CN103165776A - 一种可获得三基色光的发光二极管结构 - Google Patents

一种可获得三基色光的发光二极管结构 Download PDF

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吴东海
李志翔
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Abstract

一种可获得三基色光的发光二极管结构，涉及光电技术领域。本发明包括位于底部的蓝宝石衬底、形成于蓝宝石衬底上的金属氮化物缓冲层和置于顶部的P型半导体层。其结构特点是，所述金属氮化物缓冲层上依次置有异变InGaN缓冲层和InGaN有源层。异变InGaN缓冲层中的In组分含量随着材料外延生长参数的改变呈线性增加，InGaN缓冲层的厚度范围为0.1～100μm，In组分含量从0线性增加至x，组分x的取值范围为0＜x＜1。同现有技术相比，本发明通过组分渐变结构的异变InGaN缓冲层，改善发光半导体装置有源层的结晶质量，获得整个可见光波段的出射光。

Description

一种可获得三基色光的发光二极管结构
技术领域
 本发明涉及光电技术领域，特别是可获得三基色光的发光二极管结构。
背景技术
目前，以GaN材料为代表的III-V族氮化物半导体材料，在紫外/蓝光/绿光LED、激光器、光电探测器，以及在高温高频大功率电子器件领域有着广泛的应用。在GaN基发光二极管LED及激光器LD结构中，有源发光层的禁带宽度决定了LED或LD器件的出射光波长。自1970年来，可以发出红色到黄色光谱范围光的LED或LD器件已经比较成熟，而要得到高效短波长的出射光仍是目前的一个难题。若能扩大LED器件的发光波长到短波光源范围，获得三基色的红光、绿光和蓝光，则在全彩显示器领域有着较好的应用前景。同时，短波激光器可以产生相干光源以及应用于高密度信息存储领域。
现有技术中，GaN材料的禁带宽度为3.4eV，InN材料的禁带宽度为1.9eV，从而InGaN化合物半导体材料可以获得整个可见光波段的出射光。当In组分为20-30%时，可以得到蓝光；In组分为40-50%时，可以得到绿光，而In组分为100%时，得到的则是红光。通过对In含量大小的控制可以得到较短波长的蓝光和绿光，但是In含量的增加会使InGaN化合物材料变的不稳定，出现分凝现象，从而有源层的禁带宽度变得不均一，导致光纯度下降。同时，有源层与缓冲层之间晶格常数的差异，导致有源层的结晶质量较差，降低了半导体器件的发光效率。
图1为传统的发光半导体装置示意图。如图所示，这类的发光半导体装置包括蓝宝石衬底200，在此衬底上依次形成金属氮化物缓冲层210，GaN缓冲层120，n型半导体层130、有源层150以及P型半导体层240。由于有源层与蓝宝石衬底之间具有晶格常数的差异，故较难获得In组分含量较高的有源层。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供了一种可获得三基色光的发光二极管结构。它通过组分渐变结构的异变InGaN缓冲层，改善发光半导体装置有源层的结晶质量，获得整个可见光波段的出射光。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种可获得三基色光的发光二极管结构，它包括位于底部的蓝宝石衬底、形成于蓝宝石衬底上的金属氮化物缓冲层和置于顶部的P型半导体层。其结构特点是，所述金属氮化物缓冲层上依次置有异变InGaN缓冲层和InGaN有源层。异变InGaN缓冲层中的In组分含量随着材料外延生长参数的改变呈线性增加，InGaN缓冲层的厚度范围为0.1～100μm，In组分含量从0线性增加至x，组分x的取值范围为0＜x＜1。
在上述发光二极管结构中，所述蓝宝石衬底采用蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝和氮化镓衬底材料中的一种。
在上述发光二极管结构中，所述金属氮化物缓冲层于低温下形成于蓝宝石衬底上，其厚度为10～1000埃，材料采用GaN、InGaN、AlN或者AlGaN。
一种可获得三基色光的发光二极管结构，它包括位于底部的蓝宝石衬底、形成于蓝宝石衬底上的金属氮化物缓冲层和置于顶部的P型半导体层。其结构特点是，所述金属氮化物缓冲层上依次置有异变InGaN缓冲层和InGaN有源层。异变InGaN缓冲层采用一层或者多层具有固定In组分的InGaN材料叠加而成，并且每层中的In组分含量随沉积层数的增加而递增。每层InGaN材料的厚度为0.1～100μm，In组分含量y的取值范围为0＜y＜1。
在上述发光二极管结构中，所述蓝宝石衬底采用蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝和氮化镓衬底材料中的一种。
在上述发光二极管结构中，所述金属氮化物缓冲层于低温下形成于蓝宝石衬底上，其厚度为10～1000埃，材料采用GaN、InGaN、AlN或者AlGaN。
本发明由于采用了上述结构，通过In组分渐变的异变InGaN缓冲层，取代传统技术中的GaN缓冲层，降低衬底材料与有源层材料之间的晶格失配度，改善发光半导体装置有源层的结晶质量。本发明还可以通过控制有源发光层中In的组分含量，以获得适合蓝光、绿光和红光的禁带宽度。
    下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为现有技术中发光二极管结构的剖面示意图。
图2为本发明实施例一发光二极管结构的剖面示意图。
图3为本发明实施例二发光二极管结构的剖面示意图。
具体实施方式
实施例一
参看图2，本发明包括位于底部的蓝宝石衬底200、依次形成于蓝宝石衬底200上的金属氮化物缓冲层210、异变InGaN缓冲层221、InGaN有源层230和P型半导体层240。异变InGaN缓冲层221中的In组分含量随着材料外延生长参数的改变呈线性增加，InGaN缓冲层221的厚度范围为0.1～100μm，In组分含量从0线性增加至x，组分x的取值范围为0＜x＜1。蓝宝石衬底200采用蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝和氮化镓衬底材料中的一种。金属氮化物缓冲层210于低温下形成于蓝宝石衬底200上，其厚度为10～1000埃，具体材料采用GaN、InGaN、AlN或者AlGaN。
本实施例中，通过调整InGaN材料的外延生长技术，控制总的生长速率不变，调节两种或多种Ⅲ族原子的生长速率比，使In的生长速率线性增加（对应的Ga的生长速率线性减少），在金属氮化物缓冲层210上形成厚度为0.1μm-100μm的异变InGaN缓冲层221。其中In组分含量由0线性增加至0.3，接着，更高In组分含量的In0.5GaN有源层230形成于异变InGaN缓冲层221之上，厚度为10-100埃。P型半导体层240形成于In0.5GaN有源层230之上。
实施例二
参看图3，本实施例与实施例一相比，区别在于异变InGaN缓冲层221采用一层或者多层具有固定In组分的InGaN材料叠加而成，并且每层中的In组分含量随沉积层数的增加而递增。每层InGaN材料的厚度为0.1～100μm，In组分含量y的取值范围为0＜y＜1。
本实施例中，异变InGaN缓冲层221由三层InGaN缓冲层组成。其中每层InGaN缓冲层的In组分均为固定值，分别为0.1、0.2和0.3，每层InGaN缓冲层的典型厚度为0.1～100μm。接着，In组分含量为0.5的In0.5GaN有源层230形成于异变InGaN缓冲层221之上，p型半导体层240形成于InGaN有源层230之上。
与现有技术中的GaN缓冲层120材料相比，异变InGaN缓冲层221材料能够有效减小材料中的穿透位错密度，提高材料晶体质量。在GaN缓冲层上形成的InGaN有源层中In的含量可以达到20%，而在In含量为30%的InGaN化合物层上形成的InGaN有源层中In的含量可以达到50%。因此，InGaN有源层230形成于异变InGaN缓冲层221上具有更高的In含量和更低的晶格失配度，从而能够产生高质量的蓝、绿或红色的出射光。

