CN108520913A - 一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，依次包括衬底、第一导电型半导体，量子阱，V‑pits，和第二导电型半导体，在V‑pits侧壁上生长强极化空穴注入层，在强极化空穴注入层之间生长V‑pits填充层，所述的强极化空穴注入层为B_xAl_1‑xN/Sc_zIn_1‑zN、B_xIn_yGa_1‑x‑yN/Sc_zAl_kGa_1‑z‑kN、B_xSc_zGa_1‑x‑zN/In_yAl_kGa_1‑y‑kN、B_xAl_kGa_1‑x‑kN/Sc_zIn_yGa_1‑y‑zN超晶格的任意一个或任意组合，所述V‑pits侧壁强极化空穴注入层形成强极化系数m，其中m≥3.0 cm^‑2，形成V‑pits侧壁高空穴浓度，并提升空穴的能量，使空穴可跃过V‑pits侧壁的势垒，从而提升V‑pits侧壁的空穴注入效率，提升氮化物发光二极管的发光效率。

Description

一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管。

背景技术

氮化物半导体发光二极管具有可调范围广泛的波长范围，发光效率高，节能环保，可使用超过10万小时的长寿命、尺寸小、可设计性强等因素，已逐渐取代白炽灯和荧光灯，成长普通家庭照明的光源，并广泛应用新的场景，如户内高分辨率显示屏、户外显屏、手机电视背光照明、路灯、车灯、手电筒等应用领域。氮化物半导体通过采用异质外延在蓝宝石上生长发光二极管的外延结构，由于晶格失配和热失配，不可避免地带来缺陷和位错，而这些位错与缺陷在生长量子阱时会形成V-pits（即V形坑）。由于V-pits的侧壁的势垒高度大于V-pits之间c面量子阱的势垒，使得量子阱的载流子不会被V-pits的位错和缺陷俘获，然而，高的势垒亦阻挡了p型空穴从V-pits侧壁注入量子阱，这样会使氮化物发光二级管的发光效率降低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，V-pits侧壁生长强极化空穴注入层，形成强极化系数，形成V-pits侧壁高空穴浓度，并提升空穴的能量，使空穴可跃过V-pits侧壁的势垒，从而提升V-pits侧壁的空穴注入效率，提升氮化物发光二极管的发光效率。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，依次包括衬底、第一导电型半导体，量子阱，V-pits和第二导电型半导体，在V-pits侧壁上生长强极化空穴注入层，在强极化空穴注入层之间生长V-pits填充层，所述强极化空穴注入层为 B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN、B_xIn_yGa_1-x-yN/Sc_zAl_kGa_1-z-kN、 B_xSc_zGa_{1-x- z}N/In_yAl_kGa_1-y-kN 、B_xAl_kGa_1-x-kN /Sc_zIn_yGa_1-y-zN超晶格的任意一个或任意组合，其中1>x>0， 1> y>0， 1> z>0， 1> k>0，超晶格的周期数为L≥1，强极化空穴注入层形成强极化系数m≥ 3.0 cm^-2，m大于GaN的0.65 cm^-2和AlN的1.55 cm^-2，形成V-pits侧壁高空穴浓度p >10¹⁸ cm^-3。

