CN104064646A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发光二极管，其包括N型导电层、P型导电层及夹在两者之间的发光区，所述发光区至少包含一个量子阱结构，所述量子阱结构包括阱层和垒层，其中阱层和垒层的厚度在垂直于外延生长方向的平面内成非均匀分布，即厚度在该平面内变化。

Description

发光二极管
发明领域
本发明涉及微电子器件，更详细地说，涉及可用于Ⅲ族氮化物半导体器件（如发光二极管）的结构。
发明背景
发光二极管（LED）具有电光转换效率高，使用寿命长，节能环保等优点，已被公认为第三代照明光源，并得到大力发展。在衬底上生长的GaN基外延片，是LED的核心组成部分，决定着LED产品的性能。
一般来说，LED外延片中发光层的结构及晶体质量对半导体器件的发光效率起决定性作用。而以Ⅲ族氮化物为基础的半导体器件中，由于衬底的晶格常数与在其上面生长的外延层晶格常数不匹配，会在外延层中产生穿透位错。该位错线会延伸至发光层中甚至贯穿至整个外延层。另一方面，量子阱层的材料与组分与垒层不同，而且阱层中的组成成分不是单一成分，其晶格常数不同，而且一般情况下量子阱层的生长温度较低，其晶格质量较差，容易在该层中产生位错线。这种位错线导致以位错线为中心其周围的禁带宽度小于量子阱的禁带宽度，使得部分载流子更容易进入位错线中产生非辐射复合，从而降低发光效率。
目前，量子阱的发光效率已成为提高Ⅲ族半导体器件性能的瓶颈，影响产品的用途拓展。因此如何减少量子阱中的非辐射复合并提升辐射复合效率一直是该领域的技术研究热点。在现有量子阱结构中，量子阱厚度在垂直于生长方向的平面内是均匀分布的。并且在该平面内，In组分也是均匀分布的，其禁带宽度也是近似相同的。中国专利文献CN1552104A公布了一种具有量子阱的发光二极管结构，在垂直于生长方向的平面内，其量子阱厚度呈均匀分布，而且In组分相同，导致其禁带宽度相同。这种量子阱结构可以使得理论发光面积达到最大，即在整个平面上都可以发光。但由于量子阱中存在从底层延伸到阱层的位错线，该位错线在阱层中形成非辐射复合中心。因此有部分进入到阱层的载流子被这种位错线俘获，进行非辐射符合，降低光电转换效率并产生大量的热影响发光效率。因此有必要改善阱层中载流子进入位错线的比例。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种具有减少载流子进入阱层位错线作用的发光二极管外延结构。
本发明的发光二极管外延结构，由下而上可以依次包括：衬底、缓冲层、N型导电层、应力释放层、发光区、电子阻挡层、P型导电层和P型接触层。所述N型导电层由n型掺杂的Ⅲ族氮化物制成；所述P型导电层由P型掺杂的Ⅲ族氮化物制成。所述发光区至少包含一个量子阱结构，其包括阱层和垒层，其中阱层的厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，即厚度在该平面内变化。
优选的，所述阱层厚度为最小值点或厚度为零的点一般出现在量子阱中的位错线上，在该位置上阱层的禁带宽度为最大值，由于载流子容易进入禁带宽度较小的区域进行复合，因此该方法阻止载流子进入到量子阱的位错线中进行非辐射复合，从而降低非辐射复合机率，增加辐射复合机率并提高发光效率。
在本发明的一些实施例中，所述阱层由AlxInyGa1-x-yN组成，其中0≤x<1，0<y≤1，0≤x+y<1，生长环境为N2，生长温度为700~900℃，优选为750℃。所述阱层的厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，从最大值减小到最小值，并从最小值增大到最大值，厚度在0~6nm范围内变化，且在某个位置上可以等于0，优选的最大值不超过4nm。所述阱层的In组分随着量子阱厚度变化而变化，即随着阱层厚度增加而增加，随着阱层厚度减小而减小。所述阱层厚度最小值的点，对应的In组分为最小值，阱层厚度最大值点对应的In组分为最大值，且In组分的最小值不应小于垒层得In组分。所述阱层的禁带宽度随着所述阱层厚度变化而变化，随着阱层厚度增加而降低，随着阱层厚度减小而增加。所述阱层厚度最小值的点，对应的禁带宽度为最大值；所述阱厚度最大值的点，对应的禁带宽度为最小值。所述其禁带宽度的最大值不应大于垒层的禁带宽度。
