CN108447953B - 一种氮化物发光二极管组件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体光电器件领域，尤其涉及一种可控制“V”形缺陷大小及密度的氮化物发光二极管组件，通过于N型层和有源层之间设置依次第一缺陷调控层、第二缺陷调变层和第三缺陷调变层，在调控“V”形缺陷的大小及密度的同时，也调控器件由于缺陷较多而产生的抗静电能力降低问题。通过三层缺陷调控层的协同作用，不仅控制了“V”形缺陷的密度及大小，提升了电洞注入效率，同时也降低电子迁移速率与减少电子溢流，降低器件的Efficiency Droop效应，提升电子电洞于有源层中分布的均匀性，有效降低器件的非辐射复合辐射，提升发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件领域，尤其涉及一种可控制“V”形缺陷大小及密度的氮化物发光二极管组件。
背景技术
氮化物发光二极管（英文为Light Emitting Diode，简称LED）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。传统的发光二极管的结构一般包括：衬底、以及依次位于衬底上的N型氮化物层、应力释放层、有源层、电子阻挡层和P型氮化物层。
目前应力释放层由周期性交替层叠的InGaN层和GaN层组成，低温生长的应力释放层一般是通过开出一些“V” 形缺陷来实现应力释放，但是这些“V” 形缺陷的起始是因为蓝宝石衬底与GaN外延层之间存在晶格失配和较大的热膨胀系数差异产生的，然后经过应力释放层的放大作用形成的，因此“V” 形缺陷的开口大小以及缺陷密度具有不可控性，使得LED器件的电子电洞分布不均，产生漏电，影响LED的发光效率及导致Droop效应。
因此我们急需找出一种发光二极管，可以控制“V”型缺陷的密度，降低Droop效应，提升高电流密度产品的亮度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明首先提出一种氮化物发光二极管组件，包括：N型掺杂氮化物层；有源层，位于N型掺杂氮化物层之上；P型掺杂氮化物层，位于有源层之上；其特征在于：所述N型掺杂氮化物层与所述有源层之间还设置有缺陷调控层，所述缺陷调控层包括第一缺陷调控层、第二缺陷调控层和第三缺陷调控层，所述第三缺陷调控层为含铝三元氮化物超晶格结构或含铝三元氮化物单层结构。
优选的，所述超晶格结构由周期性层叠的Ala1Ga1-a1N层和Ine1Ga1-e1N层组成，其中，0＜a1≤0.3，0＜e1≤0.3。
优选的，所述超晶格结构由周期性层叠的Ala2In1-a2N层和Inc1Al1-c1N层组成，其中，0＜a2≤0.3，0＜c1≤0.3。
优选的，所述含铝三元氮化物单层结构为AlGaN单层或者InAlN单层。
优选的，所述第一缺陷调控层、第二缺陷调控层、第三缺陷调控层均为n型杂质掺杂层，且N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。
本发明还提供一种氮化物发光二极管组件，包括：N型掺杂氮化物层；有源层，位于N型掺杂氮化物层之上；P型掺杂氮化物层，位于有源层之上；其特征在于：所述N型掺杂氮化物层与所述有源层之间还设置有缺陷调控层，所述缺陷调控层包括第一缺陷调控层、第二缺陷调控层和第三缺陷调控层，所述第三缺陷调控层为含铝四元氮化物超晶格结构或者含铝四元氮单层结构。
优选的，该超晶格结构由周期性层叠的Alx1Iny1Ga1-x1-y1N层和Alm1Inz1Ga1-m1-z1N层组成，其中，0＜x1≤0.3，0＜y1≤0.3，0＜m1≤0.3，0＜z1≤0.3，且x1与m1、y1与z1不同时相等。
优选的，所述含铝四元氮单层结构为AlInGaN单层。
优选的，述第一缺陷调控层、第二缺陷调控层、第三缺陷调控层均为n型杂质掺杂层，N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。
本发明进一步提出一种氮化物发光二极管组件，包括：N型掺杂氮化物层；有源层，位于N型掺杂氮化物层之上；P型掺杂氮化物层，位于有源层之上；其特征在于：所述N型掺杂氮化物层与所述有源层之间还设置有缺陷调控层，所述缺陷调控层包括第一缺陷调控层、第二缺陷调控层和第三缺陷调控层，所述第三缺陷调控层为含铝的三元氮化物和四元氮化物组成的超晶格结构。
优选的，所述超晶格结构由周期性层叠的Alx2Iny2Ga1-x2-y2N层和Inm2Ga1-m2N层组成，其中0＜x2≤0.3，0＜y2≤0.3，0＜m2≤0.3。
优选的，所述超晶格结构由周期性层叠的Alx3Iny3Ga1-x3-y3N层和Inz3Al1-z3N层组成，其中，0＜x3≤0.3，0＜y3≤0.3，0＜z3≤0.3。
优选的，所述超晶格结构由周期性层叠的Alx4Iny4Ga1-x4-y4N层和Al1-z4GaN层组成，其中，0＜x4≤0.3，0＜y4≤0.3，0＜z4≤0.3。
优选的，所述第一缺陷调控层、第二缺陷调控层、第三缺陷调控层均为n型杂质掺杂层，且N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。
本发明通过于N型层和有源层之间设置依次第一缺陷调控层、第二缺陷调变层和第三缺陷调变层，在调控“V” 形缺陷的大小及密度的同时，也调控器件由于缺陷较多而产生的抗静电能力降低问题。 通过三层缺陷调控层的协同作用，不仅控制了“V” 形缺陷的密度及大小，提升了电洞注入效率，同时也降低电子迁移速率与减少电子溢流，降低器件的Efficiency Droop效应，提升电子电洞于有源层中分布的均匀性，有效提升器件的有效复合辐射发光效率。
附图说明
图1 为本发明实施例1提供的一氮化物发光二极管组件的剖视结构示意图，其左侧为第三缺陷调控层的能带分布图。
图2 为本发明实施例1提供的另一氮化物发光二极管组件的剖视结构示意图，其左侧为第三缺陷调控层的能带分布图。
图3 为本发明实施例1一氮化物发光二管组件与现有技术提供的发光二极管组件的原子力显微镜对比图，其中，图3a为现有技术提供的发光二极管组件原子力显微镜图，图3b为本发明具体实施例1提供的氮化物发光二极管组件的原子力显微镜图。
图4 为本发明实施例2提供一氮化物发光二极管组件的剖视结构示意图。
附图标注：100：衬底；110：缓冲层；200：N型掺杂氮化物层；210：平台；220：第一电极；300：缺陷调控层；310：第一调变层；320：第二调变层；330：第三调变层；340：“V” 形缺陷；400：有源层；500：P型掺杂氮化物层；510：电子阻挡层；520：P型欧姆接触层。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施例进行详细说明。在此，本发明的范围不局限于下面所要说明的实施形态，本发明的实施形态可变形为多种其他形态。
实施例1
图1为本实施例提出的一种氮化物发光二极管组件的示意剖面图。参看附图1，首先提供一衬底100，该衬底100材料可以为蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝或者其它适于晶体外延生长的材料。接着于衬底100的上表面形成N型掺杂氮化物层200，N型掺杂氮化物层200的材料可以为掺杂硅或者锗或者锡或者铅的GaN，也可以包含非故意掺杂的GaN层。 本实施例中，N型掺杂氮化物层200具有一平台210，一第一电极220形成于该平台210上。
在形成N型掺杂氮化物之前，还包括于衬底100上形成缓冲层110的步骤。该缓冲层110能够改善N型掺杂氮化物层200与衬底100材料晶格常数不匹配的问题。缓冲层110为AlN层或者GaN层或者AlGaN层或者其中任意两者交替形成的复合结构层，当然缓冲层110的也可以由其它材料构成，以便能更好地与衬底100材料相匹配，继而改善晶格失配的问题。
然后，于N型掺杂氮化物层200上依次沉积缺陷调控层、有源层400和P型掺杂氮化物层500。缺陷调控层用于调控“V”型缺陷340的大小以及缺陷的密度，在保证器件抗静电能力的前提下提升电洞的注入效率，提升器件的发光效率。
具体地，本实施例中的缺陷调控层包括第一缺陷调控层310、第二缺陷调控层320和第三缺陷调控层330。其中，第一缺陷调控层310为“V”型缺陷340深度调控层，其为低温生长的n型掺杂GaN层，通过控制第一缺陷调控层310的厚度、生长温度，进而控制“V” 形缺陷340的深度，提升电洞注入效率。且第一缺陷调控层310的掺杂浓度小于N型掺杂氮化物层200，具体的第一缺陷调控层310的厚度为50 Å ~5000 Å。第一缺陷调控层310中n型杂质的浓度是1×1017~5×1018/cm3。
第二缺陷调控层320形成于第一缺陷调控层310之上，其材料为n型掺杂的GaN，其n型杂质的浓度大于第一缺陷调控层310中n型杂质浓度，小于N型掺杂氮化物层200的杂质浓度，用于改善“V” 形缺陷340造成的抗静电能力下降的问题，提升发光二极管的抗静电能力。第二缺陷调控层320的厚度为10 Å ~1000 Å，n型杂质浓度为1×1017~1×1019/cm3。
第三缺陷调控层330形成于第二缺陷调控层320之上，为含铝三元氮化物超晶格结构，该超晶格结构为由含铝高能级层和不含铝低能级层构成。具体地，该超晶格结构可以为周期性层叠的Ala1Ga1-a1N层和Ine1Ga1-e1N层、周期性层叠的Ala2In1-a2N层和Inc1Al1-c1N层，其中，0＜a1≤0.3，0＜e1≤0.3，0＜a2≤0.3，0＜c1≤0.3。上述超晶格结构的层叠周期至少为2对（即4层），第三缺陷层为n型掺杂结构层，其n型掺杂浓度为1×1017~1×1018/cm3，厚度为100 Å ~5000 Å。图1左侧为第三缺陷调控层330的能带分布示意图（band diagrm），由于第三缺陷调控层330为周期性层叠的至少两个材料层所形成的超晶格结构，其中一层为含铝高能级层，另 一层为不含铝低能级层，因此其能带分布图呈高、低能级的周期性变化。
因此，缺陷调控层300中的第一缺陷调控层310、第二缺陷调控层320、第三缺陷调控层330均为n型掺杂层，它们与N型掺杂氮化物层200中N型杂质的浓度关系为：N型掺杂氮化物层200的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层320的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层310的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层330的n型杂质浓度。
由于第三缺陷调控层330为含铝三元氮化物超晶格结构，Al组分的掺杂可以增加“V”型缺陷340的密度，通过控制缺陷密度，使得电洞从缺陷的侧面进入有源层，提升电洞注入效率。并利用高、低能级的超晶格结构降低电子迁移速率与降低电子溢流，提升电子电洞于有源层400中的复合均匀性，提升发光效率并降低Droop效应。
继续参看附图1，于缺陷调控层之上继续形成有源层400，有源层400是电子-电洞的复合辐射中心。其包括交替层叠势垒层和势阱层，势垒层可以为GaN层或者AlGaN层或者AlInGaN层；势阱层可以为InGaN层。
继续于有源层400之上形成P型掺杂氮化物层500，P型掺杂杂质可以为镁，也可以为钙、锶、钡中的任意一种。本实施例中优选P型杂质为镁，用于提供电洞。在形成P型掺杂氮化物层500之前，可以先于有源层400上形成一电子阻挡层510，进一步防止电子溢流。
继之，于P型掺杂氮化物层500上形成第二电极。第二电极的材料可以为铬金（Cr/Au）。在本实施例中，在形成第二电极的步骤之前，也可以选择性的于P型掺杂氮化物层500及第二电极之间形成P型欧姆接触层520。P型欧姆接触层520用于降低P型掺杂氮化物层500与第二电极之间的阻抗。P型欧姆接触层520的材料可以为镍金叠层、铟锡氧化物或者氧化锌。
接着，于N型掺杂氮化物层200暴露出的平台210上形成第一电极220。第一电极220的材料可以为钛/铝/钛/金（Ti/Al/Ti/Au），至此形成一发光二极管组件，当通过第一电极220和第二电极向有源层400注入电流时，来自N型掺杂氮化物层200的电子与来自于P型掺杂氮化物层500的电洞会在有源层400内结合，以使有源层400产生光。
继续参看附图1，本实施提出的一种氮化物发光二极管组件包括衬底100、N型掺杂氮化物层200、缺陷调控层、有源层400、P型掺杂氮化物层500、第一电极220和第二电极。N型掺杂氮化物层200位于衬底100的上表面；缺陷调控层位于N型掺杂氮化物层200之上，包括第一缺陷调控层310、第二缺陷调控层320和第三缺陷调控层330；有源层400位于缺陷调控层之上，P型掺杂氮化物层500位于有源层400之上。第一电极220位于N型掺杂层暴露出的平台210上，第二电极530位于P型掺杂氮化物层500之上上。此外，缓冲层110位于衬底100与N型掺杂氮化物层200之间，用于改善N型氮化物层与异质衬底100之间晶格常数不匹配的问题。电子阻挡层510位于有源层400与P型掺杂氮化物层500之间，以进一步阻挡电子溢流。P型欧姆接触层520位于P型掺杂氮化物层500及第二电极530之间，用于降低P型掺杂氮化物层500与第二电极530之间的阻抗。
作为本实施例的变形实施方式，参看附图2，当衬底100的材料为氮化镓或者Si时，N型氮化物层200上可以不设置暴露出的平台210，而第一电极220则可以设置于衬底100的下表面。
作为本实施例的另一变形实施方式，缺陷调控层中的第三调变层为含铝的四元氮化物超晶格结构，该超晶格结构由周期性层叠的Alx1Iny1Ga1-x1-y1N层和Alm1Inz1Ga1-m1-z1N层组成，其中，0＜x1≤0.3，0＜y1≤0.3，0＜m1≤0.3，0＜z1≤0.3，且x1与m1、y1与z1不同时相等。
作为本实施例的再一变形实施方式，缺陷调控层中的第三缺陷调控层330为含铝的三元氮化物和四元氮化物组成的超晶格结构。即该超晶格结构由周期性层叠的Alx2Iny2Ga1-x2-y2N层和Inm2Ga1-m2N层组成，其中0＜x2≤0.3，0＜y2≤0.3，0＜m2≤0.3；该超晶格结构也可以由周期性层叠的Alx3Iny3Ga1-x3-y3N层和Inz3Al1-z3N层组成，其中，0＜x3≤0.3，0＜y3≤0.3，0＜z3≤0.3；该超晶格结构更进一地也可以由周期性层叠的Alx4Iny4Ga1-x4-y4N层和Al1-z4GaN层组成，其中，0＜x4≤0.3，0＜y4≤0.3，0＜z4≤0.3。
参看附图3，本发明提供的一氮化物发光二管组件与现有技术提供的发光二极管组件的原子力显微镜对比图，可以看出，本发明提供的一氮化物发光二极管组件与现有技术提供的发光二极管组件的原子力显微镜图，在相同测试条件下，相同放大倍数的前提下，本发明提供的一氮化物发光二极管组件的“形缺陷340密度及“V” 形缺陷340的大小均大于现有技术中的发光二极管组件。当然由于第二缺陷调变层的存在，较多的“V”型缺陷340并不会导致器件的抗静电能力降低以及由此产生的漏电问题。相反，通过第一缺陷调控层310、第二缺陷调控层320、第三缺陷调控层330的相互配合，不仅控制了“V”形缺陷340的密度及大小，提升了电洞注入效率，同时也降低电子迁移速率与减少电子溢流，降低器件的Efficiency Droop效应，提升电子电洞于有源层400中分布的均匀性，有效提升器件的有效复合辐射发光效率及均匀性。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：第三缺陷调控层330为单层结构，可以为含铝三元氮化物单层结构，例如AlGaN单层或者InAlN单层；也可以为含铝四元氮化物单层结构，例如AlInGaN单层。
参看附图4，本实施例提供的一种氮化物发光二极管组件，包括衬底100，以及依次位于衬底100上的缓冲层110、N型掺杂氮化物层200、缺陷调控层300、有源层400、电子阻挡层510、P型掺杂氮化物层500和P型欧姆接触层520。N型掺杂氮化物层200设置有一平台210，该平台上设置有一第一电极220，以及位于P型欧姆接触层520上的第二电极530。缺陷调控层300依次包括第一缺陷调控层310、第二缺陷调控层320和第三缺陷调控层330，第一缺陷调控层310为低温生长的n型掺杂的GaN层，第二缺陷调控层320同样为n型掺杂的GaN层，但，第二缺陷调控层320中n型杂质的掺杂浓度大于第一缺陷调控层310中n型杂质的掺杂浓度。第三缺陷调控层330为含铝三元氮化物单层结构，例如AlGaN单层或者InAlN单层，或者含铝四元氮化物单层结构，例如AlInGaN单层。
进一步地，N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。具体为第一缺陷调控层310的厚度为50 Å ~5000 Å。第一缺陷调控层310中n型杂质的浓度是1×1017~5×1018/cm3。第二缺陷调控层320的厚度为10 Å ~1000 Å，n型杂质浓度为1×1017~1×1019/cm3。 第三缺陷层的厚度为100 Å ~5000 Å，n型掺杂浓度为1×1017~1×1018/cm3。
本发明通过于N型掺杂氮化物层200和有源层400之间设置缺陷调控层，用于调控发光二极管组件内部“V” 形缺陷的密度及大小，具体地，通过设置第一缺陷调控层310来调控“V” 形缺陷340的深度，通过设置第二缺陷调控层320来改善器件因缺陷的存在而导致的抗静电能力降低的问题。第三缺陷调控层330调控“V” 形缺陷340的密度，通过三层缺陷调控层的密切配合、协同作用，不仅控制了“V” 形缺陷的密度及大小，提升了电洞注入效率，同时也降低电子迁移速率与减少电子溢流，降低器件的Efficiency Droop效应，提升电子电洞于有源层中分布的均匀性，有效提升器件的有效复合辐射发光效率。