进一步，所述的强极化空穴注入层的厚度为1埃~500埃，

进一步，所述的强极化空穴注入层掺杂Mg元素，使Mg激活能降低至100 meV以下。

进一步，所述的V-pits存在量子阱中，V-pits的开口尺寸约20~500 nm。

进一步，所述的强极化空穴注入层位置沉积在V-pits的斜侧壁，V-pits的开口角度为50~70度。

本发明有益效果是：V-pits与V-pits之间的量子阱c面的势垒高度为Eg₁，V-pits侧壁的势垒高度为Eg₂，其中Eg₂-Eg₁>500 meV，导致V-pits的侧壁空穴较难越过侧壁的势垒Eg₂从V-pits侧壁注入量子阱。利用V-pits侧壁强极化空穴注入层形成的强极化场m，其中m≥ 3.0 cm^-2，压低V-pits侧壁的势垒高度Eg₂，并形成形成高空穴浓度p，其中p > 10¹⁸ cm^-3，优选p=5*10¹⁸ cm^-3，空穴二维电子气密度大于10¹⁴ cm^-2，提升空穴的能量，使空穴可跃过V-pits侧壁的势垒Eg₂，提升V-pits侧壁的空穴注入效率，提升氮化物发光二极管的的发光效率。

附图说明

图1为传统氮化物半导体发光二极管的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明的提升V-pits侧壁空穴注入效率的效果示意图。

图示说明：100：衬底；101：第一导电型半导体，102：量子阱，103：V-pits，104：第二导电型半导体，105：强极化空穴注入层，105a：强极化空穴注入层A，105b: 强极化空穴注入层B，106：V-pits填充层。

具体实施方式

如图1所示，传统的氮化物半导体依次包括衬底100、第一导电型半导体101，量子阱102，V-pits 103和第二导电型半导体104，如图1所示，通过采用异质外延在蓝宝石上生长发光二极管的外延结构，由于晶格失配和热失配，不可避免地带来缺陷和位错，而这些位错与缺陷在生长量子阱时会形成V-pits（即V形坑）。由于V-pits的侧壁的势垒高度大于V-pits之间c面量子阱的势垒，使得量子阱的载流子不会被V-pits的位错和缺陷俘获，然而，高的势垒亦阻挡了p型空穴从V-pits侧壁注入量子阱，所述V-pits与V-pits之间的量子阱c面的势垒高度为Eg₁，V-pits侧壁的势垒高度为Eg₂，其中Eg₂-Eg₁>500 meV，导致V-pits的侧壁空穴较越过侧壁的势垒Eg₂从V-pits侧壁注入量子阱。

本发明公开一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，依次包括衬底、第一导电型半导体，量子阱，V-pits和第二导电型半导体，在V-pits侧壁上生长强极化空穴注入层，在强极化空穴注入层之间生长V-pits填充层，所述强极化空穴注入层为B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN、B_xIn_yGa_1-x-yN/Sc_zAl_kGa_1-z-kN、 B_xSc_zGa_1-x-zN/In_yAl_kGa_1-y-kN 、B_xAl_kGa_{1-x- k}N /Sc_zIn_yGa_1-y-zN超晶格的任意一个或任意组合。

进一步地，所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层为B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN、B_xIn_yGa_{1-x- y}N/Sc_zAl_kGa_1-z-kN、 B_xSc_zGa_1-x-zN/In_yAl_kGa_1-y-kN 、B_xAl_kGa_1-x-kN /Sc_zIn_yGa_1-y-zN超晶格的任意一个或任意组合，所述超晶格的周期数为L，其中L≥1，优选 L=3。

进一步地，所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层为B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN、B_xIn_yGa_{1-x- y}N/Sc_zAl_kGa_1-z-kN、 B_xSc_zGa_1-x-zN/In_yAl_kGa_1-y-kN 、B_xAl_kGa_1-x-kN /Sc_zIn_yGa_1-y-zN超晶格的任意一个或任意组合，其中1>x>0， 1> y>0，1> z>0，1> k>0，优选B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN超晶格，优选x=0.3，z=0.2。

进一步地，所述V-pits侧壁强极化空穴注入层形成强极化系数m，其中m ≥ 3.0cm^-2，优选m=4.0 cm^-2，大于GaN的0.65 cm^-2和AlN的1.55 cm^-2。

