CN103730555B - 氮化物半导体发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一氮化物半导体发光器件，至少包含：衬底；由氮化物半导体分别形成的n型层、发光层和p型层依次叠层于所述衬底之上；电流扩展层，其具有由两层以上u型氮化物半导体层叠层而成的多层结构，在所述各u型氮化物半导体层之间的界面处形成n型掺杂，其掺杂浓度大于或等于1×1018 cm‑3。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化物半导体发光器件，更为具体的是一种具有N型电流扩展层的发光二极管。
背景技术
目前，发光二极管（Light-emitting diodes，简称LED）以其高效率、长寿命、全固态、自发光和绿色环保等优点，已经被广泛应用于照明和显示两大领域。尤其是氮化镓系发光二极管因其带隙覆盖各种色光，成为国内外产学研各界重点研究的对象，并且在外延和芯片技术上取得了重大的进展。然而，如下图1所示的传统结构氮化镓系发光二极管器件，由于电流扩展性差，电流从n电极110流向p电极111会偏向较近的线路，这样就会造成有些部分电流密度过大，导致电流拥挤现象（Current Crowding），从而影响整个器件的发光效率和出光均匀性，另一方面可导致芯片的抗静电能力变差，进而影响寿命。
发明内容
为解决上述发光二极管中所存在的问题，本发明提供了一种具有N型电流扩展层的发光二极管，包含：衬底；由氮化物半导体分别形成的n型层、发光层和p型层依次叠层于所述衬底之上；电流扩展层，其具有由两层以上u型氮化物半导体层叠层而成的多层结构，在所述各u型氮化物半导体层之间的界面处形成n型掺杂，其掺杂浓度大于或等于1×1018 cm-3。
优选地，所述电流扩展层的厚度为100~20000 nm。
优选地，所述电流扩展层具有2~200层u型氮化物半导体层。
优选地，所述单层u型氮化物半导体层的厚度为1~100 nm。
优选地，所述各u型氮化物半导体层之间界面处形成n型掺杂的厚度≤2 nm。
优选地，所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度为5×1018 ~ 5×1020 cm-3。
优选地，所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度大于所述n型层的掺杂浓度。
优选地，所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度为均匀掺杂。
优选地，所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度呈线性递增或递减。
优选地，所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度呈锯齿、矩形、正弦或阶梯状分布。
优选地，所述电流扩展层还包括由预定间隔隔开的绝缘部组成的分布绝缘层，其位于所述u型氮化物半导体层叠层而成的多层结构内部或/和所述多层结构与所述n型层之间。
本发明中所提“u型氮化物半导体”均指低掺杂氮化物半导体，其掺杂浓度小于5×10 17cm -3 。
在本发明中，从n电极层导入的电流源通过所述电流扩展层之多层结构时，将各处的电流源强迫做二维水平扩展。在一些实施例中，在n型层形成一个或多层分布绝缘层可将从n电极层导入的电流源一次或多次转化为分布均匀的点状电流源，再经由所述多层结构将各处的点状电流源强迫做二维水平扩展，使电流非常均匀扩展至整个发光面积，更好的达到电流扩展的效果，而无电流拥挤现象（Current Crowding）。
附图说明
图1为一般氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图。
图2是本发明实施例1的氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图。
图3是本发明实施例1一个变形例中n型掺杂浓度变化示意图。
图4是本发明实施例1另一个变形例中n型掺杂浓度变化示意图。
图5是本发明实施例2的氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图。
图6 为本发明实施例2的n型掺杂浓度变化图。
图7是本发明实施例3的氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图。
图8是本发明实施例4的氮化物发光二极管的结构图及其电流路径示意图。
图9 为本发明实施例4的n型掺杂浓度变化图。
图中：
100 蓝宝石衬底
101 缓冲层
102 n型层
103 分布绝缘层
104 电流扩展层
104a u-GaN层
104b 各u-GaN层之间的界面
105 发光层
106 p型限制层
107 p型层
108 p型接触层
109 透明导电层
110 n电极
111 P电极 。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例1
图2是实施例1的氮化物发光二极管结构图及其电流路径示意图。本实施例的氮化物发光二极管从下至上依次包括：（1）蓝宝石衬底100；（2）由氮化镓(GaN)或氮化铝（AlN）构成的缓冲层101，其膜厚为20 nm~50 nm；（3）n型层102，膜厚为100 nm~1000 nm，掺杂浓度为1×1018~1×1019 cm-3，优选5×1018 cm-3，掺杂源优选Si，通过控制通入SiH4/TMGa流量比来实现所需掺杂浓度，范围为1：100 ~ 1：10；（4）电流扩展层104由具有2~200层GaN层104a叠层而成的多层结构，厚度为100~20000 nm；（5）以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层的多量子阱结构的发光层105，其中阱层的膜厚为1.8 nm~3 nm，势垒层的膜厚为8 nm~20 nm；（6）由掺杂了Mg的氮化铝铟镓(AlInGaN)构成的p型限制层106，其膜厚为10 nm~60 nm；（7）由掺杂Mg的氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化镓之一构成的p型层107与p型接触层108；其中p型层107的膜厚为100 nm~300 nm，p型接触层108的膜厚为5 nm~20 nm；（8）由ITO构成的透明导电层109的膜厚为50 nm ~ 300 nm；（9）n电极110和p电极111。
