CN108305920B - 一种氮化物发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种氮化物发光二极管，包括衬底，在衬底上设有缓冲层，在缓冲层上依次设有N型层、准备层、第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层和P型层，在所述第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层处还设有倒六角锥结构，所述第一多量子阱层是由InxGa(1‑x)N量子阱、GaN势垒、AlyGa(1‑y)N势垒和GaN势垒依次组成的周期结构。本发明可有效调控空穴在多量子阱中分布、使空穴和电子更为有效地分布到部分量子阱中、从而改善空穴和电子的匹配度、提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种氮化物发光二极管。
背景技术
发光二极管(LED)以其节能环保、可靠性高等显著特点得到人们广泛的关注和研究。在能源危机和环境危机日益加重的今天，众多国家和地区将LED照明技术列为国家发展战略。经过二十多年的研究和努力，LED外延生长技术、LED芯片制造技术以及LED封装技术均得到长足进步，使得LED被广泛用于显示屏、指示灯、景观照明、汽车灯、通用照明等很多领域。
氮化物LED普遍存在在较大工作电流密度下，发光效率随电流的增大而减小的现象，这一现象被称为“效率Droop效应”。产生Droop效应的原因在学术界依然存在争议，但主要包括电子泄漏、电子空穴不匹配、俄歇复合等几种。大量研究表明，电子泄漏和电子空穴不匹配的主要原因是氮化物LED的P型载流子(空穴)不足以及在多量子阱中分布严重不均匀。可见，当空穴浓度不能进一步提升的情况下，减缓Droop效应提升氮化物LED发光效率的一个可行方法就是使空穴与电子更加匹配。由于空穴浓度低于电子浓度，因此改善空穴输运并使空穴更为均匀的分布于多量子阱中将直接影响到空穴与电子的匹配，对于LED的发光效率具有显著影响。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题在于提供一种可有效调控空穴在多量子阱中分布、使空穴和电子更为有效地分布到部分量子阱中、从而改善空穴和电子的匹配度、提升发光效率的氮化物发光二极管。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种氮化物发光二极管，包括衬底，在衬底上设有缓冲层，在缓冲层上依次设有N型层、准备层、第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层和P型层，在所述第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层处还设有倒六角锥结构，所述第一多量子阱层是由InxGa(1-x)N量子阱和GaN/AlyGa(1-y)N/GaN三层势垒组成的周期结构，其周期数为m，其中0≤x≤1，0.01≤y≤0.5，1≤m≤5；所述第二多量子阱层是由InxGa(1-x)N量子阱和GaN势垒组成的周期结构，其周期数为k，其中0≤x≤1，3≤k≤6；所述第三量子阱层由InxGa(1-x)N量子阱和GaN/AlyGa(1-y)N两层势垒组成，其中0≤x≤1，0.3≤y≤0.8。
更进一步，所述第三量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒的厚度为h，3nm≤h≤10nm。
更进一步，所述准备层为InxGa(1-x)N单层结构或InyGa(1-y)N/InzGa(1-z)N周期结构，其中0≤x≤0.15，0.01≤y≤0.15，0≤z≤0.05；InxGa(1-x)N层的厚度为hx，50nm≤hx≤300nm；InyGa(1-y)N/InzGa(1-z)N周期结构的周期数为j，10≤j≤100。
更进一步，所述P型电子阻挡层为掺Mg的AlzGa(1-z)N，其中0.1≤z≤0.3，掺Mg浓度为1×1018～5×1020cm-3。
更进一步，位于第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层处的倒六角锥结构在生长平面上分布密度为ρ，即为单位面积上倒六角锥结构的个数，至P型电子阻挡层的顶部时倒六角锥结构与生长平面相交成正六边形，正六边形的边长为L，其中1×108cm-2≤ρ≤1×1010cm-2，50nm≤L≤300nm。
更进一步，所述生长平面为GaN材料体系的(0001)面，倒六角锥结构的六个锥面为GaN材料体系{10–11}面族的六个面；至P型电子阻挡层生长结束时，倒六角锥结构表现为倒六角锥形的空洞，在生长P型层的过程中上述空洞被填平。
更进一步，所述衬底材料为硅、蓝宝石、碳化硅、砷化镓、氮化铝、磷化镓、氧化锌以及氮化镓的一种。
