CN110582857B - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管外延片，其包括N型导通层、多量子阱和P型导通层，多量子阱的至少两个周期结构中每一个周期堆叠顺序为第一子层、第二子层和第三子层，第一子层为势阱，所述第二子层为势垒，并且所述第一子层的能级带隙Eg1、第二子层的能级带隙Eg2和第三子层的能级带隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3。额外势垒能提供更好的局限效果，在元件操作时，处于外加偏压情形下所造成的能带倾斜，产生一高带隙势垒的凸出(potential barrier spike),藉由此一特殊能带差异设计，更能防止载流子溢流，增加辐射复合效率，提升亮度。

Description

发光二极管
技术领域
本发明涉及半导体器件外延领域，具体涉及一种具有高能级带隙 (EnergyBandgap,简称Eg) 多量子阱的发光二极管。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）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。发光二极管一般包括N型半导体层、发光区和P型半导体层的外延结构。发光区域常使用多量子阱结构，多量子阱结构初始为两种不同的半导体材料薄膜相互堆叠形成电子或空穴的势阱，多量子阱的发光通过限制于阱层内的电子空穴对的辐射复合实现的。使用时，LED两端加上电压以后，载流子通过隧穿、扩散或热发射的形式进入多量子阱，注入的载流子大部分被多量子阱捕获并限制在其中，通过在阱层内辐射复合发出光，发光的波长取决于所使用的阱层材料的能级带隙。发光亮度取决于内量子效率和光提取效率，而提高内量子效率主要是通过多量子阱结构的调节，如阱深、厚度、组分和结构等。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管外延片，用于发光二极管，通过在传统多量子阱的势阱和势垒两种半导体堆叠的周期结构中增加更高能级带隙的半导体层来改进周期结构的能级带隙分布，从而改善发光效率和漏电功能。
本发明的技术方案为：一种发光二极管外延片，其包括N型导通层、多量子阱和P型导通层，其特征在于：多量子阱的至少两个周期结构中每一个周期堆叠顺序为第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为势阱，所述第二子层为势垒，并且所述第一子层的能级带隙Eg1、第二子层的能级带隙Eg2和第三子层的能级带隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3。
优选地，所述的多量子阱包括周期性堆叠结构，包括第一子层和第二子层堆叠为至少一个周期以及上述至少堆叠顺序为第一子层、第二子层和第三子层的至少两个周期。
更优选地，所述的第三子层Eg3与Eg2的差值至少为1.5eV。
更优选地，所述的第三子层的厚度为30埃以下。
更优选地，所述的多量子阱的总厚度为100~3000埃。
优选地，所述第一子层、第二子层和第三子层的厚度分别为300埃以下。更优选地，所述第一子层的厚度为20~150埃。更优选地，所述的第一子层的厚度为50-80埃。
优选地，第二子层的厚度为50~300埃。更优选地，所述的第二子层的厚度为150~210埃。
更优选地，所述的发光二极管为氮化镓基二极管。
所述的第三子层为AlwGa1-wN，0.95≤w≤1。
更优选地，所述的第二子层的Eg2和第一子层的Eg1的能级带隙差值为0.25~0.30eV范围。
更优选地，所述发光二极管发光波长区域为紫外，更优选地，所述的发光波长为350-370nm。
更优选地，所述的第一子层的Eg1范围是3.3~3.5eV之间，第二子层的Eg2范围是3.55~3.90之间。
更优选地，所述的第一子层的Eg1范围是3.3~3.4eV之间，第二子层的Eg2范围是3.59~3.7eV之间，所述的第三子层的Eg3为6.0~6.2eV之间。
更优选地，所述的第一子层为InxGa1-xN（0<x<1），通过In含量调整而调整Eg1，更优选地，所述的x含量位于0~0.03之间。
更优选地，所述的第二子层为InyAlzGa1-y-zN（0≤y≤1，0≤z≤1），通过In和Al含量的调整而调整Eg2。更优选地，所述的y含量位于0~0.02之间，所述的z含量位于0.06~0.12之间。