在本发明的一些实施例中，所述垒层由AlpInqGa1-p-qN组成，其中0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，生长环境为N2，生长温度为700~950℃。所述垒层的厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，从最大值降低到最小值，并从最小值增大到最大值，厚度在1~50nm范围内变化，优选的厚度最大值不超过20nm。所述垒层厚度的变化规律与阱层相反，即在生长方向上的垒层厚度的最小值点，对应在该生长方向上的前个阱层厚度的最小值点。阱层厚度增加时，垒层厚度相应减小，阱层厚度减小时，垒层厚度相应增加。在生长方向上的垒层厚度的最大值点，对应在该生长方向上的前个阱层厚度的最小值点。所述垒层的禁带宽度不应小于阱层禁带宽度的最大值，可以随垒层厚度的变化而变化，也可保持不变，若其禁带宽度变化时，禁带宽度随着垒层厚度的增加而减小，并随着垒层厚度的减小而增加。优选地，垒层禁带宽度保持不变。
在本发明的一些实施例中，所述发光区包含多个量子阱结构，所述垒层与前一阱层的界面随着阱层的厚度变化而变化，并与后一阱层的界面不随着阱层的厚度波动而波动，即在垂直于生长方向的平面内保持不变。
在本发明的一些实施例中，所述阱层厚度为0或最小值的点存在于延伸至量子阱的位错线上。所述阱层中，部分位错线穿过量子阱厚度为0或厚度最小值的点。
所述量子阱结构，在阱层生长结束后立即升温5~150℃，升温时间范围为5~500s。优选地，在200s内升温40℃，在该升温过程中可以继续生长也可不进行生长。当继续生长时，形成的量子阱结构包括在阱层与垒层之间的一过渡层，其与阱层的界面随着阱层的厚度变化而变化，所述垒层的厚度在垂直于生长方向的平面内呈均匀分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。但本发明可以用许多不同形式体现，不应认为仅限于此文提出的实施例。
图1是本发明实施例1的示意图。
图2是本发明实施例1的量子阱结构示意图。
图3是本发明实施例1中发光区5的TEM图片。
图4是本发明实施例2的示意图。
图5是本发明实施例2的量子阱结构示意图。
具体实施方式
实施例1
下面将参考图1说明本发明的实施例1，图1中所述发光二极管（LED）结构包括衬底1，衬底1优选使用蓝宝石衬底，也可以选用氮化镓衬底、硅衬底或其他适用于外延生长的衬底。
图1的LED结构还包括在衬底1上的基于Ⅲ族氮化物的缓冲层（buffer）2，缓冲层材料优选采用氮化镓，在650℃生长30nm，还可以采用氮化铝材料或者铝镓氮材料。
图1的LED结构还包括在缓冲层2上的N型导电层3，该导电层优选为氮化镓，也可采用铝镓氮材料，硅掺杂优选浓度为1×1019cm-3。
图1的LED结构还包括在N型导电层3上的基于Ⅲ族氮化物的应力释放层4，该应力释放层4由InxGa1-xN组成，较佳的可以含有SiNx插入层，该插入层的厚度为0.1nm~20nm，优选为10nm。
在N型导电层3与应力释放层4之间还可以插入电流扩展层9，该层优选铝镓氮材料，电子经过N型导电层3后进行在该层横向扩展并随后流入发光区，起到增加发光面积的作用。
图1的LED结构还包括在应力释放层4上的发光区5，该发光区5具有至少一个量子阱结构10，优选为具有7~20个所述量子阱结构的重复结构，在本实施例取12个。
图1的LED结构还包括在发光区5上形成的P型电子阻挡层6，该P型电子阻挡层6优选采用铝镓氮材料生长，生长温度为750~950℃，优选生长温度为800℃，厚度为50~200nm，优选取150nm。该层阻挡电子进入P型层与空穴复合，较佳的采用铝组分渐变的方式生长。
图1的LED结构还包括在电子阻挡层6上的P型导电层7，以及在P型导电层7上形成的P型接触层8，此两层的优选掺杂浓度分别为1×1020cm-3和1×1021cm-3。
如图2所示，发光区5包括至少一个量子阱结构10，该量子阱结构10包括基于Ⅲ族氮化物的阱层10a和基于Ⅲ族氮化物的垒层10b。
