CN107369749B - 发光二极管的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管的外延结构，属于半导体器件外延技术领域。方法包括：N型层、发光层及P型层；发光层位于N型层与P型层之间，发光层覆盖N型层，P型层覆盖发光层；发光层至P型层的方向为P型层的势垒的生长方向，P型层的势垒沿生长方向逐渐递减。通过让P型层的势垒沿外延生长方向逐渐递减，使得P型层至发光层方向上的势垒逐渐增加，从而有利于更多的空穴进入到发光层，降低了对空穴的阻挡作用，进而能够有效提高发光层中空穴的浓度。另外，通过让P型层的势垒沿外延生长方向逐渐递减，使得靠近发光层的势垒最高，从而能有效阻挡电子溢流，进而可提高发光二极管的内量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件外延技术领域，更具体地，涉及一种发光二极管的外延结构。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种半导体固体发光器件，其主要利用半导体P-N结作为发光结构。近年来，以氮化镓为代表的半导体发光二极管，因具有禁带宽度大、高电子饱和电子漂移速度、耐高温、大功率容量等优良特性，从而受到了人们的广泛关注和大力研究，并在近几年来取得了突破性的进展。与此同时，作为氮化镓的三元合金铟氮化稼，其带隙从0.7ev到3.4ev连续可调，发光波长覆盖了可见光和紫外线的整个区域，从而新兴的光电产业中具有广大的应用前景。
在相关技术中，GaN基发光二极管的外延结构主要包括N型层、P型层和MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)结构的发光层。其中，MQW结构的发光层多为InGaN/GaN，主要是对载流子起限制作用。载流子可以包括N型层中的电子和P型层中的空穴。当正向电流通过时，N型层中的电子和P型层中的空穴在被限制在发光层中复合发光。为了提高发光二极管的发光亮度，通常可提高载流子的注入效率。具体地，可通过提高空穴的注入量或降低电子的溢流量来提高载流子的注入效率。对于N型层，目前主要采用电子阻挡层来降低N型层中电子的溢流量。对于P型层，通常将Mg作为P型层的受主杂质注入空穴。
在实现本发明的过程中，发现相关技术至少存在以下问题：
由于Mg作为P型层的受主杂质在注入空穴时，注入的空穴浓度会受到受主杂质固溶度以及高受主激活能的限制，从而不能有效提高空穴浓度。
发明内容
由于Mg作为P型层的受主杂质在注入空穴时，注入的空穴浓度会受到受主杂质固溶度以及高受主激活能的限制，从而不能有效提高空穴浓度。为了解决上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的发光二极管的外延结构。
本发明提供了一种发光二极管的外延结构，包括：
N型层、发光层及P型层；发光层位于N型层与P型层之间，发光层覆盖N型层，P型层覆盖发光层；发光层至P型层的方向为P型层的势垒的生长方向，P型层的势垒沿生长方向逐渐递减。
本发明提供的外延结构，通过让P型层的势垒沿外延生长方向逐渐递减，使得P型层至发光层方向上的势垒逐渐增加，从而有利于更多的空穴进入到发光层，降低了对空穴的阻挡作用，进而能够有效提高发光层中空穴的浓度。
另外，通过让P型层的势垒沿外延生长方向逐渐递减，使得靠近发光层的势垒最高，从而能有效阻挡电子溢流，进而可提高发光二极管的内量子效率。
可选地，发光层的数量为至少一层，所有发光层依次覆盖N型层。
可选地，P型层的势垒沿生长方向逐渐递减至第一预设阈值后维持不变。
可选地，外延结构还包括高温缓冲层，N型层覆盖高温缓冲层。
可选地，外延结构还包括低温缓冲层，高温缓冲区覆盖低温缓冲区。
可选地，外延结构还包括衬底层，低温缓冲层覆盖衬底层。
可选地，P型层由AlXInYGa1-X-YN制成，0<＝X<＝1，0<＝Y<＝1。
可选地，以发光层作为起点，Y的初始值为0，X沿生长方向逐渐递减。
可选地，当X递减至0时，Y从0开始沿生长方向逐渐递增，直至P型层生长结束。
可选地，P型层的受主杂质为Mg；
Mg源的流量沿生长方向逐渐递减；或者，
Mg源的流量沿生长方向逐渐递增；或者，
