CN104319322A - 一种发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管，至少包括N型层、发光层和P型层，所述发光层为垒层、第一过渡层、阱层、第二过渡层的多量子阱周期结构，其中垒层、第一过渡层和第二过渡层中至少插入两个非均匀厚度的AlN薄层。本发明采用AlN薄层与垒层、第一过渡层、第二过渡层形成的交叠结构，可以有效调制量子阱区的极化场，减少阱垒层之间的极化电荷，减弱能带倾斜，提高载流子在量子阱区的辐射复合效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，更详细地说，是涉及Ⅲ族氮化物的多量子阱周期结构的发光二极管。
发明背景
发光二极管具有电光转换效率高、使用寿命长、环保、节能等优点，已被公认为第三代照明光源。GaN基外延片是LED的核心组成部分，决定着LED产品的性能。发光效率已成为影响发光二极管性能的瓶颈，影响产品的用途拓展。因此减少阱垒层之间的极化电荷，减弱能带倾斜，提高器件的发光效率已经成为目前的技术研究热点。
中国专利CN201110258718《一种提高发光二极管发光效率的方法》通过生长不同厚度的垒层，通过加厚靠近N型层的垒层厚度，降低靠近P型层的垒层厚度，提高电子空穴的复合效率从而提高发光效率。该方案所述的结构对于发光效率提升幅度有限。因此需要提供一种可以进一步减少阱垒界面极化电荷、提高发光效率的技术方案。
发明内容
本发明提供的主要技术方案为：一种发光二极管，从下至上依次包括衬底、缓冲层、N型层、应力释放层、发光层、P型层和P型接触层。
所述发光层为垒层、第一过渡层、阱层、第二过渡层的多量子阱周期结构，其中至少一个垒层、第一过渡层、第二过渡层包含至少两个非均匀厚度的AlN薄层。
在本发明的一些实施例中，所述垒层、第一过渡层和第二过渡层中的任意一层至少插入两个AlN薄层。
在本发明的一些实施例中，所述垒层、第一过渡层和第二过渡层中的至少有两层各至少插入一个AlN薄层。
在本发明的一些实施例中，所述垒层、第一过渡层和第二过渡层中的每层各至少插入一个AlN薄层。
所述AlN薄层的厚度变化沿生长方向可以为线性变化或非线性变化，其在垒层、第一过渡层、第二过渡层中厚度沿着生长方向逐渐变化，可以逐渐减小，也可以逐渐增大，或者先增大后减小，或者先减小后增大。
所述AlN薄层的厚度在0.1nm~6nm范围内波动，层数优选2~10层。
所述发光层的所有多量子阱周期结构均插入AlN薄层或者仅部分多量子阱周期结构插入AlN薄层。
进一步地，所述AlN薄层的层数可以为发光层的全部垒层及其第一过渡层、第二过渡层或部分垒层及其第一过渡层、第二过渡层。
所述AlN薄层的掺杂水平介于1×1016cm-3~1×1019cm-3之间，位于垒层中的AlN薄层掺杂浓度不低于垒层的掺杂，第一过渡层和第二过渡层中的掺杂浓度不高于垒层的掺杂浓度。
所述发光层的多量子阱结构的周期个数n：2~100，优选5~15。
所述多量子阱结构的垒层由AlxInyGa1-x-yN组成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1。所述垒层的厚度可以变化也可以保持不变。
所述多量子阱结构的阱层由AlpInqGa1-p-qN组成，其中0≤p≤1，0<q≤1，0≤p+q≤1，其生长温度不大于垒层的生长温度，所述量子阱层的In组分应不小于垒层中的In组分，其禁带宽度的最大值不大于垒层材料的禁带宽度。
所述多量子阱结构的第一过渡层由AlaInbGa1-a-bN组成，其中0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1，其禁带宽度的最大值不大于垒层材料的禁带宽度，最小值不小于阱层材料的禁带宽度。
所述多量子阱结构的第二过渡层由AlcIndGa1-c-dN组成，其中0≤c≤1，0≤d≤1，0≤c+d≤1，其禁带宽度的最大值不大于垒层材料的禁带宽度，最小值不小于阱层材料的禁带宽度。第二过渡层的材料与第一过渡层可以相同，也可以不同。
本发明所述的发光二极管，具有以下有益效果：
（1）本发明提供的非均匀厚度的AlN薄层与垒层、第一过渡层、第二过渡层形成的交叠结构，可以有效调制量子阱区的极化场，减少阱垒层之间的极化电荷，减弱能带倾斜，提高载流子在量子阱区的辐射复合效率。
（2）AlN薄层与垒层、第一过渡层、第二过渡层形成的异质结界面内可高浓度二维电子气，可使得电流分布更为均匀，从而提高发光二极管的可靠性和抗静电能力。
（3）本发明采用的AlN薄层的厚度、层数及掺杂浓度可调节，对于不同波段的发光二极管发光效率的提升可优化空间大。
附图说明
