CN111081833A - 半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体发光二极管，包括：基板；设于所述基板上的缓冲层；设于所述缓冲层上的n型导电性半导体层；设于所述n型导电性半导体层上的活性层；设于所述活性层上的p型导电性半导体层；与所述n型导电性半导体层电气连接的n型电极；以及与所述p型导电性半导体层电气连接的p型电极；所述活性层具有可调节铟含量的量子阱层与量子势垒层交替层叠1次以上的结构。该半导体发光二极管能够提高光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光元件领域，具体涉及一种半导体发光二极管。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Device)具有将电能变换成光能的特性，可以由元素周期III族与V族元素化合生成p-n结二极管。因此，发光二极管可通过调节化合物半导体的组成比而体现多样颜色。发光二极管在施加正向电压时，n层的电子与p层的空穴(hole)复合，发散与导带(Conduction band)与价电带(Valance band)能隙相应的能量，该能量主要以热或光的形态释放，如果以光的形态发散，则为发光元件。在发光元件中，特别是氮化物半导体因较高的热稳定性和宽幅的带隙能而在光元件及高功率电子元件开发领域倍受瞩目。因此，利用氮化物半导体的蓝色(Blue)发光元件、绿色(Green)发光元件、紫外线(UV)发光元件等实现商用化并广泛使用。最近，随着高效率LED需求增加，光度改善成为了热点。因此，作为改善光度的方案，有改善活性层(MQW)结构、改善电子阻挡层(EBL)、改善活性层下部层等尝试，但尚未看到较大效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高光效率的半导体发光二极管。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种半导体发光二极管，包括：基板；设于所述基板上的缓冲层；设于所述缓冲层上的n型导电性半导体层；设于所述n型导电性半导体层上的活性层；设于所述活性层上的p型导电性半导体层；与所述n型导电性半导体层电气连接的n型电极；以及与所述p型导电性半导体层电气连接的p型电极；所述活性层具有可调节铟含量的量子阱层与量子势垒层交替层叠1次以上的结构。
进一步地，所述量子阱层为InGaN，其中铟含量的调节范围为5~15%。
进一步地，所述基板由SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN及AlN中一种以上构成。
进一步地，所述缓冲层为AlY(GaxIn1-X)1-YN，其中，0≤X≤1，0≤Y≤1。
进一步地，所述n型导电性半导体层以作为n型掺杂物质的Si、Ge或Sn掺杂。
进一步地，所述活性层根据期望波长，利用Al、Ga、In中至少一种与N化合而成。
进一步地，所述量子阱层与量子势垒层周期性地以5~20nm厚度交替层叠。
进一步地，所述p型导电性半导体层由InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN及InN中一种构成。
进一步地，所述p型导电性半导体层以Mg掺杂。
进一步地，所述n型电极为负极，包含Cr和Au，或包含Ti、Al和Au；所述p型电极为正极，包含Cr和Au，或包含Ni和Au。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种半导体发光二极管，该发光二极管在活性层内的量子阱层调节铟含量，从而可以改善多重量子阱结构的结晶性，提高载流子的复合率。而且，通过在活性层内调节量子阱层包含的铟(In)含量，可以防止电子溢出，减小消耗的电子量，提高了光效率。因此，本发明的发光二极管不仅可应用于BlueLED，也可应用于Green、UV，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明一实施例的半导体发光二极管的剖面图。
图2是本发明一实施例的半导体发光二极管的活性层的能带图表。
图3是本发明另一实施例的半导体发光二极管的活性层的能带图表。
具体实施方式
下面参照附图，详细说明本发明的实施例。
本发明的实施形态可以变形为各种其他形态，并非本发明的范围限定于以下说明的实施形态。另外，本发明的实施形态提供用于向该技术领域的普通技术人员更完整地说明本发明。因此，为了明确说明，附图中的要素的形状及大小等可以夸张，图中以相同的标记标识的要素是相同的要素。
图1是本发明实施例的半导体发光二极管的剖面图。
参照图1，本发明实施例的半导体发光二极管包括：基板(10)；设于所述基板上的缓冲层(20)；设于所述缓冲层(20)上的n型导电性半导体层(30)；设于所述n型导电性半导体层(30)上的活性层(40)；设于所述活性层(40)上的p型导电性半导体层(50)；与所述n型导电性半导体层(30)电气连接的n型电极(70)；以及与所述p型导电性半导体层(50)电气连接的p型电极(60)；所述活性层(40)具有可调节铟含量的量子阱层(41)与量子势垒层(42)交替层叠1次以上的结构。
