CN104009138A - 一种led外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、缓冲层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、电子阻挡层、多量子阱层和p型氮化镓层。本发明通过将电子阻挡层设在n型氮化镓层和多量子阱层之间，有效阻挡电子注入，减少电子泄漏，增加空穴注入，进而提高发光效率；通过在n型GaN层和有源区之间插入n型AlGaN/GaN超晶格结构来代替传统结构中的AlGaNEBL，可以有效阻挡电子注入，减少电子泄漏，增加空穴注入，进一步提高发光效率。本发明作为一种LED外延结构可广泛应用于LED领域。
Description
技术领域
本发明涉及LED领域，尤其是一种LED外延结构。
背景技术
LED已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。近年来, 以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料受到人们的广泛关注和大力研究。尤其是Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料(AlN, GaN 和InN)以及它们相关的合金和异质结,在高温、高频大功率电子器件和短波长光电子器件方面具有显著的优势,并在近几年的研究和应用中取得了突破性的进展。
外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而多量子阱又是外延层的最重要部分，对大功率GaN基LED来说，合适的电子阻挡层可以有效增强整个外延层的光输出效率。传统外延结构如图1所示，该结构中多量子阱层的最后一个量子垒与P型AlGaN电子阻挡层连接，在阻挡电子传输的同时也阻挡了空穴的注入，因此发光二极管的总体发光效率无法得到提高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种可有效阻挡电子注入、增加空穴浓度，从而提高发光效率的LED外延结构。
本发明所采用的技术方案是：一种LED外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、缓冲层、u型氮化镓层和n型氮化镓层，所述n型氮化镓层上还包括有从下至上依次层叠的电子阻挡层、多量子阱层和p型氮化镓层。
进一步，所述电子阻挡层为多层交替连接的势阱层和势垒层构成的超晶格结构，所述超晶格结构的周期为i，其中10≤i≤25。
进一步，所述势阱层的组成为GaN；势垒层的组成为AlxGa1-xN，其中0＜x≤1。
进一步，所述势垒层中Al的组分从0逐渐上升至x，然后再从x逐渐降低至0，其中0＜x≤0.2。
进一步，所述多量子阱层包括有至少一层交替连接的量子阱和量子垒。
所述量子阱的层数为j，其中1≤j≤10。
进一步，所述量子阱的组成为InyGa1-yN，其中0＜y≤1；所述量子垒的组成为GaN。
进一步，所述缓冲层的组成为GaN。
进一步，所述u型氮化镓层为未掺杂GaN半导体层。
进一步，所述n型氮化镓层为n型掺杂的GaN半导体层。
进一步，所述n型掺杂的GaN半导体层掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3～5×1020/cm3。
进一步，所述p型氮化镓层为p型掺杂的GaN半导体层。
进一步，所述p型掺杂的GaN半导体层掺杂元素为Mg，掺杂浓度为3×1017/cm3～1×1020/cm3。
本发明的有益效果是：通过将电子阻挡层设在n型氮化镓层和多量子阱层之间，有效阻挡电子注入，减少电子泄漏，增加空穴注入，进而提高发光效率；通过在n型GaN层和有源区之间插入n型AlGaN/GaN超晶格结构来代替传统结构中的AlGaN EBL，可以有效阻挡电子注入，减少电子泄漏，增加空穴注入，进一步提高发光效率。
附图说明
图1为传统LED外延结构图；
图2为传统LED外延结构能级图；
图3为本发明LED外延结构的实施例；
图4为本发明中电子阻挡层的超晶格结构示意图；
图5为本发明LED外延结构实施例的能级图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图3，本发明具体实施例所示的一种LED外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、缓冲层、u型氮化镓层和n型氮化镓层，所述n型氮化镓层上还包括有从下至上依次层叠的电子阻挡层、多量子阱层和p型氮化镓层。
参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述电子阻挡层为多层交替连接的势阱层和势垒层构成的超晶格结构，所述超晶格结构的周期为i，其中10≤i≤25。
进一步作为优选的实施方式，所述势阱层的组成为GaN；势垒层的组成为AlxGa1-xN，其中0＜x≤1。
