CN115986014A - 一种设有连接层的外延片及包含该外延片的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体发光二极管技术领域，公开了一种设有连接层的外延片及包含该外延片的发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、N型半导体层、多量子阱层、连接层、低温P型GaN层、电子阻挡层及高温P型GaN层，其中，连接层包括位于多量子阱层上的第一连接层，以及第一连接层上的第二连接层，第一连接层为未掺杂GaN层，第二连接层为AlN/GaN超晶格结构。本发明的连接层由GaN与AlN/GaN超晶格结构组成，可以在提升连接层的生长质量的同时提高连接层的势垒高度，改善了电子溢流，进而提升多量子阱层的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管技术领域，特别涉及一种设有连接层的外延片及包含该外延片的发光二极管。
背景技术
GaN材料是一种第三代半导体材料，其具有较宽的禁带宽度，其禁带宽度为Eg=3.36eV，可用于制作从紫光到红光的发光二极管等半导体电子器件，广泛用于信号灯，车灯，景观及室内照明光源，显示屏等领域，是一种高效环保的新型固态照明光源。
LED基础结构是在基底上分别生长SiGaN，InGaN/GaN，MgGaN材料，三种材料分别形成N型层，是电子提供层；多量子阱层，作为复合发光区及P型层，是空穴提供层。电子和空穴在外加电场的作用下向发光区迁移并复合辐射发光。
但是由于SiGaN材料中提供的电子迁移速率远远大于MgGaN材料中提供的空穴迁移速率，会导致电子在进入复合发光区后，继续迁移，溢出复合发光区，从而导致发光效率的减低。因此，我们亟需寻找到一种半导体的连接层来改善电子溢流的问题，进而提升复合发光区的发光效率。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种设有连接层的发光二极管外延片，该发光二极管外延片的连接层由GaN与AlN/GaN 超晶格结构组成，可以在提升连接层的生长质量的同时提高连接层的势垒高度，改善了电子溢流，进而提升多量子阱层的发光效率。
技术方案：本发明提供了一种发光二极管外延片，包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、N型半导体层、多量子阱层、低温P型GaN层、电子阻挡层及高温P型GaN层；在所述多量子阱层和所述低温P型GaN层之间还设置有连接层，所述连接层包括位于多量子阱层上的第一连接层，以及所述第一连接层上的第二连接层；其中，所述第一连接层为未掺杂GaN层，所述第二连接层为AlN/GaN超晶格结构。
优选地，所述第二连接层为U型AlN层/U型GaN层超晶格结构；周期数为2-8；厚度为5-50Å；Al浓度范围是1E20-3E20 Atoms/cm3。第二连接层Al浓度比电子阻挡层Al浓度更高，可以更好地阻挡电子溢流。
优选地，第二连接层中所述AlN层的V/III比高于第二连接层中所述GaN层。即生长AlN层时使用的三甲基铝原料的摩尔浓度与氨气原料的摩尔浓度的比值高于生长GaN层时使用的三甲基镓原料的摩尔浓度与氨气原料的摩尔浓度的比值，因为单层的AlN比GaN难长一点，所以用更高的V/III比是可以保证AlN的晶体质量。
进一步地，所述多量子阱层包括下部多量子阱层和位于下部多量子阱层上的上部多量子阱发光层；
所述下部多量子阱层和所述上部多量子阱发光层均为势垒层和势阱层交替层叠的周期结构；
所述势垒层的材质为Si掺杂GaN层；
所述势阱层的材质为U型InGaN层。
优选地，所述第一连接层为U型未掺杂GaN层；厚度为20-200Å，≥所述势垒层厚度；其生长温度高于所述多量子阱层生长温度50-150℃。第一连接层生长温度高于多量子阱层生长温度50-150℃，生长的晶体质量会更好。
优选地，高温P型GaN层为Mg掺杂的GaN层。
优选地，所述电子阻挡层为未掺杂或者低Mg掺杂的AlGaN层；Al浓度约1E20-2E20Atoms/cm3。
优选地，所述低温P型GaN层为高Mg掺杂的GaN层或AlInGaN层；其Mg掺杂浓度在外延层中最高；其生长温度低于所述多量子阱层生长温度10-30℃。目前的低温P型GaN层是含有少量In的，低温下Mg/In的掺入效率都会更好。
优选地，所述N型半导体层为掺杂Si的N型GaN层；其Si掺杂浓度在外延层中最高。
优选地，所述缓冲层为AlN缓冲层或者U型GaN缓冲层。
优选地，所述衬底为图形化蓝宝石衬底、SiC衬底或者蓝宝石和SiO2复合图形化衬底。
本发明还提供了一种发光二极管，包括所述的LED外延结构。
有益效果：该发光二极管外延片的连接层由GaN与AlN/GaN 超晶格结构组成，与传统的AlGaN连接层相比，由于其含有Al浓度更高的AlN单层，有效提升了连接层的势垒高度，同时AlN/GaN超晶格结构也可以得到较佳的生长质量，故可以使连接层在取得较佳生长质量的同时提高连接层的势垒高度，改善了电子溢流，进而提升多量子阱层的发光效率。
附图说明