如图1所示，量子阱中具有V-pits，V-pits侧壁的势垒高度为Eg₂，V-pits与V-pits之间的量子阱c面势垒高度为Eg，如图2、图3所示，所述V-pits与V-pits之间的量子阱c面的势垒高度为Eg₁，V-pits侧壁的势垒高度为Eg₂，其中Eg₂-Eg₁>500 meV，导致V-pits的侧壁空穴较难越过侧壁的势垒Eg₂从V-pits侧壁注入量子阱。利用V-pits侧壁强极化空穴注入层形成的强极化场m，其中m ≥ 3.0 cm^-2，压低V-pits侧壁的势垒高度Eg₂，并形成高空穴浓度p，其中p > 10¹⁸ cm^-3，优选p=5*10¹⁸ cm^-3，空穴二维电子气密度大于10¹⁴ cm^-2，提升空穴的能量，使空穴可跃过V-pits侧壁的势垒Eg₂，提升V-pits侧壁的空穴注入效率，提升氮化物发光二极管的的发光效率。

进一步地，所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层的为B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN、B_xIn_yGa_1-x-yN/Sc_zAl_kGa_1-z-kN、 B_xSc_zGa_1-x-zN/In_yAl_kGa_1-y-kN 、B_xAl_kGa_1-x-kN /Sc_zIn_yGa_1-y-zN超晶格的厚度为1埃~500埃，掺杂元素为Mg，所述强极化空穴注入层的Mg激活能降低至100meV以下,强极化空穴注入层形成强极化系数m≥ 3.0 cm^-2，m大于GaN的0.65 cm^-2和AlN的1.55 cm^-2，形成V-pits侧壁高空穴浓度p > 10¹⁸ cm^-3。

进一步地，所述V-pits存在量子阱中，V-pits的开口尺寸约20~500 nm。

进一步地，所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层位置沉积在V-pits的斜侧壁，V-pits的开口角度为50~70度。

实施例1

本发明公开一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，如图2所示，依次包括衬底100、第一导电型半导体101，量子阱102，V-pits 103，强极化空穴注入层105， V-pits填充层106和第二导电型半导体104，强极化空穴注入层105位于V-pits侧壁上，强极化空穴注入层105具有两层为强极化空穴注入层A105a和强极化空穴注入层B105b,两层均为B_xAl_1-xN(105a)/Sc_zIn_1-zN(105b)、B_xIn_yGa_1-x-yN(105a)/Sc_zAl_kGa_1-z-kN(105b)、 B_xSc_zGa_1-x-zN(105a)/In_yAl_kGa_1-y-kN(105b) 、B_xAl_kGa_1-x-kN(105a) /Sc_zIn_yGa_1-y-zN(105b)超晶格的任意一个或任意组合，所述V-pits侧壁强极化空穴注入层105形成强极化系数，形成V-pits 103侧壁高空穴浓度，并提升空穴的能量，使空穴可跃过V-pits侧壁的势垒Eg₂，从而提升V-pits侧壁的空穴注入效率，提升氮化物发光二极管的的发光效率，如图3所示。

所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层105为B_xAl_1-xN(105a)/Sc_zIn_1-zN(105b)、B_xIn_yGa_1-x-yN(105a)/Sc_zAl_kGa_1-z-kN(105b)、 B_xSc_zGa_1-x-zN(105a)/In_yAl_kGa_1-y-kN(105b) 、B_xAl_kGa_1-x-kN(105a) /Sc_zIn_yGa_1-y-zN(105b)超晶格的任意一个或任意组合，所述超晶格的周期数为L，其中L=3。

所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层105为B_xAl_1-xN(105a)/Sc_zIn_1-zN(105b)、B_xIn_yGa_1-x-yN(105a)/Sc_zAl_kGa_1-z-kN(105b)、 B_xSc_zGa_1-x-zN(105a)/In_yAl_kGa_1-y-kN(105b) 、B_xAl_kGa_1-x-kN(105a) /Sc_zIn_yGa_1-y-zN(105b)超晶格的任意一个或任意组合，其中1>x>0， 1>y>0，1> z>0，1> k>0，，优选B_xAl_1-xN(105a)/Sc_zIn_1-zN(105b)，其中x=0.3，z=0.2。