其中，阱层10a由AlxInyGa1-x-yN组成，其中0≤x<1，0<y≤1，0≤x+y<1，生长环境为N2，生长温度为700~900℃，优选为750℃，其厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，从最大值减小到最小值，并从最小值增大到最大值，波动（变化）范围为0~6nm，且在某个位置上可以等于0。一般的，厚度为0的点存在于延伸至量子阱的位错线D上，而部分位错线D正好穿过阱层10a中厚度为0的点。该阱层10a的In组分随着量子阱厚度变化而变化，即In组分随着厚度的增加而增加，并随着厚度减小而减少，阱层厚度最小值的点，对应的In组分为最小值，但In组分的最小值不应小于垒层的In组分。该阱层10a的禁带宽度随着阱厚度变化而变化，即禁带宽度随着厚度的增加而减小，并随着厚度减小而增大。其中阱层10a的禁带宽度的最大值点对应厚度最小值点，禁带宽度的最小值点对应厚度最大值点，但禁带宽度的最大值不应大于垒层10b的禁带宽度。
垒层10b由AlpInqGa1-p-qN组成，其中0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，生长环境为H2和N2混和气，生长温度为700~950℃。垒层10b的厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，厚度在1~50nm范围内变化，优选的厚度最大值不超过20nm。垒层10b的变化规律与阱层相反，即阱层10a的厚度增加时，垒层10b的厚度相应减小。同样地，阱层10a的厚度减小时，垒层10b的厚度相应增加。在生长方向上的垒层10b的厚度最大值点，对应在该生长方向上的前个阱层10a的厚度最小值点。
垒层10b与前一阱层10a的界面随着阱层的厚度变化而变化，但与后一阱层10a的界面不随着阱层的厚度变化而变化，即在垂直于生长方向的平面内保持不变。
垒层10b的禁带宽度不应小于阱层10a的禁带宽度最大值，可以随垒层10b的厚度变化而变化，也可保持不变，若其禁带宽度变化时，禁带宽度随着垒层10b的厚度增加而减小，并随着垒层10b的厚度减小而增加。在本实施例中，垒层10b采用GaN材料，其禁带宽度保持不变。
本实施例中，在量子阱结构10生长过程中，阱层10a生长结束后立即升温5~150℃，升温时间范围为5~500s，优选在200s内升温40℃，并且在该升温过程中不进行生长，然后按照垒层的生长条件生长垒层10b，图3为本实施例中发光区5的TEM图片。
实施例2
下面将参考图4说明本发明的实施例2，图4中所述发光二极管结构包括衬底11，在衬底11上的基于Ⅲ族氮化物的缓冲层12，在缓冲层12上基于Ⅲ族氮化物的N型导电层13，在N型导电层13上的基于Ⅲ族氮化物的应力释放层14。此外，还包括在应力释放层上的基于Ⅲ族氮化物的发光区15，在发光区15上的基于Ⅲ族氮化物的P型电子阻挡层16，在电子阻挡层16上的P型导电层17，以及在P型导电层17上的基于Ⅲ族氮化物的P型接触层18。上述结构中，除发光区15以外，其它各层结构可以参考实施例1中描述。
发光区15中包括具有至少一个量子阱结构20，发光区15中的量子阱结构20如图5所示，包括基于Ⅲ族氮化物的阱层20a、在阱层20a上的基于Ⅲ族氮化物的过渡层20c，以及在过渡层20c上的基于Ⅲ族氮化物的垒层20b。其中阱层20a的结构可参考实施例1中相应描述。
在阱层20a生长结束后立即升温5~150℃，升温时间范围为5~500s。优选在200s内升温80℃。在该升温过程中进行生长过渡层20c。
过渡层20c由AliInjGa1-i-jN组成，其中0≤i≤1，0≤j≤1，0≤i+j≤1，生长环境为N2；过渡层20c的厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，厚度在1~20nm范围内变化。优选的厚度最大值不超过10nm，其变化规律与阱层相反，即阱层20a的厚度增加时，过渡层20c的厚度相应减小，阱层20a的厚度减小时，过渡层20c的厚度相应增加。在生长方向上的过渡层20c的厚度最大值点，对应在该生长方向上的前个阱层20a的厚度最小值点。
过渡层20c与阱层20a的界面随着阱层的厚度变化而变化，但与垒层20b的界面在垂直于生长方向的平面内保持不变。