更优选地，所述的第三子层为AlwGa1-wN（0≤w≤1），通过 Al含量的调整而调整Eg3，所述的w含量位于0.95-1之间。
更优选地，优选地，当所述的w为1时，所述的第三子层为AlN，Eg3为6.2，所述第三子层的厚度为10~15埃。
更优选地，所述的多量子阱获得的发光二极管可制作为正装或倒装或垂直型或微型发光二极管。
优选地，所述的多量子阱包括周期性堆叠结构，其中所有周期性堆叠结构的堆叠顺序为第一子层、第二子层和第三子层的至少两个周期堆叠而成，其中所述第一子层的能级带隙Eg1、第二子层的能级带隙Eg2和第三子层的能级带隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3。
优选地，所述多量子阱的至少一个周期性结构中，第一子层进一步由至少两种半导体材料堆叠而成，至少两种半导体材料的堆叠方式为逐渐靠近第二子层侧Eg由低到高。
优选地，所述多量子阱的至少一个周期性结构中，第二子层进一步由至少两种半导体材料堆叠而成，至少两种半导体材料的堆叠方式为逐渐远离第一子层侧Eg由低到高。
优选地，所述多量子阱的至少一个周期性结构中，第三子层进一步由至少两种半导体材料堆叠而成，至少两种半导体材料的堆叠方式为逐渐远离第二子层侧Eg由低到高并且都高于第二子层的Eg2，更优选地，所述第三子层的至少两种半导体材料的Eg均高于第二子层的Eg2 至少1.5eV。
本发明提出的所述的外延结构可广泛地适用于所有发光区域的发光二极管，所述的多量子阱结构在发光二极管中提供发光辐射，通过在传统的两层不同半导体材料组成的的阱和垒重复性周期堆叠多量子阱结构的基础上，所述的多量子阱的至少两个周期结构的在每一堆叠的垒层上多生长一带隙更高于势垒层 (Eg2) 的额外局限层(Eg3)，额外势垒能提供更好的局限效果，在元件操作时，处于外加偏压情形下所造成的能带倾斜，如导入第三子层Eg3与Eg2的差值至少为1.5eV，将产生一高带隙势垒的凸出 (potential barrierspike)，藉由此一特殊能带差异设计，更能防止载流子溢流，增加辐射复合效率，提升亮度。
此外，带隙高意味着更接近绝缘，控制合适的厚度Eg3层于MQW的每一层中，能够有效保证其对载流子的局限效果，同时能够阻挡逆向电流，改善老化的漏电流能力。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明实施例一样品一发光二极管的结构示意图。
图2a、2b为本发明实施例一样品一发光二极管的TEM图。
图3是发光二极管的量子阱的 X射线能谱线扫描成分轮廓分析图。
图4为本发明实施例一的波长-亮度散点图。
图5-8是本发明实施例二到实施例七的发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明之一种带有高能级带隙超晶格层的发光二极管更易于理解其实质性特点及其所具的实用性，下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
应当理解，本发明所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本发明。如本发明所使用的，单数形式“一”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式，除上下文清楚地表明之外。应进一步理解，当在本发明中使用术语“包含”、"包括"、“含有”时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或封装件的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、封装件、和/或它们的组合的存在或增加。
除另有定义之外，本发明所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。
本发明第一个较佳实施例为氮化镓基发光二极管外延结构，但不限于此。可变换地，发光二极管可以具有正装或倒装型结构。图1显示了该发光二极管所采用的外延结构示意图，所述的外延结构由下至上依次包括：N型导通层110、发光层120、P型电子阻挡层130和P型导通层140。该发光二极管的外延结构外延生长衬底上MOCVD生长获得。外延结构通过将P型导通层侧转移到永久衬底上获得芯片，本发明采用现有的垂直发光二极管制备方式获得。
其中N型导通层110和P型导通层140由氮化物基半导体层制成，其具有比发光层120更宽的带隙，在具体的实施例中，可以AlGaN层或GaN。