所述V-pits 103侧壁强极化空穴注入层105形成强极化系数m，其中m=4.0 cm^-2，远远大于GaN的0.65 cm^-2和AlN的1.55 cm^-2。

所述V-pits 103与V-pits 103之间的量子阱c面的势垒高度为Eg₁，V-pits 103侧壁的势垒高度为Eg₂，其中Eg₂-Eg₁>500 meV，导致V-pits 103的侧壁空穴较难越过侧壁的势垒Eg₂从V-pits侧壁注入量子阱102。利用V-pits侧壁的强极化空穴注入层105形成的强极化场m，其中m ≥ 3.0 cm^-2，压低V-pits侧壁的势垒高度Eg₂，并形成形成高空穴浓度p，其中p > 10¹⁸ cm^-3，优选p=5*10¹⁸ cm^-3，空穴二维电子气密度大于10¹⁴ cm^-2，提升空穴的能量，使空穴可跃过V-pits侧壁的势垒Eg₂，提升V-pits侧壁的空穴注入效率，提升氮化物发光二极管的的发光效率，如图3所示。

所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层105的B_xAl_1-xN(105a)/Sc_zIn_1-zN(105b)、B_xIn_yGa_1-x-yN(105a)/Sc_zAl_kGa_1-z-kN(105b)、 B_xSc_zGa_1-x-zN(105a)/In_yAl_kGa_1-y-kN(105b) 、B_xAl_kGa_1-x-kN(105a) /Sc_zIn_yGa_1-y-zN(105b)超晶格的厚度为1埃~500埃，掺杂元素为Mg，所述强极化空穴注入层使Mg激活能降低至100 meV以下。强极化空穴注入层形成强极化系数m≥3.0 cm^-2，m大于GaN的0.65 cm^-2和AlN的1.55 cm^-2，形成V-pits侧壁高空穴浓度p > 10¹⁸ cm^-3。

所述V-pits 103存在量子阱102中，V-pits 103的开口尺寸约20~500 nm。

所述V-pits侧壁的强极化空穴注入层105位置沉积在V-pits 103的斜侧壁，V-pits 103的开口角度为50~70度。

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 (5)

1.一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，依次包括衬底、第一导电型半导体，量子阱，V-pits和第二导电型半导体，在V-pits侧壁上生长强极化空穴注入层，在强极化空穴注入层之间生长V-pits填充层，其特征在于：所述强极化空穴注入层为B_xAl_1-xN/Sc_zIn_1-zN、B_xIn_yGa_1-x-yN/Sc_zAl_kGa_1-z-kN、 B_xSc_zGa_1-x-zN/In_yAl_kGa_1-y-kN 、B_xAl_kGa_{1-x- k}N /Sc_zIn_yGa_1-y-zN超晶格的任意一个或任意组合，其中1>x>0， 1> y>0， 1> z>0， 1> k>0，超晶格的周期数为L≥1，强极化空穴注入层形成强极化系数m≥ 3.0 cm^-2，m大于GaN的0.65cm^-2和AlN的1.55 cm^-2，形成V-pits侧壁高空穴浓度p > 10¹⁸ cm^-3。

2.根据权利要求1所述一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，其特征在于：所述的强极化空穴注入层的厚度为1埃~500埃。

3.根据权利要求1所述一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，其特征在于：所述的强极化空穴注入层掺杂Mg元素，使Mg激活能降低至100 meV以下。

4.根据权利要求1所述的一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，其特征在于：所述的V-pits存在量子阱中，V-pits的开口尺寸约20~500 nm。

5.根据权利要求1所述的一种具有强极化空穴注入层的氮化物半导体发光二极管，其特征在于：所述的强极化空穴注入层位置沉积在V-pits的斜侧壁，V-pits的开口角度为50~70度。