CN109768142A

CN109768142A - 一种氮化物发光二极管

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Publication number: CN109768142A
Application number: CN201910034502.9A
Authority: CN
Inventors: 顾伟
Original assignee: Jiangxi Zhao Chi Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Zhao Chi Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2019-05-17
Anticipated expiration: 2039-01-15
Also published as: CN109768142B

Abstract

本发明公开了一种氮化物发光二极管，包括衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层、非掺杂氮化物层、n型氮化物层、有源层、电子阻挡层和p型氮化物层；其中：所述有源层是由若干个阱层和垒层交替堆叠而形成的多量子阱结构，所述若干个为大于2的正整数，所述垒层是由氮化物位障层和氮化硅位障层所组成。本发明的优点在于：使用氮化物位障层和氮化硅位障层作为有源层中的垒层，通过在垒层中设置带隙宽（~5eV）、且厚度薄（≤3nm）的氮化硅位障层，一方面可抑制电子溢流出有源层，提升氮化物发光二极管器件的发光效率，另一方面又可避免垒层的阻值过高，防止氮化物发光二极管器件的操作电压异常上升。

Description

一种氮化物发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化物发光二极管。

背景技术

发光二极管（LED）作为一种高光效、高可靠性的固态照明元件，已经逐渐取代传统的照明光源而成为市场的主流。目前LED照明的白光来源主要是使用蓝光氮化物发光二极管激发黄色荧光粉进行混光，而氮化物发光二极管的外延结构一般是在外延衬底上，依次制备缓冲层、非掺杂氮化物层、n型氮化物层、有源层、电子阻挡层和p型氮化物层，其中有源层是多量子阱结构，常见是由若干个铟镓氮的阱层和氮化镓的垒层交替堆叠而形成，有源层通过此结构的设计可以实现对电子和空穴的局限，提高有源层中电子和空穴的复合效率。然而，由于氮化物发光二极管中电子的迁移率较空穴大，因此电子很容易从n型氮化物层快速的穿越多量子阱层，而溢出到p型氮化物层，失去与空穴在多量子阱层中复合的机会。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮化物发光二极管，解决了现有技术中，由于电子具有比空穴快得多的迁移率，从而电子极易溢流出有源层，造成氮化物发光二极管的发光效率下降的问题。

（二）技术方案

为实现所述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮化物发光二极管，包括衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层、非掺杂氮化物层、n型氮化物层、有源层、电子阻挡层和p型氮化物层；其中：所述有源层是由若干个阱层和垒层交替堆叠而形成的多量子阱结构，所述若干个为大于2的正整数，所述垒层是由氮化物位障层和氮化硅位障层所组成。

其中：所述缓冲层的组分为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≤a≤0.2,0≤b≤1,0≤a+b≤1，厚度为5~100nm。

其中：所述非掺杂氮化物层的组分为In_cAl_dGa_1-c-dN，其中0≤c≤0.2,0≤d≤1,0≤c+d≤1，厚度为1~5μm

其中：所述n型氮化物层的组分为In_eAl_fGa_1-e-fN，其中0≤e≤0.2,0≤f≤1,0≤e+f≤1，厚度为1~5μm，n型的Si掺杂浓度为1E18~1E20cm^-3。

其中：所述阱层的组分为In_gAl_hGa_1-g-hN，其中0≤g≤0.6,0≤h≤0.6,0≤g+h≤1，厚度为1~5nm。

其中：所述氮化物位障层的组分为In_iAl_jGa_1-i-jN，其中0≤i≤0.2,0≤j≤1,0≤i+j≤1，厚度为4.5~18nm。

其中：所述氮化硅位障层的组分为SiN_x，其中1.1≤x≤1.5，厚度为0.5~3nm。

其中：所述电子阻挡层的组分为In_mAl_nGa_1-m-nN，其中0≤m≤0.2,0.1≤n≤1,0.1≤m+n≤1，厚度为2~100nm。

其中：所述p型氮化物层的组分为In_pAl_qGa_1-p-qN，其中0≤p≤0.2,0≤q≤1,0≤p+q≤1，厚度为10~200nm，p型的Mg掺杂浓度为5E18~5E21cm^-3。

其中：所述衬底为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、氮化铝（AlN）衬底、氮化镓（GaN）衬底、氧化镓（Ga₂O₃）衬底或氧化锌（ZnO）衬底中的任意一种。

（三）有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种氮化物发光二极管，具备以下有益效果：本发明使用氮化物位障层和氮化硅位障层作为有源层中的垒层，通过在垒层中设置带隙宽（~5eV）、且厚度薄（≤3nm）的氮化硅位障层，一方面可抑制电子溢流出有源层，提升氮化物发光二极管器件的发光效率，另一方面又可避免垒层的阻值过高，防止氮化物发光二极管器件的操作电压异常上升。