相比于现有技术，本发明的有益效果是：第三量子阱层的高Al组分(30％-80％)的AlyGa(1-y)N势垒层由于其势垒高，可以起到电子阻挡的作用，降低电子溢出到P型层的几率，同时由于第三量子阱层中AlyGa(1-y)N势垒层在(0001)面上的厚度远大于其在倒六角锥结构侧面生长的厚度，使得空穴通过(0001)面注入量子阱的电阻远大于通过倒六角锥结构侧面注入量子阱的电阻，从而使更多的空穴从倒六角锥结构侧面注入量子阱中，空穴从(0001)面注入时，主要分布在第三量子阱层的量子阱内，而空穴从倒六角锥结构侧面注入时，会进入以第二多量子阱的量子阱为主的更多的量子阱中，由此可有效调控空穴在量子阱中的分布，使空穴分布更加均匀。第一多量子阱层中的AlyGa(1-y)N势垒层可增加电子在第一多量子阱层内传输的势垒，从而促进电子在第一多量子阱层的量子阱内的横向迁移，从而改善电流分布的均匀性，同时第一多量子阱层中的AlyGa(1-y)N势垒层还提高了第二多量子阱层中空穴向第一多量子阱层迁移的势垒，使空穴更多的被限制在第二多量子阱层的量子阱中，分布更为均匀。由此可见，通过第一多量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒层和第三量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒层的合理组合，可有效调控空穴在多量子阱层中的分布，使空穴更加均匀且集中地分布于第二多量子阱层的量子阱中，从而提升LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明一种氮化物发光二极管第一种实施例的剖面图。
图2为图1中生长至P型电子阻挡层结束时的立体结构。
图3为图1中生长至P型电子阻挡层结束时的俯视图。
图4为本发明一种氮化物发光二极管第二种实施例的剖面图。
图示说明：100-衬底，200-缓冲层，300-N型层，400-准备层，500-第一多量子阱层，501-第一多量子阱层的InxGa(1-x)N量子阱，502-第一多量子阱层的GaN势垒，503-第一多量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒，504-第一多量子阱层的GaN势垒，600-第二多量子阱层，601-第二多量子阱层的InxGa(1-x)N量子阱，602-第二多量子阱层的GaN势垒，700-第三量子阱层，701-第三量子阱层的InxGa(1-x)N量子阱，702-第三量子阱层的GaN势垒，703-第三量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒，800-P型电子阻挡层，900-P型层，1000-倒六角锥结构。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步地说明。
如图1至4所示为一种氮化物发光二极管的结构示意图，该发光二极管包括衬底100，在衬底100上设有缓冲层200，在缓冲层200上依次设有N型层300、准备层400、第一多量子阱层500、第二多量子阱层600、第三量子阱层700、P型电子阻挡层800和P型层900。在上述第一多量子阱层500、第二多量子阱层600、第三量子阱层700、P型电子阻挡层800处还设置倒六角锥结构1000。
上述第一多量子阱层500包括：第一多量子阱层的InxGa(1-x)N量子阱501、第一多量子阱层的GaN势垒502、第一多量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒503、第一多量子阱层的GaN势垒504。具体来说，上述第一多量子阱层500是由InxGa(1-x)N量子阱和GaN/AlyGa(1-y)N/GaN三层势垒组成的周期结构，其周期数为m，其中0≤x≤1，0.01≤y≤0.5，1≤m≤5。
上述第二多量子阱层600包括：第二多量子阱层的InxGa(1-x)N量子阱601、第二多量子阱层的GaN势垒602。具体来说，上述第二多量子阱层600是由InxGa(1-x)N量子阱和GaN势垒组成的周期结构，其周期数为k，其中0≤x≤1，3≤k≤6。
上述第三量子阱层700包括：第三量子阱层的InxGa(1-x)N量子阱701，第三量子阱层的GaN势垒702，第三量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒703。具体来说，上述第三量子阱层700由InxGa(1-x)N量子阱和GaN/AlyGa(1-y)N两层势垒组成，其中0≤x≤1，0.3≤y≤0.8，而且第三量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒的厚度为h，3nm≤h≤10nm。
上述准备层400为InxGa(1-x)N单层结构或InyGa(1-y)N/InzGa(1-z)N周期结构，其中0≤x≤0.15，0.01≤y≤0.15，0≤z≤0.05，InxGa(1-x)N层的厚度为hx，50nm≤hx≤300nm，InyGa(1-y)N/InzGa(1-z)N周期结构的周期数为j，10≤j≤100。
上述P型电子阻挡层800为掺Mg的AlzGa(1-z)N，其中0.1≤z≤0.3，掺Mg浓度为1×1018～5×1020cm-3。
上述位于第一多量子阱层500、第二多量子阱层600、第三量子阱层700、P型电子阻挡层800位置的倒六角锥结构1000在生长平面上分布密度为ρ，即为单位面积上倒六角锥结构1000的个数，至P型电子阻挡层800的顶部时倒六角锥结构1000与生长平面相交成正六边形，正六边形的边长为L，其中1×108cm-2≤ρ≤1×1010cm-2，50nm≤L≤300nm。所述生长平面为GaN材料体系的(0001)面，倒六角锥结构1000的六个锥面为GaN材料体系{10–11}面族的六个面。至P型电子阻挡层800生长结束时，倒六角锥结构1000表现为倒六角锥形的空洞(如图2和3所示)，在生长P型层900的过程中上述空洞被填平。