图1为本发明中发光二极管外延片结构示意图。
附图标注：100：衬底；200：缓冲层；300：N型半导体层；400：多量子阱层；500：连接层；510：第一连接层；520：第二连接层；600：P型半导体层；610：低温P型GaN层；620：电子阻挡层；630：高温P型GaN层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
实施方式1：
本实施方式提供了一种发光二极管外延片结构，如图1所示，包括从下至上依次设置的图形化蓝宝石衬底100、U-GaN缓冲层200、N型半导体层300、多量子阱层400、连接层500、低温p型GaN层610、电子阻挡层620以及高温p型GaN层630。
上述连接层500包括位于多量子阱层400上的第一连接层510，以及第一连接层510上的第二连接层520；第一连接层510为U型未掺杂GaN层，厚度为200Å，第一连接层510的生长温度比多量子阱层400高150℃；第二连接层520为8个周期生长的U型AlN/U型GaN超晶格结构，厚度为50Å，Al浓度为3E20 Atoms/cm3，第二连接层520中AlN层的V/III比高于第二连接层520中GaN层。
上述多量子阱层400包括下部多量子阱层和位于下部多量子阱层上的上部多量子阱发光层，上、下部多量子阱层均为势垒层和势阱层交替层叠的周期结构，其中势垒层中Si掺杂GaN层，势阱层为U型InGaN层。
上述电子阻挡层620为低Mg掺杂的AlGaN层，Al浓度为2E20 Atoms/cm3。
上述低温P型GaN层630为高Mg掺杂的AlInGaN层；其Mg掺杂浓度在外延层中最高，低温P型GaN层610的生长温度比多量子阱层生长温度低30℃。
上述N型半导体层300为掺杂Si的N型GaN层；其Si掺杂浓度在外延层中最高。
实施方式2：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的第二连接层520Al浓度为2.5E20 Atoms/cm3。
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。
实施方式3：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的第二连接层520Al浓度为2.75E20 Atoms/cm3。
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。
实施方式4：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的第二连接层520厚度为25Å。
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。
实施方式5：
本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中的第二连接层520厚度为20Å。
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。
对比例1：
本实施方式提供了一种发光二极管外延片结构，包括从下至上依次设置的图形化蓝宝石衬底100、U-GaN缓冲层200、N型GaN层300、多量子阱层400、低温p型GaN层610、电子阻挡层620以及高温p型GaN层630。
上述多量子阱层400包括下部多量子阱层和位于下部多量子阱层上的上部多量子阱发光层，上、下部多量子阱层均为势垒层和势阱层交替层叠的周期结构，其中势垒层中Si掺杂GaN层，势阱层为U型InGaN层。
上述电子阻挡层620为低Mg掺杂的AlGaN层，Al浓度为1E20 Atoms/cm3。
上述低温P型GaN层610为高Mg掺杂的AlInGaN层；其Mg掺杂浓度在外延层中最高，低温P型GaN层610的生长温度比多量子阱层400生长温度低30℃。
上述N型半导体层300为掺杂Si的N型GaN层；其Si掺杂浓度在外延层中最高。
对比例2：
本实施方式提供了一种发光二极管外延片结构，如图1所示，包括从下至上依次设置的图形化蓝宝石衬底100、U-GaN缓冲层200、N型GaN层300、多量子阱层400、低温p型GaN层610、电子阻挡层620以及高温p型GaN层630；在多量子阱层400和低温p型GaN层610之间还放置有连接层500。
上述连接层500包括位于多量子阱层400上的第一连接层510，以及第一连接层510上的第二连接层520；第一连接层510为U型未掺杂GaN层，厚度为200A，第一连接层510的生长温度比多量子阱层高150℃；第二连接层520为8个周期生长的U型AlN/U型GaN超晶格结构，厚度为50Å，Al浓度为1E20，第二连接层520中AlN层的V/III比高于第二连接层520中GaN层。
上述多量子阱层400包括下部多量子阱层和位于下部多量子阱层上的上部多量子阱发光层，上、下部多量子阱层均为势垒层和势阱层交替层叠的周期结构，其中势垒层中Si掺杂GaN层，势阱层为U型InGaN层。