Claims (6)

1.一种可获得三基色光的发光二极管结构，它包括位于底部的蓝宝石衬底（200）、形成于蓝宝石衬底（200）上的金属氮化物缓冲层（210）和置于顶部的P型半导体层（240），其特征在于，所述金属氮化物缓冲层（210）上依次置有异变InGaN缓冲层（221）和InGaN有源层（230），异变InGaN缓冲层（221）中的In组分含量随着材料外延生长参数的改变呈线性增加，InGaN缓冲层（221）的厚度范围为0.1～100μm，In组分含量从0线性增加至x，组分x的取值范围为0＜x＜1。
2.根据权利要求1所述的可获得三基色光的发光二极管结构，其特征在于，所述蓝宝石衬底（200）采用蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝和氮化镓衬底材料中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的可获得三基色光的发光二极管结构，其特征在于，所述金属氮化物缓冲层（210）于低温下形成于蓝宝石衬底（200）上，其厚度为10～1000埃，材料采用GaN、InGaN、AlN或者AlGaN。
4.一种可获得三基色光的发光二极管结构，它包括位于底部的蓝宝石衬底（200）、形成于蓝宝石衬底（200）上的金属氮化物缓冲层（210）和置于顶部的P型半导体层（240），其特征在于，所述金属氮化物缓冲层（210）上依次置有异变InGaN缓冲层（221）和InGaN有源层（230），异变InGaN缓冲层（221）采用一层或者多层具有固定In组分的InGaN材料叠加而成，并且每层中的In组分含量随沉积层数的增加而递增；每层InGaN材料的厚度为0.1～100μm，In组分含量y的取值范围为0＜y＜1。
5.根据权利要求4所述的可获得三基色光的发光二极管结构，其特征在于，所述蓝宝石衬底（200）采用蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化铝和氮化镓衬底材料中的一种。
6.根据权利要求4或5所述的可获得三基色光的发光二极管结构，其特征在于，所述金属氮化物缓冲层（210）于低温下形成于蓝宝石衬底（200）上，其厚度为10～1000埃，材料采用GaN、InGaN、AlN或者AlGaN。
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