CN113571613A - 发光二极管结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体材料领域，公开了一种发光二极管结构，其中p型半导体层为含铝氮化物层的厚度占其整体厚度95%以上的多层结构，多层结构从下至上至少包括第一至第六子层；第三子层中的铝浓度≥第一子层＞第二子层＞第四子层＞第六子层；第一子层的厚度＜第六子层＜第五子层＜第二子层≤第三子层＜第四子层；第四子层为厚度为50Å~800Å的高温P型Alz4Inx4Gay4N，其中，0≤x4<1，0<y4<1，0<z4<1，且x4+y4+z4=1；Al浓度为1E19~1E20 Atom/cm3。本申请通过增加P型半导体层通Al厚度的占比并优化各层间Al含量的比例，提升光取出效率，该发光二极管结构具有较佳的出光效率。

Description

发光二极管结构
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种发光二极管结构。
背景技术
发光二极管(LED)作为一种高效、环保和绿色新型固态照明光源，具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高及使用功耗低等优点，使其得以广泛应用。特别地，随着LED行业的迅猛发展，LED在照明领域的应用所占比例越来越高。随着大功率发光二极管芯片在照明领域广泛应用，对大功率发光二极管芯片发光效率要求与日俱增，要提升大功率发光二极管芯片发光效率，一方面要提高大功率发光二极管芯片的亮度，另外一方面要降低大功率发光二极管芯片在高电流密度下的工作电压。
目前的二极管中P型半导体层通常会设计较厚的厚度来保证较好的晶体质量，但是有源层产生的光在经过厚度较厚的p型半导体层时会被吸收一部分，导致发光二极管的光出射率较低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种发光二极管结构，通过增加P型半导体层中含铝氮化物层的厚度的占比并优化各层间Al含量的比例，有效提升了光取出效率。
技术方案：本发明提供了一种发光二极管结构，包括：基板，设置于该基板之上的缓冲层，设置于缓冲层之上的N型半导体层、与N型半导体层电性连接的N电极、设置于所述N型半导体层之上的多量子阱层、设置于所述多量子阱层之上的p 型半导体层，以及与该p型半导体层电性连接的p电极；所述p型半导体层为多层结构，所述多层结构中含铝氮化物层的厚度占整个P型半导体层厚度的95%以上，所述多层结构从下至上至少包括第一子层、第二子层、第三子层、第四子层、第五子层和第六子层，所述第一子层位于所述第二子层与所述多量子阱层之间，所述第六子层位于所述p电极与所述第五子层之间；所述第三子层中的铝浓度≥所述第一子层中的铝浓度＞所述第二子层中的铝浓度＞所述第四子层中的铝浓度＞所述第六子层中的铝浓度；所述第一子层的厚度＜所述第六子层的厚度＜所述第五子层的厚度＜所述第二子层的厚度≤所述第三子层的厚度＜所述第四子层的厚度；所述第四子层为厚度为50Å~800Å的P型Alz4Inx4Gay4N，其中，0≤x4<1，0<y4<1，0＜z4<1，且 x4+y4+ z4=1；Al浓度为1E19~1E20 Atom/cm3。
优选地，所述第五子层为含铝氮化物层，其中，所述第三子层中的铝浓度≥所述第一子层中的铝浓度＞所述第二子层中的铝浓度＞所述第四子层中的铝浓度＞所述第五子层中的铝浓度＞所述第六子层中的铝浓度。将第三子层的铝浓度设计为≥第一子层中的铝浓度＞第二子层中的铝浓度＞第四子层中的铝浓度＞第五子层中的铝浓度＞第六子层中的铝浓度，是因为第一子层及第三子层起电子阻挡的作用，故这两层Al浓度最高，第二子层起应力释放的作用，故Al浓度不宜过高，第四子层通Al有利于提升光透过性，但如果通入的Al过多则不利于空穴注入有源层，故从第三子层之后Al浓度依次递减，这样的设计既具有较好的透光性又能够起到较好的阻挡电子的作用。
优选地，所述第五子层为厚度为50Å~100Å的P型Alz5Inx5Gay5N，其中，0≤x5<1，0＜y5≤1，0≤z5<1，且x5+y5+z5=1；Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3。
优选地，所述第五子层中P型杂质浓度大于5E19 Atom/cm3；其中，x5＝0，y5=1，z5=0，所述第五子层为P型GaN层；或者，0＜x5<1，0＜y5＜1，z5=0，且x5+y5=1，所述第五子层为P型InGaN层；或者，x5＝0，0＜y5＜1，0＜z5<1，且y5+z5=1，所述第五子层为P型AlGaN层；或者，0＜x5＜1，0＜y5＜1，0＜z5<1，且x5+y5+z5=1，所述第五子层为P型AlInGaN层。
优选地，所述第六子层为厚度为20Å~40Å的P型Alz6Inx6Gay6N，其中，0≤x6<1，0＜y6<1，0≤z6≤1，且x6+y6+z6=1；Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3。
优选地，所述第六子层中P型杂质浓度大于1E20 Atom/cm3；其中，x6=0，0＜y6<1，0＜z6＜1，且y6+z6=1，所述第六子层为P型AlGaN层；或者，0＜x6<1，0＜y6<1，0＜z6＜1，且x6+y6+z6=1，所述第六子层为P型AlInGaN层。
优选地，所述第一子层为厚度为20Å~30Å的Alz1Inx1Gay1N，其中，0<x1<1，0≤y1<1，0≤z1 <1，且x1+y1+z1=1，其中Al浓度为大于等于1E20 Atom/cm3。
优选地，所述第二子层为厚度为150Å~300Å 的P型Alz2Inx2Gay2N层，其中，0≤x2<1，0＜y2<1，0＜z2 <1，且x2+y2+z2=1。
优选地，所述第二子层中P型杂质浓度大于等于1E20 Atom/cm3；其中，0＜x2<1，0＜y2<1，0＜z2＜1，且x2+y2+z2=1，所述第二子层（52）为P型AlInGaN层；或者，x2=0，0＜y2<1，0＜z2＜1，且y2+z2=1，所述第二子层（52）为P型AlGaN层。
优选地，所述第三子层为厚度为150Å~250Å 的Alz3Inx3Gay3N层，其中，0≤x3<1，0≤y3<1，0＜z3<1，且x3+y3+z3=1，其中Al浓度为大于1E20 Atom/cm3。
有益效果：（1）本发明中的发光二极管结构中，P型半导体层中含铝氮化物层的厚度占整个P型半导体层厚度的95%以上，而含铝氮化物层较GaN有更好的光透过性，因此可以降低P型半导体层对多量子阱层发出的光吸收。
（2）本发光二极管结构的p型半导体层为多层结构，将多层结构中的第三子层的铝浓度设计为≥第一子层中的铝浓度＞第二子层中的铝浓度＞第四子层中的铝浓度＞第六子层中的铝浓度，是因为第一子层及第三子层起电子阻挡的作用，故此两层Al浓度最高，第二子层起应力释放的作用，故Al浓度不宜过高，第四子层通Al有利于提升光透过性，但如果通入的Al过多则不利于空穴注入有源层，故从第三子层之后Al浓度依次递减，这样的设计既具有较好的透光性又能够起到较好的阻挡电子的作用。
（3）本发光二极管结构的p型半导体层中，第一子层的厚度＜第六子层的厚度＜第五子层的厚度＜第二子层的厚度≤第三子层的厚度＜第四子层的厚，这样设计是因为这样的设计使得会吸收蓝光波段的氮化镓层厚度远小于透光性较好的氮化铝镓层，既具有较好的透光性又兼具较好的抗静电性能。
（4）本案通过增加P型半导体层通Al厚度的占比并优化各层间Al含量的比例，提升光取出效率，该发光二极管结构具有较佳的出光效率。
附图说明
图1为本发明汇总发光二极管结构的示意图；
图2为p型半导体层的结构示意图；
图3 为不同实施例的发光二极管亮度对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施例1：
本实施方式提供了一种发光二极管结构，如图1所示，主要包括：基板，设置于该基板之上的缓冲层，设置于缓冲层之上的N型半导体层、与N型半导体层电性连接的N电极、设置于所述N型半导体层之上的多量子阱层、设置于多量子阱层之上的p 型半导体层，以及与该p型半导体层50电性连接的p电极；p型半导体层为为多层结构，多层结构中含铝氮化物层的厚度占整个P型半导体层厚度的95%以上，如图2，该多层结构从下至上依次为第一子层、第二子层、第三子层、第四子层、第五子层和第六子层，第一子层位于第二子层与多量子阱层之间，第六子层位于p电极与第五子层之间；第三子层中的铝浓度≥第一子层中的铝浓度＞第二子层中的铝浓度＞第四子层中的铝浓度＞第六子层中的铝浓度；第五子层和第六子层中不含铝。
上述第一子层为厚度为20 Å ~30 Å的Alz1Inx1Gay1N，其中，0<x1<1，0≤y1<1，0≤z1<1，且x1+y1+z1=1，其中Al浓度为大于等于1E20 Atom/cm3。
上述第二子层为厚度为150 Å ~300 Å的P型Alz2Inx2Gay2N层，其中，0＜x2<1，0＜y2<1，0＜z2<1，且x2+y2+z2=1。第二子层为空穴提供层，优选0≤x2<1，0＜y2<1，0＜z2＜1，且x2+y2+z2=1，第二子层为P型AlInGaN层；或者，优选x2=0，0＜y2<1，0＜z2＜1，且y2+z2=1，所述第二子层为P型AlGaN层。其中，P型杂质浓度大于等于1E20 Atom/cm3。