下面对所述半导体发光二极管的各层作进一步说明。
在基板(10)上形成有缓冲层(20)。
基板(10)只要是可以用作氮化镓类发光二极管基板的公知物质，则可无限制地使用。作为一个示例，可以包括能够使氮化镓类半导体物质生长的SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN及AlN中一种以上。所述基板(10)可以具有用于使高品质氮化镓系半导体物质生长、通过光散射而提高发光二极管光释放效率的凸凹图案。
缓冲层(20)可以具有AlY(GaXIn1-X)1-YN(0≤X,Y≤1)的组成式。可以是用于阻断因所述基板(10)与外延层(Epitaxial layer)的晶格及热膨胀系数差异而发生的应力的层。所述缓冲层(20)既可以掺杂第一导电性掺杂物质，也可以不掺杂。不掺杂第一导电性掺杂物质的缓冲层(20)也可以稍后与基板(10)一同去除。
在缓冲层(20)上形成有n型导电性半导体层(30)。
n型导电性半导体层(30)可以为氮化物类，为了具有n型导电性，掺杂物质采用n型掺杂物质，可以为硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)。另外，所述n型导电性半导体层(30)可以利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)形成。形成的n型导电性半导体层(30)可以以单晶形成，可以以在一部分区域具有缺陷的性状形成。另外，形成的n型氮化物半导体层(200)可以用作因电压而发生的电子的传递层。
在n型导电性半导体层(30)上形成的活性层(40)，具有量子阱层(41)与GaN量子势垒层(42)交替1次以上配置的结构。
活性层(40)可以以单一或多重量子阱结构形成。所述活性层(40)可以根据期望的波长，利用Al、Ga、In 中至少一者与N选择性地形成。另外，多重量子阱结构可以以各层由相同组成或互不相同组成的反复结构形成，可以由量子阱层与量子势垒层周期性地以5nm~20nm厚度交替层叠形成。不过，优选活性层(40)以具有与下部n型导电性半导体层(30)同种结晶结构的物质形成。
活性层(40)具有多重量子阱(Multi Quantum Well)结构，意味着活性层(40)具有量子势垒层(42)(barrier layer)与量子阱层(41)(quantum well layer)交替层叠1次以上的结构。量子势垒层(42)可以为GaN，量子阱层(41)可以为InGaN，优选量子势垒层(42)具有高于量子阱层(41)带隙的带隙。由此，可以有效表达量子阱层(41)中的量子约束效果。如上所述，量子阱层(41)与量子势垒层(42)的形成，可以借助于带隙工程而执行。所述量子阱层(41)的铟(In)含量的调节范围为5~15%。不过，优选量子阱层(41)具有低于量子势垒层(42)带隙的带隙。另外，根据需要，在活性层(40)上可以包括含有InGaN并以p型掺杂的第一晶格层（图上未示出）和未掺杂的含有InGaN的第二晶格层（图上未示出）。
在活性层(40)上形成有p型导电性半导体层(50)。
p型导电性半导体层(50)可以为氮化物类，优选由与形成所述n型导电性半导体层(30)或活性层(40)的基础物质相同的基础物质形成。另外，p型导电性半导体层(50)可以导入多样形态的掺杂物质。例如，当所述p型导电性半导体层(50)包含GaN时，作为掺杂物质可以使用2族元素，优选使用Mg。所述p型导电性半导体层(50)可以以InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN及InN中某一种构成。此外，所述p型导电性半导体层(50)是具有能够使所述活性层(40)形成的光线的吸收实现最小化的结构和带隙的物质，只要是具有光透过性的物质便可使用。另外，在这种p型导电性半导体层(50)上，可以形成有未图示的第三导电性半导体层及/或透明电极层。
形成与n型导电性半导体层(30)及p型导电性半导体层(50)分别电气连接的n型电极(70)及P型电极(60)。
所述n型电极(70)可以为负极，作为一个示例，可以包括Cr和Au或包括Ti、Al和Au。另外，所述n型电极(70)可以根据利用了硬掩模的通常的电极工序而形成。所述P型电极(60)可以为正极，作为一个示例，可以包括Cr和Au或包括Ni和Au。另外，所述P型电极(60)可以在借助于蚀刻而露出的所述n型导电性半导体层(30)平滑的面上形成，可以根据利用了硬掩模的普通电极工序而形成。
