CN108110109B - 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，其通过在P型氮化物层中引入Fe掺杂氮化物层，用Fe元素和Mg元素共同作为空穴提供原子；由于Fe掺杂氮化物层空穴生成速率较Mg掺杂氮化物层的空穴生成速率快，以此来弥补传统Mg掺杂P型氮化物层相对多量子阱结构层物理位置前后差异导致的空穴迁移差异，从而形成较高浓度和较为稳定的空穴载子流。

Description

一种发光二极管
技术领域
本发明属于半导体光电器件领域，尤其涉及一种P型氮化物层采用Mg、Fe共掺杂的发光二极管。
背景技术
目前，发光二极管（Light-emitting diodes，简称LED）以其高效率、长寿命、全固态、自发光和绿色环保等优点，已经被广泛应用于照明和显示两大领域，尤其当前白光照明领域的开发，使得市场对LED外延片及芯片的需求量骤增。目前，随着照明市场需求的日益提高，白光产品尤其是大电流白光照明产品的技术研发与提升变得尤为重要。
目前发光二极管的结构主要包括衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层、N型GaN层、发光层和低温P-GaN层、电子阻挡层、高温P型GaN层和P型接触层，其中P型杂质均为Mg，该结构存在以下问题：1.Mg掺杂效率低，导致需要较厚的Mg 掺杂层PGaN产生要求数量的空穴，但较厚的盖层会导致LED有源层光效的损失；2.Mg活化率较低，且生成的空穴载子迁移率较慢(普遍认为是电子载子的1/10左右)，从而导致空穴较难和电子同时到达发光层的复合区域，大大降低有效复合效率，呈现较低的内量子效率和光效。
发明内容
为了解决上述问题，本发明首先提出一种发光二极管，包括一衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层、N型氮化物层、多量子阱结构层和P型氮化物层，其特征在于：所述P型氮化物层至少包括一Mg掺杂氮化物层和一Fe掺杂氮化物层。
优选的，所述P型氮化物层包括第一P型氮化物层、第二P型氮化物层，第一P型氮化物层或/和第二P型氮化物层至少包括Mg掺杂氮化物层和Fe掺杂氮化物层。
优选的，所述第一P型氮化物层包括第一Mg掺杂氮化物层、第一FeN层和第一Fe掺杂氮化物层。
优选的，所述第二P型氮化物层包括第二Mg掺杂氮化物层、第二FeN层和第二Fe掺杂氮化物层。
优选的，所述第一P型氮化物层包括第一Mg掺杂氮化物层、第一FeN层和第一Fe掺杂氮化物层；所述第二P型氮化物层包括第二Mg掺杂氮化物层、第二FeN层和第二Fe掺杂氮化物层。
优选的，所述多量子阱结构层与所述第一P型层之间设置有第一电子阻挡层。
优选的，所述第一P型氮化物层与所述第二P型氮化物层之间设置有第二电子阻挡层。
优选的，所述第二P型层上设置有一接触层。
优选的，所述第一Mg掺杂氮化物层的厚度为100Å~300 Å，Mg杂质浓度为1质1020~1×1021/cm3。
优选的，所述第一Fe掺杂氮化物层的厚度为100Å~300 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
优选的，所述第二Mg掺杂氮化物层的厚度为50Å~200 Å，Mg杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
优选的，所述第二Fe掺杂氮化物层的厚度为50Å~200 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
优选的，所述第一电子阻挡层的厚度为10Å~50Å。
优选的，所述第二电子阻挡层为含铝氮化物层，铝组份为5%~15%。
优选的，所述第二电子阻挡层的厚度为100Å~300Å。
优选的，所述第二电子阻挡层与所述第二P型氮化物层之间设置有一u-GaN层。
优选的，所述接触层为P型掺杂层或者N型掺杂层。
优选的，所述多量子阱结构层包括应力释放层和发光层。
优选的，所述应力释放层的周期数为3~8。
优选的，所述发光层的周期数为3~6。
本发明通过在P型氮化物层中引入Fe掺杂氮化物层，用Fe元素和Mg元素共同作为空穴提供原子；由于Fe掺杂氮化物层空穴生成速率较Mg掺杂氮化物层的空穴生成速率快，以此来弥补传统Mg掺杂P型氮化物层相对多量子阱结构层物理位置前后差异导致的空穴迁移差异，从而形成较高浓度和较为稳定的空穴载子流。