通过所述电流扩展层104的设计，强迫从n电极层导入的电流源经过所述多层结构时做二维水平扩展，更有利于电流均匀分布至发光面积。具体地，在电流扩展层104中，单层u-GaN层104a的厚度为1~100 nm，优选为10 nm,通入n型掺杂剂 Si在各u-GaN层之间的界面处形成掺杂效果，可通过下面方法实现：采用MOCVD系统进行生长，通入TMGa生长单层u-GaN层104a，接着关闭TMGa，通入SiH4，时间为1 ～ 20 s，继续通入TMGa生长下一单层u-GaN层104a，如此循环从而在各u-GaN层104a之间形成均匀掺杂的界面104b，其掺杂浓度为5×1018~5×1020 cm-3，优选值为1×1020cm-3。在本实施例中，在电流扩展层104中，各掺杂界面104b的掺杂浓度基本保持不变。作为本实施例的一个变形实施例，单个掺杂界面104b内部掺杂浓度保持不变，但各个掺杂界面104b的整体掺杂浓度不一样，表现为：靠近n型层一端的浓度较高 ，靠近发光层一端的浓度较低，如图3所示。
作为本实施例的另一个变形实施例，单个掺杂界面104b内部掺杂浓度保持不变，但各个掺杂界面104b的整体掺杂浓度不一样，表现为：靠近n型层与发光层两端的浓度较低，电流扩展层中间区域的掺杂浓度较高，掺杂浓度呈现“两边低中间高”的生长趋势，如图4所示。
在本实施例中，电流扩展层104的设计相比于传统u型氮化物/n型氮化物叠层的结构，具有以下优势：（1）传统u型氮化物/n型氮化物叠层中当掺杂过高时，在生长过程中被施加很强的应变，其晶体质量会降低，导致出现裂化或黑点等表面问题，而本实施例中，电流扩展层104仅在各u型氮化物半导体层之间的界面104b处形成n型掺杂，会形成比传统n型层更高浓度的掺杂，同时保持晶体质量（采用XRD测试，本实施所获得的外延结构的（002）面和（102）面的半高宽均小于250 arcsec）；（2）由于电流扩展层104中各u型氮化物半导体层之间的界面104b无镓源通入，从而减薄n型层，简化传统u型氮化物/n型氮化物叠层的工艺，大大降低生产成本；（3）保持良好的电流扩展性，有效提高LED器件的发光效率和出光均匀性；提高抗静电能力，增强寿命。
实施例2
图5是本发明实施例2的氮化物发光二极管结构图及其电流路径示意图。
本实施例与实施例1的区别为在：（1）在n型层102与电流扩展层104之间加入分布绝缘层103，其具体为在n-型层中通过离子注入法形成一系列以预定间隔隔开的绝缘部，厚度为10 nm~500 nm；（2）在电流扩展层104中，各掺杂界面104b内部的n型掺杂浓度基本上呈线性增加，掺杂浓度由1×1019cm-3 增加至1×1020cm-3，且各个掺杂界面104b的整体掺杂浓度保持一致（n型掺杂浓度变化如图6）。
与实施例1相比，本实施例在n型层102形成一个分布绝缘层103将从n电极层导入的电流源转化为分布均匀的点状电流源，再经由所述多层结构将各处的点状电流源强迫做二维水平扩展，使电流非常均匀扩展至整个发光面积，更好的达到电流扩展的效果，而无电流拥挤现象。再者，优化电流扩展层各u型界面处n掺的设计，体现其结构的多样性。
实施例3
图7是本发明实施例3的氮化物发光二极管结构图及其电流路径示意图。
本实施例与实施例2相比，分布绝缘层103位于电流扩展层104内部。通过所述多层结构将从n电极110导入的电流源强迫先做一次二维水平扩展；然后通过所述分布绝缘层将其形成均匀分布的点状电流源；最后，再通过所述多层结构将分布绝缘层所形成的均匀分布点状电流源，再次强迫做一次二维水平扩展，这样可提高整体电流扩 展性水平。
实施例4
图8是本发明实施例4的氮化物发光二极管结构图及其电流路径示意图。
本实施例与实施2相比：（1）所述电流扩展层104中增加层数为1的分布绝缘层103，电流在所述多层结构中再一次形成均匀分布的点状电流源和进行二维水平扩展。（2）在电流扩展层104中，各掺杂界面104b内部的n型掺杂浓度基本上呈正弦式变化，掺杂浓度范围为1×1019cm-3 ~1×1020cm-3, 且各个掺杂界面104b的整体掺杂浓度保持一致（n型掺杂浓度变化如图9）。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.氮化物半导体发光器件，包含：
衬底，由氮化物半导体分别形成的n型层、发光层和p型层依次叠层于所述衬底之上；
其特征在于：还包括电流扩展层，其具有至少由两层u型氮化物半导体层叠层而成的多层结构，在所述各u型氮化物半导体层之间的界面处形成n型掺杂，其掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述电流扩展层的厚度为100~20000 nm。
3.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述电流扩展层具有2~200层u型氮化物半导体层。
4.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层的厚度为1~100 nm。
5.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层之间界面处形成n型掺杂的厚度≤2 nm。
6.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度为5×1018 ~ 5×1020 cm-3。
7.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度大于所述n型层的掺杂浓度。
8.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度为均匀掺杂。
9.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度呈线性递增或递减。
10.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：所述各u型氮化物半导体层之间界面处的n型掺杂浓度呈锯齿、矩形、正弦或阶梯状分布。
11.根据权利要求1所述的氮化物半导体发光器件，其特征在于：还包括由预定间隔隔开的绝缘部组成的分布绝缘层，其位于所述u型氮化物半导体层叠层而成的多层结构内部或/和所述多层结构与所述n型层之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |