CN107180898A - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有空穴存储层结构的发光二极管；包括：第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，其特征在于：所述第二类型导体层中含有空穴存储层，所述空穴存储层形成极化电场，并且电场的方向指向有源层。在一些实施例中，空穴存储层位于P型层之内，并且其能带宽度呈台阶式变化，可以大幅度提升了P型层内空穴的浓度，能有效提升量子阱内的复合发光效率，提升器件的光电性能。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及氮化镓半导体器件外延领域，尤其涉及带有空穴存储结构的发光二极管。
背景技术
氮化物材料体系材料因其带隙覆盖整个可见光范围，用其制备的发光二极管等光电器件，被广泛应用于固态显示、照明和信号灯等领域。因为氮化物材料具有无毒、亮度高、工作电压低、易小型化等诸多优点，使用氮化镓基发光二极作为光源替代传统光源已成为不可逆转的趋势。然而要实现更高发光效率的氮化物发光器件，需要解决的关键之一是如何提高空穴的浓度以及复合效率。
发明内容
本发明的目的是：提供一种空穴存储结构，其可应用于氮化镓基发光二极管，提升P型层内的空穴浓度以及电子空穴复合效率。
本发明的技术方案为：一种带有空穴存储结构的发光二极管：第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，所述第二类型半导体层中含有空穴存储层，所述空穴存储层形成极化电场，并且电场的方向指向有源层。
优选地，所述发光二极管还包含电子阻挡层，其位于所述空穴存储层与有源层之间或者位于有源层与第二类型半导体层。
优选地，所述空穴存储层之越靠近有源层区域，其对应极化电场强度越强。
优选地，所述空穴存储层为超晶格结构，包含垒层和阱层，所述超晶格结构中由于垒层与阱层之间的极化性能形成反向极化电场。
优选地，所述超晶格结构中，单个垒层的厚度≤1nm。
优选地，所述空穴存储层由极化材料构成。
在一些实施例中，所述超晶格结构的垒层能级沿远离有源层的方向呈现台阶式由高到低变化。
在一些实施例中，所述超晶格结构的阱层能级沿远离有源层的方向呈现台阶式由低到高变化。
优选地，第二类型半导体层内的极化场强度大小关系为：能级台阶渐变处> 能级台阶稳定处>非空穴存储层处。
优选地，在所述空穴存储层的能级台阶变化的界面处形成附加极化场。
优选地，第二类型半导体层内的极化场强度大小关系为：能级台阶渐变处> 能级台阶稳定处>非空穴存储层处。
优选地，所述超晶格层的对数≥6对，垒层能级变化的台阶数≥2，每级台阶中超晶格层数>2层。在本发明中，每级台阶的超晶格对数过少时较容易出现空穴溢出现象，较难达到存储空穴的目的，同时台阶数量太少时则空穴存储的效果不明显，因此垒层能级变化的台阶数以3阶以上为尤佳。
优选地，所述空穴存储层内出现的空穴峰值数量与空穴存储层内的能级台阶数一致，并且空穴峰值的位置出现在能级台阶渐变位置处。
在一些实施例中，所述空穴存储层为AlGaN/GaN超晶格结构，其靠近有源层一侧的AlGaN层之Al组分范围为20%~100%，依次每级台阶Al组分下降5%~20%。较佳的，所述AlGaN/GaN超晶格结构中，靠近有源层一侧的AlGaN层的Al组分为25%~100%；中间部分的AlGaN层的Al组分为15%~90%，远离有源层一侧的AlGaN层的Al组分为5%~80%。
在一些实施例中，所述空穴存储层由GaN/InGaN超晶格构成，其中靠近有源层一侧的InGaN中的In组分最高（10~15%），中间部分的InGaN中的In组分居中（5%~10%），远离有源层一侧的In组分最高（0~5%），在远离有源层方向每级台阶中In组分下降>5%。
在一些实施例中，所述空穴存储层由AlGaN/InGaN超晶格构成，其靠近有源层一侧的AlGaN层之Al组分范围为20%~100%，依次每级台阶Al组分下降5%~20%。较佳的，所述AlGaN/GaN超晶格结构中，靠近有源层一侧的AlGaN层的Al组分为25%~100%；中间部分的AlGaN层的Al组分为15%~90%，远离有源层一侧的AlGaN层的Al组分为5%~80%。在一些实施例中，所述第二类型半导体层依次包含电子阻挡层、空穴存储层和p型氮化镓层。优选地：所述空穴存储层包括AlGaN/GaN或者GaN/InGaN超晶格结构。
在一些实施例中，所述发光二极管依次包括n型半导体层、有源层和p型半导体层，所述空穴存储层位于P型层之内，并且其能带宽度呈台阶式变化，可以大幅度提升了P型层内空穴的浓度，能有效提升量子阱内的复合发光效率，提升器件的光电性能。
本发明至少具有以下有益效果：所述空穴存储层中形成反向极化电场，并且在能带台阶渐变处形成更强的极化内建场，由于空穴存储层内的反向极化场的作用使得P型内的空穴会被加速注入到有源层内，同时由于空穴存储层内存有能带变化的台阶（注：此台阶在未加外加电场时便存在），在台阶处的附加极化电场会进一步起到空穴存储的作用。
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是根据本发明实施的一种带有空穴存储层结构的发光二极管LED结构图。
图2为图1示的GaN基LED结构的局部能带结构示意图。
图3为图1示的GaN基LED结构的局部极化场强分布示意图。
图4为图1示的GaN基LED结构的局部电子以及空穴浓度分布示意图。
图5是实施例2所述GaN基LED结构的局部能带结构示意图。
图6是实施例3所述GaN基LED结构的局部能带结构示意图。
图7是实施例4所述GaN基LED结构的局部能带结构示意图。
图8是实施例5所述GaN基LED结构的局部能带结构示意图。
具体实施方式
为使本发明之一种带有空穴存储层结构的发光二极管的制备方法更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
实施例1
请参看图1，一种带有空穴存储层结构的发光二极管，其结构由下至上依次包括：
（1）衬底001；
（2）位于衬底上的缓冲层100；
（3）位于缓冲层上的N型层200，用以提供发光用的电子；
（4）位于N型层上的MQW层300，电子和空穴复合发光的主要区域；
（5）位于MQW层上的P型层400，用以提供发光用的空穴；
（6）位于MQW层与P型层之间的电子阻挡层500，用以阻挡200内的电子过冲；
（7）电子存储层600位于P型GaN层之内，包含三种；
（8）第一电子存储层601;
（9）第二电子存储层602；
（10）第三电子存储层603；
（8）P/N电极700。
图2为图1示的GaN基LED结构的局部能带结构示意图：
其中，空穴存储层600位于P-GaN层400内，空穴存储层由AlGaN/GaN超晶格构成，其中AlGaN为垒层，厚度低于1nm为佳，可取~0.8nm，GaN为阱层，厚度~2nm，其中阱层GaN内进行轻微的Mg掺杂，掺杂浓度为0~1017cm-3, 此轻掺杂目的为避免空穴存储层与P型GaN层之间形成pn结。空穴存储层600之内的台阶状能带结构特征为：能级沿量子阱发光层至远离量子阱发光层方向呈现台阶式由高到低变化，其中能级变化的台阶数≥3，每级台阶中超晶格对数>2。
本实施例中，空穴存储层600的能带呈现台阶式变化：靠近MQW层300一侧的601能带宽度最高，其垒层的Al组分为：25%；其次602能带宽度居中间，其垒层的Al组分为15%；最后603能带宽度最低，其垒层的Al组分范围为：5%；其中601、602、603各包含8对超晶格结构。
图3为图1示的GaN基LED结构的局部极化场分布示意图。
其中，由于空穴存储层600的能级分为三级台阶状，能级分布：601>602>603，空穴存储层内的Al组分分布为601>602>603：因此反向极化场的强度为：601>602>603。其中：601，602，603与P-GaN层之间的极化场强度差值分别为：-0.5MV/cm，-0.25MV/cm，-0.05MV/cm；空穴存储层内界面处的极化场强度差值分别为：-0.25MV/cm，-0.20MV/cm，-0.05MV/cm。
进一步地：由于在601/602、602/603、603/P-GaN的界面处会出现更强的反向极化场。而反向极化场的存在会对处于其中的空穴具有加速的作用，使得空穴获得更多的能量。因此空穴更容易由P-GaN向MQW方向迁移。同时由于空穴存储层为AlGaN/GaN超晶格结构，GaN层相比于AlGaN层势垒较低，因此被极化场加速的空穴会更倾向于聚集在GaN层内，因此空穴存储层便起到了存储空穴的作用，同时由于垒层的厚度<1nm，当空穴的浓度达到一定程度时会发生隧穿效应，避免了垒层对空穴的阻挡作用。
图4为图1示的GaN基LED结构的局部电子和空穴浓度分布示意图：
其中：处于P-GaN内的空穴存储层的空穴浓度出现三个浓度峰值，其浓度>1E18cm-3明显高于P-GaN内空穴浓度0.5~10倍。并且三个空穴浓度峰值出现的位置为空穴存储层内601/602、602/603、603/P-GaN的界面处。
实施例2
本实施例区别于实施例1在于：空穴存储层由GaN/InGaN超晶格构成，其中靠近有源层一侧的InGaN中的In组分最高（10%~15%），中间部分的InGaN中的In组分居中（5%~10%），远离有源层一侧的In组分最低（0%~5%），在远离有源层方向每级台阶中In组分下降>5%。
图5为实施例2局部能带图。该实施例中利用GaN/InGaN超晶格结构能级台阶式渐变产生的极化效应实现对空穴的加速，以及完成空穴存储的效果，并且由于该结构中不含高阻层AlGaN，相比于实施例1，其器件的开启电压会更有优势。
实施例3
本实施例区别与实施例1在于：空穴存储层由AlGaN/InGaN超晶格构成，其中靠近有源层一侧的InGaN中的In组分最高（10%~15%），中间部分的InGaN中的In组分居中（5%~10%），远离有源层一侧的In组分最低（0%~5%），在远离有源层方向每级台阶中In组分下降>5%。 并且靠近MQW层300一侧的601垒层的Al组分为：25%；其次602垒层的Al组分为15%；最后603垒层的Al组分范围为：5%。
图6为实施例3局部能带图。该实施例采用了AlGaN/InGaN超晶格结构能级台阶式变化产生极化场。由于不同材料之间产生的极化场强度大小关系为：AlGaN/InGaN> AlGaN/GaN=GaN/InGaN，所以该实施例中的空穴存储效果更强，效果更佳。
实施例4
本实施例区别于实施例1在于：空穴存储层由AlGaN/GaN超晶格构成，空穴存储层600之内的台阶状能带结构特征为：能级沿量子阱发光层至远离量子阱发光层方向呈现台阶式由高到低变化，其中能级变化的台阶数为4，每级台阶中超晶格对数为4对。靠近MQW层300一侧的601垒层的Al组分为：35%；其次602垒层的Al组分为25%；再次603垒层的Al组分为15%；最后604垒层的Al组分范围为：5%。