附图说明

图1 为本发明实施例中的氮化物发光二极管的外延结构示意图

图2 为本发明实施例中的氮化物发光二极管的外延结构制备方法流程图。

附图标记：

衬底100、缓冲层200、非掺杂氮化物层300、n型氮化物层400、有源层500、阱层510、垒层520、氮化物位障层521、氮化硅位障层522、电子阻挡层600、p型氮化物层700。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1、如图1所示，一种氮化物发光二极管，包括衬底100，以及依次位于衬底100上的缓冲层200、非掺杂氮化物层300、n型氮化物层400、有源层500、电子阻挡层600和p型氮化物层700，其中：所述有源层500是由若干个阱层510和垒层520交替堆叠而形成的多量子阱结构，所述若干个为大于2的正整数，所述垒层520是由氮化物位障层521和氮化硅位障层522所组成。

如图2所示，本实施例提出了氮化物发光二极管的制备流程，具体制备流程步骤如下：

步骤S1：提供一蓝宝石衬底100，将蓝宝石衬底100放入清洗机台中依次进行酸洗和去离子水冲洗，最后再使用热氮气吹干；

步骤S2：将蓝宝石衬底100放入磁控溅射机台中，沉积厚度为20nm，组分为AlN的缓冲层200；

步骤S3：将蓝宝石衬底100从磁控溅射机台中取出，放入金属有机物化学气相沉积机台（MOCVD）中，控制MOCVD的反应腔压力为100～600torr，温度为1000～1200^oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气和三甲基镓气体，生长厚度为3μm，组分为GaN的非掺杂氮化物层300；

步骤S4：控制MOCVD的反应腔压力为200torr，温度为1000～1200^oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气、硅烷和三甲基镓气体，生长厚度为2μm，组分为GaN的n型氮化物层400，其中n型的Si掺杂浓度为1E19 cm^-3；

步骤S5：随后调整MOCVD的反应腔压力为200torr，温度为800～1000^oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气、硅烷、三甲基铟和三乙基镓气体依次生长10个周期的阱层510、氮化物位障层521和氮化硅位障层522，其中阱层510的厚度和组份分别为3nm和In_0.14Ga_0.86N、氮化物位障层521的厚度和组份分别为10nm和GaN、氮化硅位障层522的厚度和组份分别为2nm和Si₃N₄。其中所述氮化硅位障层522的生长方式为关闭三甲基铟和三乙基镓、并通入硅烷和氨气进行生长所得；

步骤S6：改变MOCVD的反应腔压力为100torr，温度为900～1100^oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气、三甲基铝和三甲基镓气体，生长厚度为20nm，组分为Al_0.3Ga_0.7N的电子阻挡层600；

步骤S7：继续改变MOCVD的反应腔压力至500torr，温度为800～1000^oC，并通入定量的氮气、氢气、氨气、二茂镁和三甲基镓气体，生长厚度为60nm，组分为GaN的p型氮化物层700，其中p型的掺杂浓度为5E19 cm^-3。

本发明使用氮化物位障层和氮化硅位障层作为有源层中的垒层，通过在垒层中设置带隙宽（~ 5eV）、且厚度薄（≤3nm）的氮化硅位障层，一方面可抑制电子溢流出有源层，提升氮化物发光二极管器件的发光效率，另一方面又可避免垒层的阻值过高，防止氮化物发光二极管器件的操作电压异常上升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种氮化物发光二极管，包括衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层、非掺杂氮化物层、n型氮化物层、有源层、电子阻挡层和p型氮化物层；其特征在于：所述有源层是由若干个阱层和垒层交替堆叠而形成的多量子阱结构，所述若干个为大于2的正整数，所述垒层是由氮化物位障层和氮化硅位障层所组成。

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：所述缓冲层的组分为In_aAl_bGa_1-a-bN，其中0≤a≤0.2,0≤b≤1,0≤a+b≤1，厚度为5~100nm。

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：所述非掺杂氮化物层的组分为In_cAl_dGa_1-c-dN，其中0≤c≤0.2,0≤d≤1,0≤c+d≤1，厚度为1~5μm。

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n型氮化物层的组分为In_eAl_fGa_1-e-fN，其中0≤e≤0.2,0≤f≤1,0≤e+f≤1，厚度为1~5μm，n型的Si掺杂浓度为1E18~1E20cm^-3。

5.根据权利要求1所述的一种高发光效率的氮化物发光二极管，其特征在于：所述阱层的组分为In_gAl_hGa_1-g-hN，其中0≤g≤0.6,0≤h≤0.6,0≤g+h≤1，厚度为1~5nm。

6.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：所述氮化物位障层的组分为In_iAl_jGa_1-i-jN，其中0≤i≤0.2,0≤j≤1,0≤i+j≤1，厚度为4.5~18nm。

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：所述氮化硅位障层的组分为SiN_x，其中1.1≤x≤1.5，厚度为0.5~3nm。

8.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：所述电子阻挡层的组分为In_mAl_nGa_1-m-nN，其中0≤m≤0.2,0.1≤n≤1,0.1≤m+n≤1，厚度为2~100nm。

9.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型氮化物层的组分为In_pAl_qGa_1-p-qN，其中0≤p≤0.2,0≤q≤1,0≤p+q≤1，厚度为10~200nm，p型的Mg掺杂浓度为5E18~5E21cm^-3。

10.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：所述衬底为蓝宝石（Al₂O₃）衬底、硅（Si）衬底、碳化硅（SiC）衬底、氮化铝（AlN）衬底、氮化镓（GaN）衬底、氧化镓（Ga₂O₃）衬底或氧化锌（ZnO）衬底中的一种。