附图用来说明对本发明的进一步理解，并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。附图数据是描述概要，不是按比例绘制。提供这些实施例是为了使所公开的内容更完整地向本专业的技术人员充分诠释本发明的范围。同时，本发明可以由许多不同形式体现，不应认为仅限于此文提出的实施例。
图1为本发明实施例提供的发光二极管的剖面示意图。
图2为本发明实施例提供的发光二极管的多量子阱结构的剖面示意图。
图3为本发明实施例提供的多量子阱结构的第一种形式的控制示意图。
图4为本发明实施例提供的多量子阱结构的第二种形式的控制示意图。
图5为本发明实施例提供的多量子阱结构的第三种形式的控制示意图。
图6为本发明实施例提供的多量子阱结构的第四种形式的控制示意图。
图中标示：100：衬底；101：缓冲层；102：N型GaN层；103：应力释放层；104：MQW发光层；104a：AlxInyGa1-x-yN垒层；104b: AlaInbGa1-a-bN第一过渡层；104c：AlpInqGa1-p-qN阱层；104d：AlcIndGa1-c-dN第二过渡层；104an，104bn，104dn：AlN薄层；105：P型层；106：P型接触层；107：N电极；108：P电极；109：绝缘保护层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的非均匀厚度AlN薄层的多量子阱结构发光二极管的优选实施例进行更详细的描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种非均匀厚度AlN薄层的多量子阱结构发光二极管，从下至上依次包括：
（1）一衬底100，所述衬底选用蓝宝石（Al2O3）、SiC、GaN或Si，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氢化处理的衬底100之上，为氮化镓（GaN）和/或氮化铝（AlN）和/或氮化铝镓（GaAlN）层，生长温度为400~650℃，厚度为1 nm~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℃，厚度为500nm~5000nm，掺杂浓度为1×1018~1×1020cm-3，优选1×1019cm-3，掺杂源优选SiH4。
（4）一应力释放层103，所述应力释放层位于N型GaN层102之上，材料优选InGaN/GaN层，生长温度为700~1000℃，厚度为10~500nm。
（5）一(AlxInyGa1-x-yN/AlpInqGa1-p-qN)n多量子阱（MQW）结构发光层104，所述多量子阱结构发光层生长在应力释放层103之上，生长温度为700~900℃。所述多量子阱结构发光层104由周期性的垒层104a/第一过渡层104b/阱层104c/第二过渡层/104c交替堆叠而成，如图2所示，周期个数n：2~100，优选5~15。
其中所述垒层104a的厚度为5nm~30nm，所述第一过渡层104b的厚度为0.5nm~10nm，所述阱层104c的厚度为1nm~10nm，所述第二过渡层104d的厚度为0.5nm~10nm。
所述发光层为垒层、第一过渡层、阱层、第二过渡层的多量子阱周期结构，如图3所示，在垒层中插入两个非均匀厚度的AlN薄层，所述AlN薄层在垒层中的厚度沿着生长方向可以逐渐减小，也可以逐渐增大，或者先增大后减小，或者先减小后增大。优选的，所述AlN薄层，在垒层中的厚度沿着生长方向逐渐减小。所述垒层中AlN薄层104an的厚度为0.1nm~6nm，层数优选2-10层。
所述第一过渡层中AlN薄层104bn的厚度为0.1nm~6nm，层数优选2-10层。
所述第二过渡层中AlN薄层104dn的厚度为0.1nm~6nm，层数优选2-10层。
所述AlN薄层的插入位置可以位于发光层的全部垒层或部分垒层中。
所述AlN薄层厚度的变化沿生长方向可以为线性变化或非线性变化。
所述垒层中AlN薄层掺杂水平介于1×1016~1×1019 cm-3之间，掺杂浓度不低于垒层的掺杂，第一过渡层和第二过渡层中的AlN薄层掺杂浓度不高于垒层的掺杂浓度，掺杂源优选SiH4。
所述分别在垒层104a、第一过渡层104b、第二过渡层104d中的AlN薄层104an、104bn、104dn的插入位置可调节。
（6）一P型GaN层105，所述P型GaN层生长在MQW发光层103之上, 生长温度为800~1000℃，厚度为10nm~300nm，掺杂浓度为1×1019~1×1021cm-3，优选1×1020cm-3，掺杂源优选CP2Mg。
（7）一P型接触层106，所述P型GaN层生长在P型GaN层105之上, 生长温度为800~1000℃，厚度为1nm~30nm，掺杂浓度为1×1019~1×1022cm-3，优选5×1020cm-3，掺杂源优选CP2Mg。
