CN104681676B - 一种发光二极管外延片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片，属于发光二极管技术领域，该外延片包括衬底、依次形成在衬底上的第一半导体层、有源层、电子阻挡层和第二半导体层，电子阻挡层包括形成在有源层上的第一子层及形成在第一子层上的P型掺杂的第二子层；第一子层包括依次设置在有源层上的u‑GaN层和Al_1‑yGa_yN层；或者，第一子层包括u‑GaN/Al_1‑yGa_yN超晶格，0<y<1；第二子层包括依次设置在第一子层上的In_xGa_1‑xN层、SiN层和Al_aIn_bGa_1‑a‑bN层；或者，第二子层包括N个由In_xGa_1‑xN层和Al_aIn_bGa_1‑a‑bN层构成的周期性结构以及M个设于In_xGa_1‑xN层和Al_aIn_bGa_1‑a‑bN层之间的SiN层，相邻设置的In_xGa_1‑xN层和Al_aIn_bGa_1‑a‑bN层之间只设有一个SiN层，N为整数，且2≤N，M为整数，且1≤M≤2N‑1，0<X＜1，0<a<1，0<a+b<1。

Description

一种发光二极管外延片

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片。

背景技术

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品，LED具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。一般LED主要由支架、银胶、芯片、金线和环氧树脂组成。其中，芯片是LED的核心组件，它是由外延片经过多道工序加工而成。因此，外延片的结构决定了LED的质量。

传统的GaN基LED外延片主要由N(Negative，带负电的)型层、InGaN/GaN有源区、P(Positive，带正电的)型层等部分组成，当电流作用于芯片的时候，N型层中的电子和P型层中的空穴被推向有源层复合，然后就会以光子的形式发出能量。电子本身具有较大的载流子迁移率，为了降低电子淤流，一般会在P型层与有源区之间加入电子阻挡层。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

LED工作时，空穴注入会受到电子阻挡层带来的高禁带的限制，同时受到电子阻挡层晶格差造成的极化电场的影响，使得空穴注入效率降低，影响了LED的发光效率。

发明内容

为了解决现有技术中电子阻挡层带来的高禁带和晶格差带来的空穴注入效率降低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述外延片包括衬底、依次形成在所述衬底上的第一半导体层、有源层、电子阻挡层和第二半导体层，所述第一半导体层包括N型GaN层，所述第二半导体层包括P型GaN层，

所述电子阻挡层包括形成在所述有源层上的第一子层及形成在所述第一子层上的P型掺杂的第二子层；

所述第一子层包括依次设置在所述有源层上的u-GaN层和Al_1-yGa_yN层；或者，所述第一子层包括u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格，0<y<1；

所述第二子层包括依次设置在所述第一子层上的In_xGa_1-xN层、SiN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层；或者，所述第二子层包括N个由In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的周期性结构以及M个设于所述In_xGa_1-xN层和所述Al_aIn_bGa_1-a-bN层之间的SiN层，相邻设置的所述In_xGa_1-xN层和所述Al_aIn_bGa_1-a-bN层之间只设有一个所述SiN层，所述N为整数，且2≤N，所述M为整数，且1≤M≤2N-1，0<X＜1，0<a<1，0<a+b<1。

在本发明实施例的一种实现方式中，当所述第一子层包括所述u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格时，所述u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格的周期为3-6。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一子层的厚度在15-25纳米之间。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一子层的Al_1-yGa_yN层中掺杂有Mg。

在本发明实施例的另一种实现方式中，当所述第一子层包括所述u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格时，靠近所述第二半导体层的Al_1-yGa_yN层中掺杂有Mg。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述N为3-5。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二子层的In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_{1-a- b}N层中掺杂有Mg。

在本发明实施例的另一种实现方式中，当所述第二子层只包括一个所述SiN层时，所述SiN层位于所述第二子层的中间位置。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述外延片还包括依次设置在所述第一半导体层和所述有源层之间的N型电流扩展层和应力释放层。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述外延片还包括依次设置在所述衬底和所述第一半导体层之间的缓冲层和u型GaN层。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

在发明实施例提供的外延片中，电子阻挡层包括u-GaN层和Al_1-yGa_yN层构成的第一子层，第一子层设置在有源层上，用于降低电子淤流；另外，电子阻挡层还包括In_xGa_1-xN层、SiN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的第二子层，第二子层设在第一子层上，且第二子层为P型掺杂层，使得电子阻挡层能带在P型层空穴注入端向下弯曲以降低空穴注入阻挡效果，同时相抵该层中的空穴激活的活化能，对空穴的二维扩展效果有明显改善，在大尺寸条件下提升发光面积，改善P型层电流注入过于集中而使得发光效率降低的现象，第二子层中的SiN层可以减弱内在极化电场，利于提升空穴均匀分布及扩展效果，提高了空穴注入效率，从而提升了LED的发光效率。