附图说明
图1 本发明实施例1之发光二极管结构示意图。
图2 本发明实施例2之发光二极管结构示意图。
图3 本发明实施例2之变形实施方式之发光二极管结构示意图。
图4 本发明实施例3之发光二极管结构示意图。
图5 本发明实施例3之变形实施方式之发光二极管结构示意图。
图6本发明实施例4之发光二极管结构示意图。
附图标注：100：衬底；200：缓冲层；300：N型氮化物层；400：多量子阱结构层；410：应力释放层；420：发光层；500：P型氮化物层；510：第一P型氮化物层；511：第一Mg掺杂氮化物层；512：第一FeN层；513：第一Fe掺杂氮化物层；520：第二P型氮化物层；521：第二Mg掺杂氮化物层；522：第二FeN层；523：第二Fe掺杂氮化物层；600：第一电子阻挡层；700：第二电子阻挡层； 800：接触层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改造。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
参看附图1，本发明首先提出一种发光二极管，包括一衬底100，以及依次位于衬底100上的缓冲层200、N型氮化物层300、多量子阱结构层400和P型氮化物层500。
衬底100可使用氮化镓衬底100或者硅衬底100或者氮化硅衬底100或者蓝宝石衬底100。为增加出光效率，衬底100上表面可以设置有凹凸结构的图形，形成图形化衬底100。
缓冲层200可采用物理气相沉积或者金属有机气相沉积法形成于衬底100上，该缓冲层200可以为GaN层或者AlN层或者AlGaN层，用于减少衬底100与后续生长的外延层（即N型氮化物层300、多量子阱结构层400、P型氮化物层500）之间的晶格失配。
N型氮化物层300设置于缓冲层200之上，用于提供电子的N型杂质可以为硅或者锗或者锡或者铅中的任意一种，传统的N型杂质为硅，N型氮化物层300则可为硅掺杂的氮化物单层或者交替层叠的多层结构，多层结构相对于单层结构，具有减少晶体裂纹、提高晶体结晶质量的作用。
多量子阱结构层400位于N型氮化物层300与P型氮化物层500之间，多量子阱结构层400包括应力释放层410和发光层420，应力释放层410为InxGa1-xN/GaN超晶格结构层，发光层420为InyGa1-yN/GaN超晶格结构或者InyGa1-yN/AlGaN超晶格，其中1＞y＞x＞0。超晶格机构的多量子阱结构层400可抑制产生的应力与应变引起的自发性的分级。
P型氮化物层500至少包括一Mg掺杂氮化物层和一Fe掺杂氮化物层，具体地，该P型氮化物层500包括第一P型氮化物层510、第二P型氮化物层520，第一P型氮化物层510和/或第二P型氮化物层520至少包括Mg掺杂氮化物层和Fe掺杂氮化物层。
Fe原子和Mg原子同为最外电子层固有2个电子的原子结构（最外圈电子轨道均为2电子分布），且Fe相对Mg金属活性相对偏低，更易形成外圈4电子的“半稳定结构”，从而在GaN材料中更易形成缺电子的空穴层，大大提升P型氮化物层500的空穴浓度，从而提升内量子效率。此外，Fe原子相对Mg原子的原子半径更加接近Ga原子，这就使得Fe在GaN材质中形成“替位原子”时产生的晶格失配度相对较小，从而大大降低内应力的产生。由此会带来两个优势：1）形成晶格质量相对较好的P型层；2）较快的载流子迁移速率。
同时由于本发明提供的Mg、Fe共掺杂P型氮化物层500可以形成较好迁移率和稳定的空穴载子流，从而可酌量减少多量子阱结构层400的周期性对数，本发明中应力释放层410和发光层420的周期数可分别减少至3~8周期和3~6周期，有效减少多量子阱结构层400的厚度。另外P型杂质采用Fe元素也会带来较好的晶格质量，这些都可有效提升外延层晶格质量，进一步改善Droop效应。
实施例2
参看附图2，本实施例提出一种发光二极管，包括一衬底100，以及依次位于衬底100上的缓冲层200、以及依次位于衬底100上的缓冲层200、N型氮化物层300、多量子阱结构层400、第一P型氮化物层510和第二P型氮化物层520。本实施例与实施例1的区别在于第一P型氮化物层510为由第一Mg掺杂氮化物层511、第一FeN层512和第一Fe掺杂氮化物层513组成的复合氮化物结构层。由于第一P型氮化物层510位于多量子阱结构层400之上，为了防止高温生长破会多量子阱结构层400的晶体质量，本实施例中第一P型氮化物层510为低温生长的氮化物层，其生长温度低于多量子阱结构层400的生长温度。