过渡层20c的禁带宽度不应小于阱层20a的禁带宽度最大值，可以随过渡层20c的厚度变化而变化，也可保持不变，若其禁带宽度变化时，禁带宽度随着垒层20b的厚度增加而减小，并随着过渡层20c的厚度减小而增加。在本实施例中，过渡层20c采用InGaN材料，其禁带宽度随厚度变化而变化。
垒层20b由AlpInqGa1-p-qN组成，其中0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1，生长环境为H2和N2混和气，生长温度为700~950℃，所述垒层20b的厚度在垂直于生长方向的平面内成均匀分布，厚度为1~50nm。优选的厚度为20nm。
在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，虽然使用了具体术语，但这些术语的使用仅仅为了具体说明本发明，而不是为了起限制作用，本发明的范围在以上权利要求中阐述。

Claims (14)

1.发光二极管，包括N型导电层、P型导电层及夹在两者之间的发光区，其特征在于：所述发光区至少包含一个量子阱结构，所述量子阱结构包括阱层和垒层，其中阱层的厚度在垂直于外延生长方向的平面内成非均匀分布，即厚度在该平面内变化。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层的厚度在垂直于生长方向的平面内呈非均匀分布，其厚度的变化范围为0~6nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层由AlxInyGa1-x-yN组成，所述垒层由AlpInqGa1-p-qN组成，其中0≤x<1，0<y≤1，0≤x+y<1，0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层的In组分随着阱层厚度变化而变化，当厚度增加时其In组分增加，当厚度减小时其In组分减小。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层的禁带宽度随着所述阱层的厚度变化而变化，当阱层厚度增加时其禁带宽度降低，当阱层厚度减小时其禁带宽度增加。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述垒层的禁带宽度不小于所述阱层禁带宽度的最大值。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述垒层的厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，其变化范围为1~50nm。
8.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述垒层在生长方向上的厚度最小值的点，对应在该生长方向上的前个阱层厚度最大值的点；所述垒层在生长方向上的厚度最大值的点，对应在该生长方向上的前个阱层厚度的最小值的点。
9.根据权利要求7所述的发光二极管，其特征在于：所述发光区包含多个量子阱结构，所述垒层与前一阱层的界面随着阱层的厚度变化而变化，与后一阱层的界面不随着阱层的厚度变化而变化。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述阱层厚度为0或最小值的点存在于延伸至量子阱的位错线上。
11.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述量子阱层中，部分位错线穿过阱层厚度为0的点或厚度最小值点。
12.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述述量子阱结构还包括一过渡层，其位于在所述阱层与垒层之间，厚度在垂直于生长方向的平面内成非均匀分布，变化范围为1~50nm。
13.根据权利要求12所述的发光二极管，其特征在于：所述垒层的厚度在垂直于生长方向的平面内呈均匀分布。
14.根据权利要求12所述的发光二极管，其特征在于：所述发光区包含多个量子阱结构，所述过渡层与阱层的界面随着阱层的厚度变化而变化。
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