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使用的附图作简单地介绍，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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的发光二极管外延片结构示意图；

图2是本发明实施例提供有源层与第二半导体层之间的结构能带示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例

本发明实施例提供了一种LED外延片，参见图1，该外延片包括衬底10、依次形成在衬底10上的第一半导体层20、有源层30、电子阻挡层40和第二半导体层50，第一半导体层20包括N型GaN层(即N型层)，第二半导体层50包括P型GaN层(即P型层)。

电子阻挡层40包括形成在有源层30上的第一子层41及形成在第一子层41上的P型掺杂的第二子层42。

第一子层41包括依次设置在有源层30上的u-GaN层和Al_1-yGa_yN层；或者，第一子层41包括u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格，0<y<1。

第二子层42包括依次设置在第一子层41上的In_xGa_1-xN层、SiN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层；或者，第二子层42包括N个由In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的周期性结构；或者，第二子层42包括In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的周期性结构以及M个设于In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层之间的SiN层，相邻设置的In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层之间只设有一个SiN层，N为整数，且2≤N，M为整数，且1≤M≤2N-1，0<X＜1，0<a<1，0<a+b<1。

如图2所示，c即为第二子层42的一种可能的结构中的能带示意图，a和b为第一子层41的一个简单结构能带示意，由图2可以看出b的宽禁带在靠近P型层一面能带向下弯曲。

在本发明实施例中，电子阻挡层40中第一子层41用于降低电子淤流，第二子层42用于提高空穴扩展注入。具体地，P型掺杂的第二子层可以使电子阻挡层能带在P型层空穴注入端向下弯曲，降低空穴注入阻挡效果，同时相抵该层中的空穴激活的活化能，对空穴的二维扩展效果有明显改善，在大尺寸条件下提升发光面积，改善P型层电流注入过于集中而使得发光效率降低的现象，提升了发光效率。因为空穴移动是价带电子的移动，宽禁带材料构成的电子阻挡层的第一子层41呈现高电阻，不利于价带电子的移动，阻挡穿过有源层30的导带淤流电子。InN禁带宽比GaN和AlN禁带宽窄很多，铟掺入形成合金使得禁带宽度变窄，使得空穴注入段的能带向下弯曲，提升了空穴浓度；第二子层42的SiN层可以减弱内在极化电场，降低空穴注入能级禁带高度差，有利于提升空穴均匀分布及扩展效果，从而降低电子阻挡层对空穴注入的影响，从而提升LED发光效率。

优选地，当第一子层41包括u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格时，u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格的周期可以为3-6。

优选地，第一子层41的厚度可以在15-25纳米之间。其中，第一子层41中u-GaN层的厚度可以在6-15纳米之间；AlGaN层的厚度可以在9-15纳米之间。

在本发明实施例中，第一子层41的Al_1-yGa_yN层中掺杂有Mg。在第一子层41中掺杂Mg有利于有源层30中量子垒的P型化，有利于产生空穴注入通道。

进一步地，当第一子层41包括u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格时，靠近第二半导体层50的Al_1-yGa_yN层中掺杂有Mg，Mg为均匀掺杂或非均匀掺杂。具体地，可以在靠近第二半导体层50的半数周期的超晶格的Al_1-yGa_yN层中掺杂Mg，或者在最靠近第二半导体层50的若干个Al_{1- y}Ga_yN层中掺杂Mg。由于Mg如果扩散到量子阱会破坏量子阱，所以将Mg掺杂在靠近第二半导体层50的Al_1-yGa_yN层中，防止Mg扩散破坏量子阱。

优选地，前述第二子层42中由In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的周期性结构的周期数N可以为3-5。当然3-5个周期只是一个优选值，该周期可以大于或小于3-5，例如7个周期。

在本发明实施例中，第二子层42的In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层中掺杂有Mg。第二子层42的In_xGa_1-xN层中Mg为均匀掺杂或非均匀掺杂。第二子层42的Al_aIn_bGa_1-a-bN层中Mg为均匀掺杂或非均匀掺杂。在第二子层42中掺入Mg，使得SiN层界面迁移至Mg的掺杂面，局域的内构电场消弱P型层极化电场。