（8）一N电极107，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。
（9）一P电极108，所述P电极制作在P型接触层106之上。
（10）一绝缘保护层109，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。
实施例2
与实施例1不同的是步骤（5），如图4所示，在垒层、第一过渡层中各插入一个非均匀厚度的AlN薄层所述AlN薄层，在垒层、第一过渡层中的厚度沿着生长方向逐渐减小。
实施例3
与实施例1不同的是步骤（5），如图5所示，在垒层、第一过渡层、第二过渡层中各插入一个非均匀厚度的AlN薄层。所述AlN薄层，在垒层、第一过渡层、第二过渡层中的厚度沿着生长方向逐渐减小。
实施例4
与实施例1不同的是步骤（5），如图6所示，在垒层、第一过渡层、第二过渡层中各插入两个非均匀厚度的AlN薄层。所述AlN薄层，在垒层中厚度沿着生长方向逐渐减小，在第一过渡层中厚度沿着生长方向逐渐减小，在第二过渡层中厚度沿着生长方向逐渐增大。
以上多量子阱结构发光二极管，采用非均匀厚度的AlN薄层与垒层、第一过渡层、第二过渡层形成的交叠结构，可以有效调制量子阱区的极化场，减少阱垒层层之间的极化电荷，减弱能带倾斜，提高载流子在量子阱区的辐射复合效率，从而提高发光效率。同时，AlN薄层与垒层、第一过渡层、第二过渡层形成的异质结界面内可高浓度二维电子气，可使得电流分布更为均匀，从而提高发光二极管的可靠性和抗静电能力。此外，本发明采用的AlN薄层的厚度、层数及掺杂浓度可调节，对于不同波段的发光二极管发光效率的提升可优化空间大。
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)
1.一种发光二极管，至少包括N型层、发光层和P型层，其特征在于：所述发光层为垒层、第一过渡层、阱层和第二过渡层组成的多量子阱周期结构，其中垒层、第一过渡层和第二过渡层中至少插入两个非均匀厚度的AlN薄层。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述垒层、第一过渡层和第二过渡层中的任意一层至少插入两个AlN薄层。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述垒层、第一过渡层和第二过渡层中的至少有两层各至少插入一个AlN薄层。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述垒层、第一过渡层和第二过渡层中的每层各至少插入一个AlN薄层。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述发光层的所有多量子阱周期结构均插入AlN薄层或者仅部分多量子阱周期结构插入AlN薄层。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述AlN薄层厚度为0.1nm~6nm，层数为2~10层。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述AlN薄层厚度沿着生长方向呈线性变化或非线性变化，变化趋势为逐渐减小或者逐渐增大，或者先增大后减小，或者先减小后增大。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述AlN薄层的掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1019cm-3。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述垒层AlxInyGa1-x-yN组成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，所述阱层AlpInqGa1-p-qN组成，其中0≤p≤1，0≤q≤1，0≤p+q≤1。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一过渡层由AlaInbGa1-a-bN组成，其中0≤a≤1，0≤b≤1，0≤a+b≤1，其禁带宽度的最大值不大于垒层材料的禁带宽度，最小值不小于阱层材料的禁带宽度，所述第二过渡层由AlcIndGa1-c-dN组成，其中0≤c≤1，0≤d≤1，0≤c+d≤1，其禁带宽度的最大值不大于垒层材料的禁带宽度，最小值不小于阱层材料的禁带宽度。
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