其中，第一Mg掺杂氮化物层511的厚度为100Å~300 Å，Mg杂质浓度为1质1020~1×1021/cm3。第一Fe掺杂氮化物层513的厚度为100Å~300 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
第二P型氮化物层510为氮化物单层或者多层结构，例如Mg掺杂的氮化物层或者Mg掺杂氮化物层与u型氮化物层组成的超晶格结构。
同时作为本实施例的变形实施方式，多量子阱结构层400与第一P型层之间设置有第一电子阻挡层600。第一P型氮化物层510与第二P型氮化物层520之间设置有第二电子阻挡层700。其中，第一电子阻挡层6000为含铝氮化单层或者超晶格机构，其厚度为10Å~50Å。第二电子阻挡层700为含铝氮化物超晶格结构层，铝组份为5%~15%，厚度为100Å~300Å。
实施例3
参看附图3，本实施例提出的一种发光二极管，包括一衬底100，以及依次位于衬底100上的缓冲层200、以及依次位于衬底100上的缓冲层200、N型氮化物层300、多量子阱结构层400、第一P型氮化物层510和第二P型氮化物层520。本实施例与实施例1的区别在于第二P型氮化物层520为由第二Mg掺杂氮化物层521、第二FeN层522和第二Fe掺杂氮化物层523组成的复合氮化物结构层。
其中，第一P型氮化物层510为低温生长的氮化物单层或者多层结构，防止高温生长破会多量子阱结构层400的晶体质量，其可为Mg掺杂的氮化物层或者Mg掺杂氮化物层与u型氮化物层组成的超晶格结构。
第二P型氮化物层520可为高温生长的氮化物层，其中，第二Mg掺杂氮化物层521的厚度为50Å~200 Å，Mg杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3；第二Fe掺杂氮化物层523的厚度为50Å~200 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
作为本实施例的变形实施方式，多量子阱结构层400与第一P型层之间设置有第一电子阻挡层600。第一P型氮化物层510与第二P型氮化物层520之间设置有第二电子阻挡层700。其中，第一电子阻挡层6000为含铝氮化物单层或者超晶格结构，其厚度为10Å~50Å。第二电子阻挡层700为含铝氮化物超晶格结构层层，铝组份为5%~15%，厚度为100Å~300Å。
第二P型氮化物层520上还设置有一接触层800，该接触层800为P型掺杂层或者N型掺杂层。同时，第二电子阻挡层700与第二P型氮化物层520之间设置有一u-GaN层，u-GaN层厚度为100Å~300Å。
实施例4
参看附图4，本实施例提出一种发光二极管，包括一衬底100，以及依次位于衬底100上的缓冲层200、以及依次位于衬底100上的缓冲层200、N型氮化物层300、多量子阱结构层400、第一电子阻挡层6000、第一P型氮化物层510、第二电子阻挡层700、第二P型氮化物层520和接触层800。
本实施例与实施例1的区别在于第一P型氮化物层510为由第一Mg掺杂氮化物层511、第一FeN层512和第一掺杂氮化物层513组成的复合氮化物结构层。由于第一P型氮化物层500位于多量子阱结构层400之上，为了防止高温生长破会多量子阱结构层400的晶体质量，本实施例中第一P型氮化物层510为低温生长的氮化物层，其生长温度低于多量子阱结构层400的生长温度。第一Mg掺杂氮化物层511的厚度为100Å~300 Å，Mg杂质浓度为1质1020~1×1021/cm3。第一掺杂氮化物层513的厚度为100Å~300 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
第二P型氮化物层510为由第二Mg掺杂氮化物层521、第二FeN层522和第二Fe掺杂氮化物层523组成的复合氮化物结构层。第二P型氮化物层520可为高温生长的氮化物层，其中，第二Mg掺杂氮化物层521的厚度为50Å~200 Å，Mg杂质浓度为1×1020~1×1021/ cm3；第二Fe掺杂氮化物层523的厚度为50Å~200 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/ cm3。
