CN104300051A - 氮化物系发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物系发光二极管，依次包括：衬底、缓冲层、N型氮化物层、(InxGa1-xN/GaN)nMQW发光层和P型氮化物层，所述MQW结构InxGa1-xN阱层中插入至少一渐变InN层。本发明所述阱层中渐变InN层的插入，可以有效弱化量子阱极化场，使得量子阱的能带由倾斜变得平缓，从而增强载流子在阱层中的注入和扩散，进而增加电子和空穴复合几率，增加内量子效率，最终，提高发光二极管的发光效率并降低efficiencydroop效应，并且不会影响LED光谱半高宽、波长控制和波长稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体光电器件，具体是涉及一种氮化物系发光二极管。
背景技术
随着LED应用的越来越广泛，进一步提高发光效率和降低efficiency droop效应已势在必行。传统氮化物系发光二极管(InxGa1-xN/GaN)n MQW结构，由于极化场的存在使得量子阱的能带变得倾斜，导致电子和空穴主要集中在阱垒界面两端，二者复合几率低，严重限制着发光二极管的发光效率并且efficiency droop效应严重。中国专利文献CN103682981A提出了将阱层设计为In组分沿量子阱生长方向从低向高或从高向低连续渐变，来补偿极化场，增加空穴和电子的耦合，但是，整个阱层In组分均在变化，存在着LED光谱半高宽大、波长控制难和波长稳定性差的问题。因此，有必要发明一种新颖高效MQW结构来解决上述存在的问题，并且进一步提高发光二极管的发光效率和降低efficiency droop效应。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种新颖高效的MQW结构，在不影响LED光谱半高宽、波长控制和波长稳定性的前提下，来进一步提高发光二极管的发光效率并降低efficiency droop效应。
一种氮化物系发光二极管，依次包括：衬底、缓冲层、N型氮化物层、发光层和P型氮化物层，所述发光层为由InxGa1-xN/GaN构成的多量子阱结构（MQW），其中至少部分InxGa1-xN阱层中插入至少一渐变InN层。
所述MQW发光层的周期个数n：2~100，优选5~10；所述InxGa1-xN阱层膜厚d1为1~10 nm，In组分x：0＜x＜1，优选0.1~0.5；所述GaN垒层可以为非掺或掺杂。
所述插入InN层的InxGa1-xN阱层的层数可以为MQW的全部阱层或部分阱层。
所述在InxGa1-xN阱层中插入InN层的层数可调节，层数优选1~2层。
所述InN层的In组分要求小于等于InxGa1-xN阱层中In组分，并且沿生长方向呈降低趋势，由x 渐变到y，0≤y＜x＜1，y优选0~0.2，降低趋势可以为线性降低趋势或非线性降低趋势。
所述InN层的厚度要求小于InxGa1-xN阱层厚度d1，优选0.1~1 nm。
所述InN层在InxGa1-xN阱层中的位置可调节，InN层位置距阱层前端距离为d2，要求：0＜d2＜d1，优选d1/2≤d2＜d1 。
本发明所述之氮化物系发光二极管，与传统氮化物系发光二极管MQW结构(InxGa1-xN/GaN)n相比，具有以下有益效果：
（1）采用本发明所述MQW结构阱层中渐变InN层的插入，可以有效弱化量子阱极化场，使得量子阱的能带由倾斜变得平缓，从而增强载流子在阱层中的注入和扩散，进而增加电子和空穴复合几率，增加内量子效率，最终，提高发光二极管的发光效率并降低efficiency droop效应；
（2）本发明所述MQW结构阱层中插入的渐变InN层不会影响LED光谱半高宽、波长控制和波长稳定性；
（3）本发明所述MQW结构阱层中插入的渐变InN层调节形式多样，对发光二极管发光效率的提升和efficiency droop效应的降低的优化空间大。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明实施例提供的氮化物系发光二极管的剖面示意图。
图2为本发明实施例提供的氮化物系发光二极管的MQW结构的剖面示意图。
图3为本发明实施例提供的MQW结构的一种渐变形式的控制示意图。
图4为本发明实施例提供的MQW结构的另一种渐变形式的控制示意图。
图5为本发明实施例提供的MQW结构的再一种渐变形式的控制示意图。
图中标示：
100：衬底；101：缓冲层；102：N型GaN层；103：MQW发光层；103a：InxGa1-xN阱层；103b：InN层；103c：GaN垒层；104：P型GaN层；105：N电极；106：P电极；107：绝缘保护层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的氮化物系发光二极管的优选实施例进行更详细的描述。
如图1所示，一种氮化物系发光二极管，从下至上依次包括：
（1）一衬底100，所述衬底选用蓝宝石（Al2O3）、SiC、Si或GaN，本实施例优选蓝宝石衬底；
（2）一缓冲层101，所述缓冲层生长在经过高温化处理的衬底100之上，为氮化镓(GaN)和/或氮化铝（AlN）层，生长温度为400~600℃，膜厚为5nm~50 nm；