P型电子阻挡层130位于发光层120与P型导通层140之间，其能级带隙大于P型导通层140的能级带隙，由含有Al的氮化物基半导体层制成，可以是单层或多层结构，例如超晶格结构。
发光层120由至少两个周期结构构成，每个周期结构一般至少包含两个不同材料的薄层结构，其材料为氮化物基半导体层，较佳的为非故意掺杂，其中至少两个周期结构A包含第一子层、第二子层和第三子层，其中述第一子层的能级带隙Eg1、第二子层的能级带隙Eg2和第三子层的能级带隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3，其中第一子层作为阱使用，第二子层作为垒使用，在垒的层上再叠加一层第三子层，形成额外势垒能提供更好的局限效果，在元件操作时，处于外加偏压情形下所造成的能带倾斜，藉由此一高带隙势垒的凸出 (Eg3，potential barrier spike) 更能防止载流子溢流，增加辐射复合效率，提升亮度。此外，带隙高意味着更接近绝缘，如生长适当的厚度Eg3层于MQW的每一层中，将更能阻挡逆向电流，改善老化的漏电流能力。另外，该阶梯状势垒 (Eg2<Eg3) 也有助于调节整个MQW阱垒的应力。第三子层Eg3优选为大于Eg2至少1.5eV，以保证其对载流子的局限效果，有效防止载流子的溢流状况。厚度优选为30埃以下。第一子层和第二子层的厚度用于调整阱和垒的厚度，第三子层的厚度若较薄，额外势垒能提供的局限效果不够明显，若第三子层的厚度较厚，则会导致其导电性较差，发光区的性能降低，电压升高。
该结构更佳适用于氮化物基发光二极管，发光波长为210-420nm。优选地，周期结构A可以采用InGaN/AlGaN/AlN、GaN/AlGaN/AlN或者InGaN/AlInGaN/AlN或者InGaN/GaN/AlN。例如第一子层121可以采用InxGa1-xN，其中x值大小可以调整发光波长，若x较大，则发光波长较短，若x较小则发光波长较长，第二子层122可以采用InyAlzGa1-y-zN（其中0≤y≤1，0≤z≤1，y+z≤1），第三子层123优选为AlwGa1-wN（w为0~1之间）。同时，通过第一子层的In含量能够调整Eg1，通过第二子层Al和In含量可以调整Eg2，通过第三子层Al含量可以调整Eg3。第一子层Eg1优选为3.3-3.5eV，更优选为3.3-3.4eV，厚度优选为300埃以下，第二子层Eg2优选为3.55-3.9eV，更优选为3.59-3.70 eV厚度优选为300埃以下。第三子层的Eg3为大于1.5eV，更优选地，第三子层为AlN，Eg3为6.2eV，所述的第三子层的厚度为10-15埃。此外，氮化物发光二极管，主要采用In和Al掺杂获得量子阱的阱和垒的材料，而晶格常数的排布趋势是InN<GaN<AlN，通过本发明，实现多量子阱结构由晶格常数阶梯状变化 (如第一子层InGaN<第二子层InAlGaN或AlGaN<第三子层AlGaN或AlN) 的材料堆叠所构成，也有助于调节整个MQW阱垒的晶格匹配，有助于应力释放，提升晶体质量。相反，若将所述的Eg3设置于阱和垒之间，载流子迁移相对于本发明的阶梯式的结构更难，并且对于Eg3的第三子层与第一子层之间的应力差异较大，对于应力释放并不如本发明的阶梯式排列顺序。
下面为两种主发光波长为365-370nm的紫外LED垂直芯片样品，永久衬底为硅衬底，P型电子阻挡层为AlGaN。芯片尺寸为325μm*325μm，其中样品一采用图1所示的外延结构，生长衬底为蓝宝石，N型半导体层为AlGaN，P型半导体层为AlGaN，发光层120具体采用InxGa1-xN（x含量为0.5 at%，层平均厚度为76埃）/AlzGa1-zN（z含量为8at%，层平均厚度为177埃）/AlN三层交替堆叠（层平均厚度为10埃），周期数量为5，形成的高能级带隙结构，样品二不同的是，多量子阱采用常规的InGaN和AlGaN的堆叠结构，其它层与样品一相同，多量子阱层采用InxGa1-xN（x含量为0.5 at%，层平均厚度为76埃）/AlzGa1-zN（z含量为8at%，层平均厚度为177埃）两层交替堆叠形成一个周期，周期数量为5。
图2a为样品一的透射电镜图，从图中可以发现发光层多量子阱为五个周期的堆叠结构。图2b为样品一多量子阱层放大倍数的透射电镜图，可以测量出每一周期结构中第一子层、第二子层、第三子层的厚度分布情况。
图3为多量子阱的 EDX线性扫描成分轮廓分析图，从图中可以看出周期结构数量以及每一个周期中Al含量变化趋势，并大致地确定每一个周期结构的堆叠方式以及相对厚度。