于是，基板(10)、缓冲层(20)、n型导电性半导体层(30)、具有由量子阱层(41)和GaN量子势垒层(42)交替配置1次以上的结构的活性层(40)、p型导电性半导体层(50)、所述n型导电性半导体层(30)，可以以氮化物类半导体，通过有机金属化学积淀法(MOCVD；Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、化学沉积法(CVD； Chemical VaporDeposition)、等离子体化学沉积法(PECVD； Plasma-Enhanced Chemical VaporDeposition)、分子束外延法(MBE； Molecular Beam Epitaxy)、氢化物气相外延法(HVPE；Hydride Vapor Phase Epitaxy)及溅射(Sputtering)而形成。另外，包括所述量子阱层(41)/量子势垒层(42)的活性层(40)、n型导电性半导体层(30)、p型导电性半导体层(50)可以在相同腔室内，采用不同原料比率进行生长及掺杂，特别是所述量子阱层(41)调节包含的铟含量，改善多重量子阱结构的结晶性，防止电子溢出，减小因此而消耗的电子量，可以提供一种提高了光效率的发光二极管。
图2至图3是本发明实施例的半导体发光二极管的活性层的能带图表，用于说明活性层的多重量子阱结构结晶性得到改善的情况。
参照图2，在n型导电性半导体层(30)与p型导电性半导体层(50)之间，具有由量子阱层(41)与GaN量子势垒层(42)交替配置1次以上的多重量子阱结构的活性层(40)。于是，为了防止活性层的变形，可以设计得使量子阱层(41)的能带位错在n型半导体层一侧较低，而p型半导体层一侧较高。
参照图3，可以包括如图2所示在n型导电性半导体层(30)与p型导电性半导体层(50)之间具有由量子阱层(41a)与GaN量子势垒层(42a)交替1次以上配置的多重量子阱结构的活性层(40)。不过，所述量子阱层(41a)包含的铟含量比图2低。于是，当分别使量子阱层(41)、(41a)生长时，在生长初期，相对较多地供应铟(In)含量后，阶段性减小，减小至基准量的程度，从而可以形成渐变的能带。详细而言，各个量子阱层(41)、(41a)可以根据生长时间，变化InXGayN/InX1Gay1N而生长。例如，可以为0 < x ≤1、0 < x1 ≤1、y=1-x、y1=1-x1，x > x1。其中，并非所有量子阱层，而是可以针对一部分量子阱层，阶段性地减小铟组成比。此时，量子势垒层(42)、(42a)可以以GaN层形成，能带会因量子阱层(41)、(41a)而变形。例如，可以使量子阱层(41)、(41a)的铟含量从15%减小为0%，再从0%减小为15%。于是，本发明的发光二极管可以随着在活性层内的量子阱层调节铟(In)含量，改善多重量子阱结构的结晶性，提高载流子的复合率。而且，本发明的发光二极管随着在活性层内调节量子阱层包含的铟(In)含量，可以防止电子溢出，减小因此而消耗的电子量，提高光效率。因此，本发明的发光二极管并非只应用于Blue LED，也可以应用于Green、UV。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体发光二极管，其特征在于，包括：
基板；
设于所述基板上的缓冲层；
设于所述缓冲层上的n型导电性半导体层；
设于所述n型导电性半导体层上的活性层；
设于所述活性层上的p型导电性半导体层；
与所述n型导电性半导体层电气连接的n型电极；以及
与所述p型导电性半导体层电气连接的p型电极；
所述活性层具有可调节铟含量的量子阱层与量子势垒层交替层叠1次以上的结构。
2.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱层为InGaN，其中铟含量的调节范围为5~15%。
3.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述基板由SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN及AlN中一种以上构成。
4.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述缓冲层为AlY(GaxIn1-X)1-YN，其中，0≤X≤1，0≤Y≤1。
5.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述n型导电性半导体层以作为n型掺杂物质的Si、Ge或Sn掺杂。
6.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述活性层根据期望波长，利用Al、Ga、In中至少一种与N化合而成。
7.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述量子阱层与量子势垒层周期性地以5~20nm厚度交替层叠。
8.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述p型导电性半导体层由InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN及InN中一种构成。
9.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述p型导电性半导体层以Mg掺杂。
10.根据权利要求1所述的半导体发光二极管，其特征在于，所述n型电极为负极，包含Cr和Au，或包含Ti、Al和Au；所述p型电极为正极，包含Cr和Au，或包含Ni和Au。
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