（3）一N型GaN层102，所述N型GaN层生长在缓冲层101之上，生长温度为1000~1200℃，膜厚为100 nm~1000 nm，掺杂浓度为1×1018~1×1020 cm-3，优选1×1019 cm-3，掺杂源优选SiH4；
（4）一(InxGa1-xN/GaN)n MQW发光层103，该(InxGa1-xN/GaN)n MQW发光层生长在N型GaN层102之上，生长温度为700~900 ℃。其中(InxGa1-xN/GaN)n MQW发光层103由周期性阱层103a与垒层103b交替堆叠而成，周期个数n：2~100，优选5~10；InxGa1-xN阱层103a的膜厚d1为1nm~10nm，In组分0＜x＜1，优选0.1~0.5；GaN层垒层103c的膜厚为5 nm~30 nm，可以为非掺或掺杂。In源采用TMIn， Ga源采用TMGa或TEGa，N源采用NH3。
（5）一P型GaN层104，所述P型GaN层生长在MQW发光层103之上, 生长温度为900~1000℃，膜厚为50nm~300nm，掺杂浓度为1×1019~1×1021cm-3，优选1×1020 cm-3，掺杂源优选CP2Mg；
（6）一N电极105，所述N电极制作在通过蚀刻工艺暴露出的部分N型GaN层102之上；
（7）一P电极106，所述P电极制作在P型GaN层104之上；
（8）一绝缘保护层107，所述绝缘保护层制作在裸露发光二极管的表面，用于保护发光二极管。
请参看附图2，在本实施例的多量子阱结构中全部阱层或部分阱层中插入至少一渐变InN层103b，该InN层103b的In组分要求小于等于InxGa1-xN阱层103a中In组分，并且沿生长方向呈降低趋势，由x 渐变到y，0≤y＜x＜1，y优选0~0.2，降低趋势可以为线性降低趋势或非线性降低趋势。图3~图5显示了量子阱的三种生长方式，其中，图3为InN层中In组分呈线性降低趋势，图4和图5为InN层中In组分呈非线性降低趋势。在InxGa1-xN阱层103a中插入InN层103b的层数可调节，层数优选1~2层；厚度要求小于InxGa1-xN阱层103a的厚度，优选0.1~1 nm。InN层103b在InxGa1-xN阱层103a中的位置可调节，InN层位置距阱层前端距离为d2,，要求：0＜d2＜d1，优选d1/2≤d2＜d1。
以上所制备的氮化物系发光二极管，采用在所述MQW结构阱层中插入至少一渐变InN层，可以有效弱化量子阱极化场，使得量子阱的能带由倾斜变得平缓，从而增强载流子在阱层中的注入和扩散，进而增加电子和空穴复合几率，增加内量子效率，最终，提高发光二极管的发光效率并降低efficiency droop效应，并且不会影响LED光谱半高宽、波长控制和波长稳定性。此外，本发明MQW结构阱层中插入的渐变InN层调节形式多样，对于发光二极管发光效率提升和efficiency droop效应降低的可优化空间大。
以上表示了本发明的优选实施例，应该理解的是，本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，以上描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1. 一种氮化物系发光二极管，依次包括：衬底、缓冲层、N型氮化物层、发光层和P型氮化物层，其特征在于：所述发光层为由InxGa1-xN/GaN构成的多量子阱结构（MQW），其中至少部分InxGa1-xN阱层中插入至少一渐变InN层。
2. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述InxGa1-xN阱层中In组分为0.1~0.5。
3. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述插入InN层的InxGa1-xN阱层的层数为MQW的全部阱层或部分阱层。
4. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述在InxGa1-xN阱层中插入InN层的层数为1~2。
5. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述InN层的In组分小于等于InxGa1-xN阱层中In组分，并且沿生长方向呈降低趋势。
6. 根据权利要求5所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述InN层的In组分由x 渐变到y，0≤y＜x＜1。
7. 根据权利要求6所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：0≤y≤0.2。
8. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述InN层的厚度小于InxGa1-xN阱层厚度。
9. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述InN层的厚度为0.1~1 nm。
10. 根据权利要求1所述的氮化物系发光二极管，其特征在于：所述InN层在InxGa1-xN阱层中的位置距阱层前端距离d2与InxGa1-xN阱层厚度d1的关系为：d1/2≤d2＜d1。
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