图4显示了样品一（a和b）和样品二（a和b）电流150mA下的波长-亮度散点图，由于MOCVD生长外延片时所采用的承载盘为圆形结构，承载盘上的不同位置的外延片会导致生长质量不同，因此将承载盘中同一个位置的样品一和样品二的两个外延片样品进行对比，其中右侧的实心点测试数据表示样品一的两个位置的生长样品，左侧的实心点的测试数据表示样品二的两个位置的生长样品。从图4中可看出，两个样品的发射波长都在波段为365-370nm之间分布，样品一的两个样品的发光亮度明显高于样品二的发光亮度，即样品一的亮度大幅提升。并且通过测试热冷态因子H/C（在85℃和25℃条件下亮度比值），样品一（a和b）的H/C为78-80%，相对于传统的H/C值（低于70%）高，有效改善了热态操作的亮度稳定性。
将上述两种样品在环境温度为65℃、结温125℃的条件下，施加电流150mA老化测试48H或96H，然后施加反向电压5V的老化漏电电流测试实验，△IR 表示的是48H或96H时电流值与最初始状态的电流值的差值，此差值越小，代表二级管的量子井质量越好，PN结在反向电压下更不易有电流导通过， 意味着元件在后续的操作使用上，有更稳定的逆向特性，测试下面各项参数。从下面表一可以看出，样品一（a，b）的老化漏电电流明显改善。
表一
在前面的实施例中，发光二极管的发光层120的周期结构主要由第一种周期结构A（包括第一子层121、第二子层122和第三子层123）构成。
发明在另一个实施例（实施例二）中，发光层120也可以为组合式结构，例如至少由第一种周期结构A和第二种周期结构B构成，其中第一种周期结构A的各子层可以参考实施例一的结构进行设置，第二种周期结构B只需要由第四子层124和第五子层125构成，其中第四、第五子层的材料可以与第一子层至第二子层相同，也可以不同。
在一个具体的实施例三中，第一种周期结构A邻近P型电子阻挡层130设置，第二种周期结构B邻近N型导通层110设置，第四子层124采用与第一子层121相同的材料层，第五子层125采用与第二子层122相同的材料，例如第一周期结构A为样品一的结构：InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为两个以上，例如2-29周期，第二周期结构B采用样品二的结构InGaN/AlGaN设置，其周期数为一个以上，例如1-28，参见图5。
在另一个具体的实施例四中，第一种周期结构A邻近N型导通层110设置，第二种周期结构B邻近电子阻挡层130设置，第四子层124采用与第一子层121相同的材料层，第五子层125采用与第二子层122相同的材料，例如第一周期结构A为样品一的InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为两个以上，例如2-29周期，第二周期结构B采用样品二的结构InGaN/AlGaN设置，其周期数为一个以上，例如1-28。
在另一个具体的实施例五中，至少一个周期性结构的第一子层为两种半导体材料组合而成，两种半导体层材料1211和1212的堆叠顺序为Eg由低到高的形式。例如样品一的结构：InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为2个以上，例如2-29周期，其中至少一个周期中InxGa1-xN为两种不同含量的In（具体的x含量为0~0.03）堆叠而成，如图6。
在一个具体的实施例六中，至少一个周期性结构的第二子层为两种半导体材料组合而成，两种半导体层材料1221和1222的堆叠顺序为Eg由低到高的形式。例如样品一的结构：InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为2以上，例如2-29周期，其中至少一个周期中的第二子层为不同y和z的InyAlzGa1-y-zN组成，通过In和Al含量的调整而调整第二子层的至少两种半导体材料的Eg。更优选地，所述的y含量位于0~0.02之间，所述的z含量位于0.06~0.12之间，如图7。