上述第三子层为厚度为150 Å ~250 Å的Alz3Inx3Gay3N层，其中，0≤x3<1，0<y3<1，0≤z3<1，且x3+y3+z3=1，其中Al浓度为大于1E20 Atom/cm3。第三子层53为电阻阻挡层，优选为单层或多层结构。
上述第四子层为厚度为50 Å ~800 Å的P型Alz4Inx4Gay4N，其中，0≤x4<1，0<y4<1，0<z4<1，且 x4+y4+z4=1；Al浓度为1E19~1E20 Atom/cm3。
上述第五子层为厚度为50Å ~100Å的P型Alz5Inx5Gay5N，其中，0≤x5<1，0<y5≤1，0≤z5<1，且x5+y5+z5=1，P型杂质浓度大于5E19 Atom/cm3。本实施方式中，优选x5＝0，y5=1，z5=0，第五子层55为P型GaN层；或者，优选0＜x5<1，0＜y5＜1，z5=0，且x5+y5=1，第五子层55为P型InGaN层；即本实施方式中的第五子层55中不含Al。
上述第六子层为厚度为20 Å ~40 Å的P型Alz6Inx6Gay6N，其中，0≤x6<1，0＜y6<1，0≤z6≤1，且x6+y6+z6=1；P型杂质浓度大于1E20 Atom/cm3。本实施方式中优选0＜x6<1，0＜y6<1，z6=0，且x6+y6=1，第六子层56为P型InGaN层，即本实施方式中的第六子层56中不含Al。第六子层56作为接触层，其中P型杂质浓度大于1E20 Atom/cm3，以减少接触电阻。
经测试，如图3，本实施方式中的发光二极管结构的出光效率较现有的发光二极管提升了2%。
实施例2：
本实施方式与实施方式1大致相同，不同点仅在于，本实施方式中，优选x6=0，0＜y6<1，0＜z6＜1，且y6+z6=1，第六子层56为P型AlGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3；或者，优选0＜x6<1，0＜y6<1，0＜z6＜1，且x6+y6+z6=1，第六子层56为P型AlInGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3。第六子层56作为接触层，掺杂Al之后可以增加光的透过率。第六子层56掺杂Al之后，发光二极管的出光效率可以比实施方式1再提升2%。
经测试，如图3，本实施方式中的发光二极管结构的出光效率较现有的发光二极管提升了3%。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
实施例3：
本实施方式与实施方式2大致相同，不同点仅在于，本实施方式中，第五子层为含铝氮化物层，其中，第三子层中的铝浓度≥第一子层中的铝浓度＞第二子层中的铝浓度＞第四子层中的铝浓度＞第五子层中的铝浓度＞第六子层中的铝浓度。优选x5＝0，0＜y5＜1，0＜z5<1，且y5+z5=1，第五子层55为P型AlGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3；或者，优选0＜x5＜1，0＜y5＜1，0＜z5<1，且x5+y5+z5=1，第五子层55为P型AlInGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3。第五子层55掺杂Al之后，发光二极管的出光效率可以比实施方式2再提升1%。
经测试，如图3，本实施方式中的发光二极管结构的出光效率较现有的发光二极管提升了4%。
除此之外，本实施方式与实施方式1完全相同，此处不做赘述。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种发光二极管结构，包括：基板（10），设置于该基板（10）之上的缓冲层（20），设置于该缓冲层（20）之上的N型半导体层（30）、与该N型半导体层（30）电性连接的N电极（60）、设置于所述N型半导体层（30）之上的多量子阱层（40）、设置于所述多量子阱层（40）之上的p型半导体层（50），以及与该p型半导体层（50）电性连接的p电极（70）；其特征在于，
所述p型半导体层（50）为多层结构，所述多层结构中含铝氮化物层的厚度占整个P型半导体层厚度的95%以上，所述多层结构从下至上至少包括第一子层（51）、第二子层（52）、第三子层（53）、第四子层（54）、第五子层（55）和第六子层（56），所述第一子层（51）位于所述第二子层（52）与所述多量子阱层（40）之间，所述第六子层（56）位于所述p电极（70）与所述第五子层（55）之间；所述第三子层（53）中的铝浓度≥所述第一子层（51）中的铝浓度＞所述第二子层（52）中的铝浓度＞所述第四子层（54）中的铝浓度＞所述第六子层（56）中的铝浓度；