第一电子阻挡层6000为含铝氮化单层或者超晶格结构，其厚度为10Å~50Å。第二电子阻挡层700为含铝氮化物超晶格结构层层，铝组份为5%~15%，厚度为100Å~300Å。接触层800为P型掺杂层或者N型掺杂层。同时，第二电子阻挡层700与第二P型氮化物层520之间设置有一u-GaN层，其厚度为100Å~300Å。
本发明其通过在P型氮化物层510中引入Fe掺杂氮化物层，用Fe元素和Mg元素共同作为空穴提供原子；由于Fe掺杂氮化物层空穴生成速率较Mg掺杂氮化物层的空穴生成速率快，以此来弥补传统Mg掺杂P型氮化物层500相对多量子阱结构层400物理位置前后差异导致的空穴迁移差异，从而形成较高浓度和较为稳定的空穴载子流。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (13)

1.一种发光二极管，包括一衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层、N型氮化物层、多量子阱结构层和P型氮化物层，其特征在于：所述P型氮化物层至少包括一Mg掺杂氮化物层和一Fe掺杂氮化物层；所述P型氮化物层包括第一P型氮化物层、第二P型氮化物层，第一P型氮化物层或/和第二P型氮化物层至少包括Mg掺杂氮化物层和Fe掺杂氮化物层；所述第一P型氮化物层包括第一Mg掺杂氮化物层、第一FeN层和第一Fe掺杂氮化物层。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第二P型氮化物层包括第二Mg掺杂氮化物层、第二FeN层和第二Fe掺杂氮化物层。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一P型氮化物层包括第一Mg掺杂氮化物层、第一FeN层和第一Fe掺杂氮化物层；所述第二P型氮化物层包括第二Mg掺杂氮化物层、第二FeN层和第二Fe掺杂氮化物层。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述多量子阱结构层与所述第一P型层之间设置有第一电子阻挡层。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一P型氮化物层与所述第二P型氮化物层之间设置有第二电子阻挡层。
6.根据权利要求1或3所述的任意一种发光二极管，其特征在于：所述第一Mg掺杂氮化物层的厚度为100Å~300 Å，Mg杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
7.根据权利要求1或3所述的任意一种发光二极管，其特征在于：所述第一Fe掺杂氮化物层的厚度为100Å~300 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
8.根据权利要求2或3所述的任意一种发光二极管，其特征在于：所述第二Mg掺杂氮化物层的厚度为50Å~200 Å，Mg杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
9.根据权利要求2或3所述的任意一种发光二极管，其特征在于：所述第二Fe掺杂氮化物层的厚度为50Å~200 Å，Fe杂质浓度为1×1020~1×1021/cm3。
10.根据权利要求5所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第二电子阻挡层与所述第二P型氮化物层之间设置有一u-GaN层。
11.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述多量子阱结构层包括应力释放层和发光层。
12.根据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于：所述应力释放层的周期数为3~8。
13.据权利要求11所述的一种发光二极管，其特征在于：所述发光层的周期数为3~6。
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