子注入区、多量子阱有源区和空穴注入区；还包括带边整形层，设于空穴注入区内。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103346224A (zh) * 2013-06-09 2013-10-09 武汉迪源光电科技有限公司 一种GaN基LED的PGaN结构及其外延生长方法
DE102015113670A1 (de) * 2014-08-19 2016-02-25 Seoul Viosys Co., Ltd Leuchtvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
CN104577712A (zh) * 2015-01-13 2015-04-29 中国科学院半导体研究所 提高激光器量子阱载流子限制能力的制备方法
CN104600565B (zh) * 2015-01-22 2017-08-25 中国科学院半导体研究所 一种具有低电子泄漏的砷化镓激光器及其制作方法
CN106784206B (zh) * 2017-01-23 2019-01-08 厦门三安光电有限公司 氮化镓基发光二极管
US11093667B2 (en) * 2017-05-22 2021-08-17 Purdue Research Foundation Method and system for realistic and efficient simulation of light emitting diodes having multi-quantum-wells
CN109217109B (zh) * 2018-08-29 2020-05-26 中国科学院半导体研究所 基于数字合金势垒的量子阱结构、外延结构及其制备方法
WO2020258033A1 (zh) 2019-06-25 2020-12-30 京东方科技集团股份有限公司 发光二极管及其制作方法、显示装置
CN111370997B (zh) * 2020-03-13 2022-08-12 天津华慧芯科技集团有限公司 分布反馈式激光器的新型电流阻挡层结构
CN111403563B (zh) * 2020-03-27 2021-06-25 厦门乾照光电股份有限公司 一种pipn结构的发光二极管及其制备方法
CN114141917B (zh) * 2021-11-30 2024-02-23 江苏第三代半导体研究院有限公司 一种低应力GaN基发光二极管外延片及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1447447A (zh) * 2002-03-27 2003-10-08 联铨科技股份有限公司 Ⅲ族氮化物发光二极管及其制造方法
CN102368519A (zh) * 2011-10-27 2012-03-07 华灿光电股份有限公司 一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100452583C (zh) 2003-09-25 2009-01-14 松下电器产业株式会社 氮化物半导体元件和其制造方法
KR100456063B1 (ko) * 2004-02-13 2004-11-10 에피밸리 주식회사 Ⅲ-질화물 반도체 발광소자
KR100753518B1 (ko) * 2006-05-23 2007-08-31 엘지전자 주식회사 질화물계 발광 소자
WO2010059132A1 (en) 2008-11-21 2010-05-27 Agency For Science, Technology And Research A light emitting diode structure and a method of forming a light emitting diode structure
US8227791B2 (en) * 2009-01-23 2012-07-24 Invenlux Limited Strain balanced light emitting devices
CN102136536A (zh) * 2010-01-25 2011-07-27 亚威朗(美国) 应变平衡发光器件
US20110188528A1 (en) 2010-02-04 2011-08-04 Ostendo Technologies, Inc. High Injection Efficiency Polar and Non-Polar III-Nitrides Light Emitters
CN102185058B (zh) 2011-04-02 2013-09-25 映瑞光电科技(上海)有限公司 一种氮化物led结构及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1447447A (zh) * 2002-03-27 2003-10-08 联铨科技股份有限公司 Ⅲ族氮化物发光二极管及其制造方法
CN102368519A (zh) * 2011-10-27 2012-03-07 华灿光电股份有限公司 一种提高半导体二极管多量子阱发光效率的方法

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