所述第一子层（51）的厚度＜所述第六子层（56）的厚度＜所述第五子层（55）的厚度＜所述第二子层（52）的厚度≤所述第三子层（53）的厚度＜所述第四子层（54）的厚度；
所述第四子层（54）为厚度为50Å~800Å的P型Alz4Inx4Gay4N，其中，0≤x4<1，0＜y4<1，0＜z4<1，且x4+y4+ z4=1；Al浓度为1E19~1E20 Atom/cm3。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第五子层（55）为含铝氮化物层，其中，
所述第三子层（53）中的铝浓度≥所述第一子层（51）中的铝浓度＞所述第二子层（52）中的铝浓度＞所述第四子层（54）中的铝浓度＞所述第五子层（55）中的铝浓度＞所述第六子层（56）中的铝浓度。
3. 根据权利要求2所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第五子层（55）为厚度为50Å~100Å的P型Alz5Inx5Gay5N，其中，0≤x5<1，0＜y5≤1，0≤z5<1，且x5+y5+z5=1；所述第五子层（55）中P型杂质浓度大于5E19 Atom/cm3。
4.根据权利要求3所述的发光二极管结构，其特征在于，
其中，x5＝0，y5=1，z5=0，所述第五子层（55）为P型GaN层；
或者，0＜x5<1，0＜y5＜1，z5=0，且x5+y5=1，所述第五子层（55）为P型InGaN层；
或者，x5＝0，0＜y5＜1，0＜z5<1，且y5+z5=1，所述第五子层（55）为P型AlGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3；
或者，0＜x5＜1，0＜y5＜1，0＜z5<1，且x5+y5+z5=1，所述第五子层（55）为P型AlInGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3。
5. 根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第六子层（56）为厚度为20Å~40Å的P型Alz6Inx6Gay6N，其中，0≤x6<1，0＜y6<1，0≤z6≤1，且x6+y6+z6=1；所述第六子层（56）中P型杂质浓度大于1E20 Atom/cm3。
6.根据权利要求5所述的发光二极管结构，其特征在于，
其中，0＜x6<1，0＜y6<1，z6=0，且x6+y6=1，所述第六子层（56）为P型InGaN层；
或者，x6=0，0＜y6<1，0＜z6＜1，且y6+z6=1，所述第六子层（56）为P型AlGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3；
或者，0＜x6<1，0＜y6<1，0＜z6＜1，且x6+y6+z6=1，所述第六子层（56）为P型AlInGaN层；其中，Al浓度为1E19~5E19 Atom/cm3。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第一子层（51）为厚度为20Å~30Å的Alz1Inx1Gay1N，其中，0＜x1<1，0≤y1<1，0≤z1 <1，且x1+y1+z1=1，其中Al浓度为大于等于1E20 Atom/cm3。
8. 根据权利要求1至6中任一项所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第二子层（52）为厚度为150Å~300Å 的P型Alz2Inx2Gay2N层，其中，0≤x2<1，0＜y2<1，0＜z2 <1，且x2+y2+z2=1；所述第二子层（54）中P型杂质浓度大于等于1E20 Atom/cm3。
9.根据权利要求8所述的发光二极管结构，其特征在于，
其中，0＜x2<1，0＜y2<1，0＜z2＜1，且x2+y2+z2=1，所述第二子层（52）为P型AlInGaN层；
或者，x2=0，0＜y2<1，0＜z2＜1，且y2+z2=1，所述第二子层（52）为P型AlGaN层。
10. 根据权利要求1至6中任一项所述的发光二极管结构，其特征在于，所述第三子层（53）为厚度为150Å~250Å 的Alz3Inx3Gay3N层，其中，0≤x3<1，0≤y3<1，0＜z3<1，且x3+y3+z3=1，其中Al浓度为大于1E20 Atom/cm3。
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