Mg源的流量沿生长方向逐渐递减，在减至第二预设阈值后，沿生长方向逐渐递增。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1为本发明实施例的一种发光二极管的外延结构的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种发光二极管的外延结构的P型能带结构示意图；
图3为本发明实施例的一种发光二极管的外延结构的P型能带结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
LED是一种半导体固体发光器件，其主要利用半导体P-N结作为发光结构。近年来，以氮化镓为代表的半导体发光二极管，因具有禁带宽度大、高电子饱和电子漂移速度、耐高温、大功率容量等优良特性，从而受到了人们的广泛关注和大力研究，并在近几年来取得了突破性的进展。与此同时，作为氮化镓的三元合金铟氮化稼，其带隙从0.7ev到3.4ev连续可调，发光波长覆盖了可见光和紫外线的整个区域，从而新兴的光电产业中具有广大的应用前景。
在相关技术中，GaN基发光二极管的外延结构主要包括N型层、P型层和MQW(Multiple Quantum Well，多量子阱)结构的发光层。其中，MQW结构的发光层多为InGaN/GaN，主要是对载流子起限制作用。载流子可以包括N型层中的电子和P型层中的空穴。当正向电流通过时，N型层中的电子和P型层中的空穴在被限制在发光层中复合发光。为了提高发光二极管的发光亮度，通常可提高载流子的注入效率。具体地，可通过提高空穴的注入量或降低电子的溢流量来提高载流子的注入效率。对于N型层，目前主要采用电子阻挡层来降低N型层中电子的溢流量。对于P型层，通常将Mg作为P型层的受主杂质注入空穴。由于Mg作为P型层的受主杂质在注入空穴时，注入的空穴浓度会受到受主杂质固溶度以及高受主激活能的限制，从而不能有效提高空穴浓度。
基于上述说明，本发明实施例提供的发光二极管的外延结构包括：N型层、发光层及P型层；发光层位于N型层与P型层之间，发光层覆盖N型层，P型层覆盖发光层；发光层至P型层的方向为P型层的势垒的生长方向，P型层的势垒沿生长方向逐渐递减。
其中，空穴和电子在电场的作用下发生迁移，在分别克服空穴传输层和电子传输层的注入势垒后，会最终迁移到发光层，在发光层的某个分子上相遇从而形成激子。由于激子能量通常较高，通常处于不稳定状态，从而会以光或热的形式释放能量回到基态，即电致发光现象。另外，发光层可以为MQW结构的发光层，本发明实施例对此不作具体限定。
本发明实施例提供的外延结构，通过让P型层的势垒沿外延生长方向逐渐递减，使得P型层至发光层方向上的势垒逐渐增加，从而有利于更多的空穴进入到发光层，降低了对空穴的阻挡作用，进而能够有效提高发光层中空穴的浓度。
另外，通过让P型层的势垒沿外延生长方向逐渐递减，使得靠近发光层的势垒最高，从而能有效阻挡电子溢流，进而可提高发光二极管的内量子效率。
作为一种可选实施例，发光层的数量为至少一层，所有发光层依次覆盖N型层。其中，发光层可由势阱层及势垒层交替生长而成，本发明实施例对此不作具体限定。具体地，发光层MQW5可由量子阱层InGaN和层叠在上面的量子垒层GaN依次交替生长而成。相应地，P型层覆盖在最后一个量子垒层GaN上。
作为一种可选实施例，P型层的势垒沿生长方向逐渐递减至第一预设阈值后维持不变。
由于后续高温过程中容易产生膨胀而导致外延结构损坏，降低外延结构的良率，从而作为一种可选实施例，外延结构还包括高温缓冲层，N型层覆盖高温缓冲层。
由于较低的生长温度会产生大量的位错和缺陷，这些位错和缺陷会延伸至p型层，影响p型层的晶体质量。为了提高p型层的晶体质量，作为一种可选实施例，外延结构还包括低温缓冲层，高温缓冲区覆盖低温缓冲区。
为了散热且反射光，作为一种可选实施例，外延结构还包括衬底层，低温缓冲层覆盖衬底层。基于上述实施例的内容，发光二极管的外延结构的结构示意图可参考图1。在图1中，P型层6位于最上方，发光层MQW5由量子阱层InGaN和层叠在上面的量子垒层GaN依次交替生长而成，发光层MQW5位于P型层的下方。N型层4位于从上到下最后一个量子阱层5-1的下方，高温缓冲层3位于N型层4的下方，低温缓冲区2位于高温缓冲区3的下方，衬底1(即衬底层)位于低温缓冲区2的下方。