上述衬底材料为硅(Si)、蓝宝石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、氮化铝(AlN)、磷化镓(GaP)、氧化锌(ZnO)以及氮化镓(GaN)的一种。
实施例1：
如图1至3所示，衬底100采用硅(Si)衬底，缓冲层200为AlN,N型层300为掺Si浓度2×1018～5×1018cm-3GaN，准备层400为厚度为80nm～100nm的In0.05Ga0.95N单层结构；第一多量子阱层500为4个周期的InxGa(1-x)N/GaN/AlyGa(1-y)/GaN周期结构；第二多量子阱层600为4个周期的InxGa(1-x)N/GaN周期结构；第三量子阱层700为InxGa(1-x)N/GaN/AlyGa(1-y)N叠层，其中AlyGa(1-y)N的厚度为5nm，Al组分60％；P型电子阻挡层800为掺Mg浓度(1～5)×1019cm-3的Al0.2Ga0.8N；P型层900为掺Mg浓度1×1020cm-3的GaN；倒六角锥结构1000的密度为5×108cm-2～1×109cm-2，至P型电子阻挡层800的顶部时倒六角锥结构1000与生长平面相交成正六边形，正六边形边长为100nm～150nm。
实施例2：
如图4所示，衬底100采用蓝宝石(Al2O3)衬底，缓冲层200为低温GaN,N型层300为掺Si浓度5×1018～1×1019cm-3GaN；准备层400为In0.05Ga0.95N/GaN周期结构，周期数为20～30；第一多量子阱层500为3个周期的InxGa(1-x)N/GaN/AlyGa(1-y)/GaN周期结构；第二多量子阱层600为5个周期的InxGa(1-x)N/GaN周期结构；第三量子阱层700为InxGa(1-x)N/GaN/AlyGa(1-y)N叠层，其中AlyGa(1-y)N的厚度为3nm，Al组分70％；P型电子阻挡层800为掺Mg浓度(5～10)×1019cm-3的Al0.15Ga0.85N；P型层900为掺Mg浓度5×1019cm-3的GaN；倒六角锥结构1000的密度为2×108cm-2～5×108cm-2，至P型电子阻挡层800的顶部时倒六角锥结构1000与生长平面相交成正六边形，正六边形边长为200nm～250nm。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种氮化物发光二极管，包括衬底，在衬底上设有缓冲层，在缓冲层上依次设有N型层、准备层、第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层和P型层，在所述第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层处还设有倒六角锥结构，其特征在于：所述第一多量子阱层是由InxGa(1-x)N量子阱和GaN/AlyGa(1-y)N/GaN三层势垒组成的周期结构，其周期数为m，其中0≤x≤1，0.01≤y≤0.5，1≤m≤5；所述第二多量子阱层是由InxGa(1-x)N量子阱和GaN势垒组成的周期结构，其周期数为k，其中0≤x≤1，3≤k≤6；所述第三量子阱层由InxGa(1-x)N量子阱和GaN/AlyGa(1-y)N两层势垒组成，其中0≤x≤1，0.3≤y≤0.8。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述第三量子阱层的AlyGa(1-y)N势垒的厚度为h，3nm≤h≤10nm。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述准备层为InxGa(1-x)N单层结构或InyGa(1-y)N/InzGa(1-z)N周期结构，其中0≤x≤0.15，0.01≤y≤0.15，0≤z≤0.05；InxGa(1-x)N层的厚度为hx，50nm≤hx≤300nm；InyGa(1-y)N/InzGa(1-z)N周期结构的周期数为j，10≤j≤100。
4.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述P型电子阻挡层为掺Mg的AlzGa(1-z)N，其中0.1≤z≤0.3，掺Mg浓度为1×1018～5×1020cm-3。
5.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：位于第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三量子阱层、P型电子阻挡层处的倒六角锥结构在生长平面上分布密度为ρ，即为单位面积上倒六角锥结构的个数，至P型电子阻挡层的顶部时倒六角锥结构与生长平面相交成正六边形，正六边形的边长为L，其中1×108cm-2≤ρ≤1×1010cm-2，50nm≤L≤300nm。
6.根据权利要求5所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述生长平面为GaN材料体系的(0001)面，倒六角锥结构的六个锥面为GaN材料体系{10–11}面族的六个面；至P型电子阻挡层生长结束时，倒六角锥结构表现为倒六角锥形的空洞，在生长P型层的过程中上述空洞被填平。
7.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述衬底材料为硅、蓝宝石、碳化硅、砷化镓、氮化铝、磷化镓、氧化锌以及氮化镓的一种。
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