进一步作为优选的实施方式，所述势垒层中Al的组分从0逐渐上升至x，然后再从x逐渐降低至0，其中0＜x≤0.2。
进一步作为优选的实施方式，所述多量子阱层包括有至少一层交替连接的量子阱和量子垒。
所述量子阱的层数为j，其中1≤j≤10。
进一步作为优选的实施方式，所述量子阱的组成为InyGa1-yN，其中0＜y≤1；所述量子垒的组成为GaN。
进一步作为优选的实施方式，所述缓冲层的组成为GaN。
进一步作为优选的实施方式，所述u型氮化镓层为未掺杂GaN半导体层。
进一步作为优选的实施方式，所述n型氮化镓层为n型掺杂的GaN半导体层。
进一步作为优选的实施方式，所述n型掺杂的GaN半导体层掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×1018/cm3～5×1020/cm3。
进一步作为优选的实施方式，所述p型氮化镓层为p型掺杂的GaN半导体层。
进一步作为优选的实施方式，所述p型掺杂的GaN半导体层掺杂元素为Mg，掺杂浓度为3×1017/cm3～1×1020/cm3。
对比图5（本发明具体实施例的能级图）和图2（传统LED外延结构能级图），可看出采用AlGaN做电子阻挡层的传统结构中，由于晶格失配，自发极化和压电极化场使最后一个GaN垒层和AlGaN EBL界面处的能带下拉，导致电子有效势垒高度的降低，EBL电子阻挡不充分。另外，GaN基材料电子的有效质量比空穴小并且迁移率非常高，电子很容易穿过AlGaN EBL到达p型区，加重电子泄漏。同时，由于能带弯曲，AlGaN EBL在阻挡电子泄漏的同时也形成空穴有效势垒，阻挡了空穴注入。如图2所示，空穴有效势垒为413meV。
本发明采用n型AlGaN/GaN 超晶格结构做电子阻挡层，超晶格结构可以起到叫做“电子蓄积池”的作用，即所述势垒层中Al的组分从0逐渐上升至x，然后再从x逐渐降低至0，相当于在n型GaN层和有源区之间插入了n型AlGaN/GaN超晶格后，由于超晶格起到蓄积电子的作用，因此电子从n型层注入后蓄积到超晶格结构中，这样有源区的电子浓度就会低于传统结构，最终电子泄漏减少。同时，由于没有了传统结构中AlGaN EBL的阻挡，空穴注入效率相对来说的到提高，有利于空穴注入。如图5所示，空穴有效势垒高度降低至307meV，明显低于传统结构的。这意味着更多空穴能够注入到量子阱中与电子进行辐射复合，最终提高发光效率。
因此，由上述分析可知：在本发明的具体实施例中，通过在n型GaN层和有源区之间插入了n型AlGaN/GaN超晶格来代替传统结构中的AlGaN EBL，可以有效阻挡电子注入，减少电子泄漏，增加空穴注入，进而提高发光效率。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种LED外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、缓冲层、u型氮化镓层和n型氮化镓层，其特征在于：所述n型氮化镓层上还包括有从下至上依次层叠的电子阻挡层、多量子阱层和p型氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述电子阻挡层为多层交替连接的势阱层和势垒层构成的超晶格结构，所述超晶格结构的周期为i，其中10≤i≤25。
3.根据权利要求2所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述势阱层的组成为GaN；势垒层的组成为AlxGa1-xN，其中0＜x≤1。
4.根据权利要求3所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述势垒层中Al的组分从0逐渐上升至x，然后再从x逐渐降低至0，其中0＜x≤0.2。
5.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述多量子阱层包括有至少一层交替连接的量子阱和量子垒。
6.根据权利要求5所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述量子阱的组成为InyGa1-yN，其中0＜y≤1；所述量子垒的组成为GaN。
7.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述缓冲层的组成为GaN。
8.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述u型氮化镓层为未掺杂GaN半导体层。
9.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述n型氮化镓层为n型掺杂的GaN半导体层。
10.根据权利要求1所述的一种LED外延结构，其特征在于：所述p型氮化镓层为p型掺杂的GaN半导体层。
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