图7为实施例4局部能带图。该实施例中空穴存储层具有4级台阶，对应于空穴浓度分布会产生4个浓度峰值，因此该实施例中空穴存储层中的空穴浓度较实施例1会进一步提升，空穴存储效果更佳。此实施例中每级台阶中超晶格对数为4对，超晶格对数越多，处于其中的空穴受到极化场加速的时间越长，空穴获得的能量越大，但是带来的工艺成本会增加。
实施例5
本实施例区别于实施例1在于：空穴存储层由AlGaN/GaN超晶格构成，空穴存储层600之内的台阶状能带结构特征为：能级沿量子阱发光层至远离量子阱发光层方向呈现台阶式由高到低变化，其中能级变化的台阶数为2，每级台阶中超晶格对数为8对。靠近MQW层300一侧的601垒层的Al组分为：50%；602垒层的Al组分范围为：5%。
图8为实施例5局部能带图。该实施例中空穴存储层能级具有两级台阶，但是由于这两级台阶之间的Al组分差异>45%，所以在能级台阶渐变的界面处会产生非常强的附加极化场，因此会在界面处产生一个较强的空穴浓度峰值（空穴浓度>5E19cm-3），同样会起到空穴存储的效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (18)

1.发光二极管，包括：第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，其特征在于：所述第二类型半导体层中含有空穴存储层，所述空穴存储层内形成极化电场，并且电场的方向指向有源层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层之越靠近有源层区域，其对应极化电场强度越强。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层为超晶格结构，包含垒层和阱层，所述超晶格结构中由于垒层与阱层之间的极化性能形成反向极化电场。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格结构的垒层能级沿远离有源层的方向呈现台阶式由高到低变化。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格结构的阱层能级沿远离有源层的方向呈现台阶式由低到高变化。
6.根据权利要求4或5所述的发光二极管，其特征在于：在所述空穴存储层的能级台阶变化的界面处形成附加极化场。
7.根据权利要求4或5所述的发光二极管，其特征在于：第二类型半导体层内的极化场强度大小关系为：能级台阶渐变处> 能级台阶稳定处>非空穴存储层处。
8.根据权利要求4或5所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格层的对数≥6对，能级变化的台阶数≥2，每级台阶中超晶格对数>2。
9.根据权利要求4或5所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层内出现的空穴峰值数量与空穴存储层内的能级台阶数一致，并且空穴峰值的位置出现在能级台阶渐变位置处。
10.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层为AlGaN/GaN超晶格结构，其靠近有源层一侧的AlGaN层之Al组分范围为20%~100%，依次每级台阶Al组分下降5%~20%。
11.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于：所述AlGaN/GaN超晶格结构中，靠近有源层一侧的AlGaN层的Al组分为25%~100%；中间部分的AlGaN层的Al组分为15%~90%，远离有源层一侧的AlGaN层的Al组分为5%~80%。
12.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层由AlGaN/InGaN超晶格构成，其中靠近有源层一侧的AlGaN层之Al组分范围为20%~100%，依次每级台阶Al组分下降5%~20%。
13.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层由AlGaN/InGaN超晶格构成，其中靠近有源层一侧的AlGaN层的Al组分为25%~100%；中间部分的AlGaN层的Al组分为15%~90%，远离有源层一侧的AlGaN层的Al组分为5%~80%。
14.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层由GaN/InGaN超晶格构成，在远离有源层方向上每级台阶中InGaN层的In组分下降>5%。
15.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层由GaN/InGaN超晶格构成，其中靠近有源层一侧的InGaN层的In组分为10%~15%，中间部分的InGaN层的In组分为5%~10%，远离有源层一侧的InGaN层的In组分为0%~5%。
16.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格结构中，单个垒层的厚度≤1nm。
17.根据权利要求１所述的发光二极管，其特征在于：所述空穴存储层由极化材料构成。
18.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二类型半导体层包含电子阻挡层、空穴存储层和p型氮化镓层。
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