作为一种可选实施例，P型层由AlXInYGa1-X-YN制成，0<＝X<＝1，0<＝Y<＝1。其中，AlXInYGa1-X-YN即为四元合金铝铟镓氮。X与Y分别表示不同的组分含量。由于P型层AlXInYGa1-X-YN中的In元素可作为表面活性剂，以用于提高P型层中Mg元素的并入，从而可提高发光层中空穴的浓度。
作为一种可选实施例，以发光层作为起点，Y的初始值为0，X沿生长方向逐渐递减。具体地，Y的初始值为0，X可从0.3逐渐递减。相应地，由AlXInYGa1-X-YN制成的P型层，沿生长方向上各组分的含量也会相应变化。
作为一种可选实施例，当X递减至0时，Y从0开始沿生长方向逐渐递增，直至P型层生长结束。
具体地，Y的初始值为0，X可从0.3逐渐递减直到X＝0，此时外延生长约为200nm。然后，X＝0恒定不变，Y可从0至0.2逐渐比那大，此时外延生长约为300nm。
或者，Y的初始值为0，X可从0.3逐渐递减直到X＝0，此时外延生长约为200nm。X＝0恒定不变，Y可从0至0.2逐渐比那大，此时外延生长约为200nm。然后，X＝0依然恒定不变，Y＝0.2也恒定不变，此时可继续外延生长约150nm，直到P型层生长结束。
作为一种可选实施例，P型层的受主杂质为Mg；
Mg源的流量沿生长方向逐渐递减；或者，
Mg源的流量沿生长方向逐渐递增；或者，
Mg源的流量沿生长方向逐渐递减，在减至第二预设阈值后，沿生长方向逐渐递增。
作为一种可选实施例，由于整个P型层生长过程中，温度可能会逐渐增加或降低，为了保护发光层中量子阱层中的In元素不因高温析出，从而可通过调节温度等方式以保护发光层中量子阱层中的In元素不因高温析出，本发明实施例对此不作具体限定。
作为一种可选实施例，由于整个P型层生长过程中，温度可能会逐渐增高或降低，而高温有利于Al元素并入，低温有利于更多Mg元素并入，从而可通过调节温度等方式以促进并入相应的元素。基于上述实施例的内容，发光二极管的外延结构的P型能带结构示意图可分别参考图2及图3。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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 (7)
1.一种发光二极管的外延结构，其特征在于，包括：N型层、发光层及P型层；所述发光层位于所述N型层与所述P型层之间，所述发光层覆盖所述N型层，所述P型层覆盖所述发光层；所述发光层至所述P型层的方向为所述P型层的势垒的生长方向，所述P型层的势垒沿所述生长方向逐渐递减；所述发光层为MQW结构；所述P型层由AlXInYGa1-X-YN制成，0<＝X<＝1，0<＝Y<＝1；以所述发光层作为起点，Y的初始值为0，X沿所述生长方向逐渐递减；当X递减至0时，Y从0开始沿所述生长方向逐渐递增，直至所述P型层生长结束。
2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，发光层的数量为至少一层，所有发光层依次覆盖所述N型层。
3.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述P型层的势垒沿所述生长方向逐渐递减至第一预设阈值后维持不变。
4.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述外延结构还包括高温缓冲层，所述N型层覆盖所述高温缓冲层。
5.根据权利要求4所述的外延结构，其特征在于，所述外延结构还包括低温缓冲层，所述高温缓冲区覆盖所述低温缓冲区。
6.根据权利要求5所述的外延结构，其特征在于，所述外延结构还包括衬底层，所述低温缓冲层覆盖所述衬底层。
7.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述P型层的受主杂质为Mg；
Mg源的流量沿所述生长方向逐渐递减；或者，
Mg源的流量沿所述生长方向逐渐递增；或者，
Mg源的流量沿所述生长方向逐渐递减，在减至第二预设阈值后，沿所述生长方向逐渐递增。
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