在一个具体的实施例七中，至少一个周期性结构的第三子层为两种半导体材料组合而成，至少两种半导体层材料1231和1232的堆叠顺序为Eg由低到高的形式。例如样品一的结构：InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为2以上，例如2-29周期，更优选的，至少一个周期中AlN替换为AlGaN与AlN组合堆叠而成，第三子层至少两种半导体材料的Eg优选为大于Eg2至少为1.5eV，如图8。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种发光二极管外延片，其包括N型导通层、多量子阱和P型导通层，其特征在于：从N型导通层到P型导通层的堆叠方向上看，多量子阱中每一个周期堆叠顺序为第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层为势阱层，所述的第一子层为InGaN层，所述第二子层为势垒层，所述的第二子层为AlGaN层，并且所述第一子层的能级带隙Eg1、第二子层的能级带隙Eg2和第三子层的能级带隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3，所述的第三子层为AlwGa1-wN，0.95≤w≤1，所述第三子层的厚度为30埃以下。
2. 根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于：Eg3与Eg2的差值至少为1.5eV。
3.根据权利要求1-2任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于：所述多量子阱的至少一个周期结构中，第一子层进一步由至少两种半导体材料堆叠而成，至少两种半导体材料的堆叠方式为逐渐靠近第二子层侧的Eg由低到高并且都低于第二子层的Eg2。
4.根据权利要求1-2任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于：所述多量子阱的至少一个周期结构中，第二子层进一步由至少两种半导体材料堆叠而成，至少两种半导体材料的堆叠方式为逐渐远离第一子层侧的Eg由低到高。
5.根据权利要求1-2任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于：所述多量子阱的至少一个周期结构中，第三子层进一步由至少两种半导体材料堆叠而成，至少两种半导体材料的堆叠方式为逐渐远离第二子层侧Eg由低到高并且都高于第二子层的Eg2。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于：所述发光二极管为氮化镓发光二极管。
7.根据权利要求1-2任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于：所述第三子层为AlN。
8.根据权利要求7所述的发光二极管外延片，其特征在于：所述第三子层AlN的厚度为10-15埃。
9.根据权利要求1-2任一项所述发光二极管外延片，其特征在于：所述发光二极管的发光波长为350-370nm。
10.根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述第一子层的能级带隙Eg1为3.3~3.5eV。
11. 根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述第二子层的能级带隙Eg2为 3.55~3.9eV。
12.根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述的第二子层的Eg2和第一子层的Eg1的能级带隙差值为0.25~0.30eV。
13.根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述周期结构的数量为2~20。
14.根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述的第一子层为InxGa1-xN，0≤x≤0.03。
15.根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述的第二子层为InyAlzGa1-y-zN，0≤y≤0.02，0.06≤z≤0.12。
16.根据权利要求9所述发光二极管外延片，其特征在于：所述的第二子层为AlzGa1-zN，0.06≤z≤0.12。
17.根据权利要求1-2任一项所述发光二极管外延片，其特征在于：所述第一子层和第二子层的厚度分别为300埃以下。
18.根据权利要求1-2任一项所述发光二极管外延片，其特征在于：所述第一子层的厚度为20~150埃、第二子层的厚度为50~300埃。
19.根据权利要求1-2任一项所述发光二极管外延片，其特征在于：所述量子阱的总厚度为100~3000埃。
20.根据权利要求1-19任一项所述的发光二极管外延片获得的发光二极管。
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