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 (11)
1.一种氮化物发光二极管组件，包括：N型掺杂氮化物层；有源层，位于N型掺杂氮化物层之上；P型掺杂氮化物层，位于有源层之上；其特征在于：所述N型掺杂氮化物层与所述有源层之间还设置有缺陷调控层，所述缺陷调控层包括第一缺陷调控层、第二缺陷调控层和第三缺陷调控层，所述第一缺陷调控层为低温生长的n型掺杂GaN层，所述第三缺陷调控层为含铝三元氮化物超晶格结构或含铝三元氮化物单层结构，所述超晶格结构为由含铝高能级层和不含铝低能级层构成，所述第一缺陷调控层、第二缺陷调控层、第三缺陷调控层均为n型杂质掺杂层，且N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述超晶格结构由周期性层叠的Ala1Ga1-a1N层和Ine1Ga1-e1N层组成，其中，0＜a1≤0.3，0＜e1≤0.3。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述超晶格结构由周期性层叠的Ala2In1-a2N层和Inc1Al1-c1N层组成，其中，0＜a2≤0.3，0＜c1≤0.3。
4.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述含铝三元氮化物单层结构为AlGaN单层或者InAlN单层。
5.一种氮化物发光二极管组件，包括：N型掺杂氮化物层；有源层，位于N型掺杂氮化物层之上；P型掺杂氮化物层，位于有源层之上；其特征在于：所述N型掺杂氮化物层与所述有源层之间还设置有缺陷调控层，所述缺陷调控层包括第一缺陷调控层、第二缺陷调控层和第三缺陷调控层，所述第一缺陷调控层为低温生长的n型掺杂GaN层，所述第三缺陷调控层为含铝四元氮化物超晶格结构或者含铝四元氮化物单层结构，所述超晶格结构为由含铝高能级层和不含铝低能级层构成，所述第一缺陷调控层、第二缺陷调控层、第三缺陷调控层均为n型杂质掺杂层，N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。
6.根据权利要求5所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述超晶格结构由周期性层叠的Alx1Iny1Ga1-x1-y1N层和Alm1Inz1Ga1-m1-z1N层组成，其中，0＜x1≤0.3，0＜y1≤0.3，0＜m1≤0.3，0＜z1≤0.3，且x1与m1、y1与z1不同时相等。
7.根据权利要求5所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：含铝四元氮化物单层结构为AlInGaN单层。
8.一种氮化物发光二极管组件，包括：N型掺杂氮化物层；有源层，位于N型掺杂氮化物层之上；P型掺杂氮化物层，位于有源层之上；其特征在于：所述N型掺杂氮化物层与所述有源层之间还设置有缺陷调控层，所述缺陷调控层包括第一缺陷调控层、第二缺陷调控层和第三缺陷调控层，所述第一缺陷调控层为低温生长的n型掺杂GaN层，所述第三缺陷调控层为含铝的三元氮化物和四元氮化物组成的超晶格结构，所述第一缺陷调控层、第二缺陷调控层、第三缺陷调控层均为n型杂质掺杂层，且N型掺杂氮化物层的n型杂质浓度＞第二缺陷调控层的n型杂质浓度＞第一缺陷调控层的n型杂质浓度＞第三缺陷调控层的n型杂质浓度。
9.根据权利要求8所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述超晶格结构由周期性层叠的Alx2Iny2Ga1-x2-y2N层和Inm2Ga1-m2N层组成，其中0＜x2≤0.3，0＜y2≤0.3，0＜m2≤0.3。
10.根据权利要求8所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述超晶格结构由周期性层叠的Alx3Iny3Ga1-x3-y3N层和Inz3Al1-z3N层组成，其中，0＜x3≤0.3，0＜y3≤0.3，0＜z3≤0.3。
11.根据权利要求8所述的一种氮化物发光二极管组件，其特征在于：所述超晶格结构由周期性层叠的Alx4Iny4Ga1-x4-y4N层和Al1-z4GaN层组成，其中，0＜x4≤0.3，0＜y4≤0.3，0＜z4≤0.3。
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