进一步地，第二子层42的In_xGa_1-xN层中In为均匀掺杂或非均匀掺杂。第二子层42的Al_aIn_bGa_1-a-bN层中既可以掺杂In，也可以不掺杂In，在掺杂In时，In可以为均匀掺杂或非均匀掺杂。在第二子层42中掺入In可以降低晶格差，使得空穴注入段的能带向下弯曲，提升空穴浓度。

在本发明实施例中，当第二子层42只包括一个SiN层时，SiN层位于第二子层42的中间位置。当第二子层42包括多个SiN层时，可以将多个SiN层由第二子层42的中间位置向两边排布。

在本发明实施例中，外延片还可以包括依次设置在第一半导体层20和有源层30之间的N型电流扩展层60和应力释放层70。由于N型层与有源层30的温度差异及TMIn(三甲基铟)的掺入，会使得晶格常数不匹配而产生应力，这样不利于量子阱生长，同时会使得量子阱电极化明显，降低了载流子辐射复合，通过设置应力释放层70可以解决该问题。

在本发明实施例中，外延片还可以包括依次设置在衬底10和第一半导体层20之间的缓冲层80和u型GaN层90。

本发明实施例提供的外延片可以采用MOCVD(Metal-Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法生长，以三甲基(或三乙基)镓作为镓源，高纯NH₃作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂选用硅烷，P型掺杂选用二茂镁。在蓝宝石或其它类型的衬底10上依次生长缓冲层80、u型GaN层90、第一半导体层20、N型电流扩展层60、应力释放层70、有源层30、电子阻挡层40和第二半导体层50。

在发明实施例提供的外延片中，电子阻挡层包括u-GaN层和Al_1-yGa_yN层构成的第一子层，第一子层设置在有源层上，用于降低电子淤流；另外，电子阻挡层还包括In_xGa_1-xN层、SiN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的第二子层，第二子层设在第一子层上，且第二子层为P型掺杂层，使得电子阻挡层能带在P型层空穴注入端向下弯曲以降低空穴注入阻挡效果，同时相抵该层中的空穴激活的活化能，对空穴的二维扩展效果有明显改善，在大尺寸条件下提升发光面积，改善P型层电流注入过于集中而使得发光效率降低的现象，第二子层中的SiN层可以减弱内在极化电场，利于提升空穴均匀分布及扩展效果，提高了空穴注入效率，从而提升了LED的发光效率。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片，所述外延片包括衬底、依次形成在所述衬底上的第一半导体层、有源层、电子阻挡层和第二半导体层，所述第一半导体层包括N型GaN层，所述第二半导体层包括P型GaN层，其特征在于，

所述电子阻挡层包括形成在所述有源层上的第一子层及形成在所述第一子层上的P型掺杂的第二子层；

所述第一子层包括依次设置在所述有源层上的u-GaN层和Al_1-yGa_yN层；或者，所述第一子层包括u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格，0<y<1；

所述第二子层包括依次设置在所述第一子层上的In_xGa_1-xN层、SiN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层；或者，所述第二子层包括N个由In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层构成的周期性结构以及M个设于所述In_xGa_1-xN层和所述Al_aIn_bGa_1-a-bN层之间的SiN层，相邻设置的所述In_xGa_1-xN层和所述Al_aIn_bGa_1-a-bN层之间只设有一个所述SiN层，所述N为整数，且2≤N，所述M为整数，且1≤M≤2N-1，0<X＜1，0<a<1，0<a+b<1。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，当所述第一子层包括所述u-GaN/Al_{1- y}Ga_yN超晶格时，所述u-GaN/Al_1-yGa_yN超晶格的周期为3-6。

3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层的厚度在15-25纳米之间。

4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一子层的Al_1-yGa_yN层中掺杂有Mg。

5.根据权利要求4所述的外延片，其特征在于，当所述第一子层包括所述u-GaN/Al_{1- y}Ga_yN超晶格时，靠近所述第二半导体层的Al_1-yGa_yN层中掺杂有Mg。

6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述N为3-5。

7.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第二子层的In_xGa_1-xN层和Al_aIn_bGa_1-a-bN层中掺杂有Mg。

8.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，当所述第二子层只包括一个所述SiN层时，所述SiN层位于所述第二子层的中间位置。

9.根据权利要求1-8任一项所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括依次设置在所述第一半导体层和所述有源层之间的N型电流扩展层和应力释放层。

10.根据权利要求1-8任一项所述的外延片，其特征在于，所述外延片还包括依次设置在所述衬底和所述第一半导体层之间的缓冲层和u型GaN层。