上述电子阻挡层620为低Mg掺杂的AlGaN层，Al浓度为2E20 Atoms/cm3。
上述低温P型GaN层610为高Mg掺杂的AlInGaN层；其Mg掺杂浓度在外延层中最高，低温P型GaN层610的生长温度比多量子阱层400生长温度低30℃。
上述N型半导体层300为掺杂Si的N型GaN层；其Si掺杂浓度在外延层中最高。
本申请包括上述实施方式1至5制备得到的外延片的发光二极管与包括对比例1-2制备得到的外延片的发光二极管的光电特性的数据对比如下表1（各实施方式中的样品制成芯片面积为400um*900um，测试电流60mA）：
表1
| 样品 | Vf1/V | LOP /mW | ESD6K |
| 对比例1 | 2.813 | 855.4 | 98.8% |
| 对比例2 | 2.814 | 858.3 | 98.8% |
| 实施方式1 | 2.812 | 865.5 | 99.1% |
| 实施方式2 | 2.810 | 863.2 | 99.1% |
| 实施方式3 | 2.811 | 862.8 | 99.0% |
| 实施方式4 | 2.811 | 864.5 | 99.2% |
| 实施方式5 | 2.809 | 862.4 | 99.0% |
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)
1.一种发光二极管外延片，包括从下至上依次设置的衬底（100）、缓冲层（200）、N型半导体层（300）、多量子阱层（400）、低温P型GaN层（610）、电子阻挡层（620）及高温P型GaN层（630），其特征在于，
在所述多量子阱层（400）和所述低温P型GaN层（610）之间还设置有连接层（500），所述连接层（500）包括位于所述多量子阱层（400）上的第一连接层（510），以及所述第一连接层（510）上的第二连接层（520）；其中，所述第一连接层（510）为未掺杂GaN层，所述第二连接层（520）为AlN/GaN超晶格结构。
2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第二连接层（520）为U型AlN层/U型GaN层超晶格结构，周期数为2-8；
和/或，所述第二连接层（520）的厚度为5-50Å；
和/或，所述第二连接层（520）中的Al浓度范围是1E20-3E20 Atoms/cm3；
和/或，第二连接层（520）中所述AlN层的V/III比高于第二连接层（520）中所述GaN层。
3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述多量子阱层（400）包括下部多量子阱层和位于下部多量子阱层上的上部多量子阱发光层；
和/或，所述下部多量子阱层和所述上部多量子阱发光层均为势垒层和势阱层交替层叠的周期结构；
和/或，所述势垒层的材质为Si掺杂GaN层；
和/或，所述势阱层的材质为U型InGaN层。
4.根据权利要求1或3所述的外延片，其特征在于，所述第一连接层（510）为U型未掺杂GaN层；
和/或，所述第一连接层（510）的厚度为20-200Å；
和/或，所述第一连接层（510）的厚度≥所述势垒层厚度；
和/或，所述第一连接层（510）的生长温度高于所述多量子阱层（400）生长温度50-150℃。
5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，高温P型GaN层（630）为Mg掺杂的GaN层；
和/或，所述缓冲层（200）为AlN缓冲层或者U型GaN缓冲层。
6. 根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层（620）为未掺杂或者低Mg掺杂的AlGaN层；Al浓度约1E20 -2E20 Atoms/cm3。
7.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述低温P型GaN层（610）为高Mg掺杂的GaN层或AlInGaN层；
和/或，所述低温P型GaN层（610）中Mg掺杂浓度在外延层中最高；
和/或，所述低温P型GaN层（610）的生长温度低于所述多量子阱层（400）生长温度10-30℃。
8.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述N型半导体层（300）为掺杂Si的N型GaN层；
和/或，所述N型半导体层（300）中Si掺杂浓度在外延层中最高。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的外延片，其特征在于，所述衬底（100）为图形化蓝宝石衬底、SiC衬底或者蓝宝石和SiO2复合图形化衬底。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的外延片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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