CN115986023B - 一种外延片及包含该外延片的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发光二极管制造领域，公开了一种发光二极管的外延片，包括衬底，以及依次位于其上的AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层和P型接触层，在第一和第二多量子阱层之间，和/或第二和第三多量子阱层之间，和/或第二多量子阱层内部还设有Al_xIn_yGa_{（1‑x‑y）}N层，1≥x＞0，1＞y≥0。本发明在第一和第二多量子阱层之间，和/或第二和第三多量子阱层之间，和/或第二多量子阱层内部插入数层禁带宽度较大的ALN层增加电子减速效果，降低部分电子扩散到P型发生非辐射复合，同时增加V型凹坑侧壁发光比例，从而提高整体发光辐射效率。

Description

一种外延片及包含该外延片的发光二极管

技术领域

本发明涉及发光二极管制造领域，特别涉及一种外延片及包含该外延片的发光二极管。

背景技术

现有GaN基外延结构因为电子浓度显著高于空穴浓度，同时空穴有效质量大于电子有效质量，导致加上正偏电压时，电子扩散速度大于空穴扩散速度，部分电子扩散到P型发生非辐射复合，降低了发光辐射的比例。

另外现有蓝宝石上生长的GaN基外延结构存在大量V型凹坑，研究表明V型凹坑可以屏蔽部分外延结构缺陷带来的漏电几率，同时实验表面V型凹坑侧壁会存在空穴注入和复合发光行为，V型凹坑成为发光中心。而现有GaN基外延结构V型凹坑侧壁发光比例偏低，整体发光辐射效率偏低。

公开号为CN103413877B、专利名称为“外延结构量子阱应力释放层的生长方法及其外延结构”的发明专利，通过修改HT MQW的能带图，实现对进入发光区电子的阻挡作用，减少电子进入P层与空穴发生非辐射复合的几率，而且在HTMQW被阻挡的电子经过二维扩散，更均匀的注入发光区，提高电子与空穴的复合效率，提升亮度。

虽然上述该发明减少了电子进入P层后非辐射复合的发生，但是整体发光辐射效率依旧偏低。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种外延片及包含该外延片的发光二极管，通过在第一多量子阱层和第二多量子阱层之间，和/或第二多量子阱层和第三多量子阱层之间，和/或第二多量子阱层内部插入数层禁带宽度较大的Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层增加了电子减速效果，降低了部分电子扩散到P型发生非辐射复合，同时增加V型凹坑侧壁发光比例，从而提高整体发光辐射效率。

技术方案：本发明提供了一种发光二极管的外延片，包括衬底，以及依次位于衬底上的AlN缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、第一多量子阱层、第二多量子阱层、第三多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层和P型接触层，其特征在于，

在所述第一多量子阱层与所述第二多量子阱层之间，所述第二多量子阱层与所述第三多量子阱层之间，所述第二多量子阱层内部还设有插入层，所述插入层为Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层，1≥x＞0，1＞y≥0，其中，所述第二多量子阱层包含2-12个周期的第二InGaN和第二GaN垒层形成的超晶格结构，所述插入层设于所述第二多量子阱层内部的层数为1-6层且其厚度由从下至上依次变薄。

优选地，所述插入层厚度为0.5nm-5nm。

进一步地，所述插入层的层均匀插入所述第二多量子阱层的周期中。

进一步地，所述第一多量子阱层包括2~6个周期的第一InGaN阱层和第一GaN垒层形成的超晶格结构，所述第三多量子阱层包括5~15个周期的第三InGaN阱层和第三GaN/AlGaN垒层形成的超晶格结构。

进一步地，所述插入层为AlN层或AlGaN层。

进一步地，所述第一多量子阱层、第二多量子阱层和第三多量子阱层内形成有V型坑，所述V型坑侧壁的阻值小于所述第一多量子阱层、第二多量子阱层和第三多量子阱层C面的阻值。

本发明还提供了一种发光二极管，包括上述任一项所述的外延片。

有益效果：

1、减少电子扩散到P型层发生非辐射复合比例：在第一多量子阱层和第二多量子阱层之间，第二多量子阱层和第三多量子阱层之间，第二多量子阱层内部插入数层禁带宽度较大的Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层，增加了电子减速效果，降低了部分电子扩散到P型发生非辐射复合；因所插入的Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层的禁带宽度较大，电子向P型层扩散过程中经过该插入层时需要克服禁带宽度大带来的较高的势垒，达到电流扩展和电子减速效果。

2、增加V型凹坑侧壁发光比例，提高整体发光辐射效率：V型凹坑侧壁生长速率低于C面，所插入的数层Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层在V型凹坑侧壁生长厚度小于C面的厚度，导致V型凹坑侧壁处的阻值小于C面阻值，增加了V型凹坑侧壁电流分布，增加了由V型凹坑侧壁空穴注入的发光复合，当空穴从V型凹坑侧壁注入时可以扩散到更靠近n层一侧的发光阱，即增加靠近n型一侧的发光阱处的电子空穴对的复合发光。另外因插入Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层，电子减速效果，减少电子扩散到P型层的非发光复合，更多空穴从C面和V型凹坑侧壁注入发光阱中进行发光复合，侧壁发光的增加量大于C面发光的减少量，从而提升整体的发光辐射效率。

附图说明

图1为本发明实施方式1和4 LED外延结构示意图；

图2为本发明实施方式2 LED外延结构示意图；

图3为本发明实施方式3 LED外延结构示意图；

图4为本发明实施方式5 LED外延结构示意图；

图5为本发明实施方式6 LED外延结构示意图；

图6为本发明实施方式7 LED外延结构示意图；

图7为包含本发明实施方式1和4中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

图8为包含本发明实施方式2中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

图9为包含本发明实施方式3中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

图10为包含本发明实施方式5中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

图11为包含本发明实施方式6中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

图12为包含本发明实施方式7中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

图13为本发明外延片中V型凹坑侧壁示意图；

图14为对比例LED外延结构示意图；

图15为包含对比例中LED外延片的发光二极管的结构示意图；

附图标注：101蓝宝石衬底；102 AlN缓冲层；103 U型GaN层；104 N型GaN层；105第一多量子阱层；106第二多量子阱层；107第三多量子阱层；108电子阻挡层；109 P型GaN层；110 P型接触层；111插入层；112P电极；113N电极；114绝缘层；1000V型坑（1000）； 1100 C面；1200V型坑侧壁。

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的外延片，如图1所示，包括从下至上依次设置的蓝宝石衬底101、AlN缓冲层102、U型GaN层103、N型GaN层104、第一多量子阱层105、第二多量子阱层106、第三多量子阱层107、电子阻挡层108、P型GaN层109和P型接触层110。其中第二多量子阱层106包含6个周期的第二InGaN阱层和第二GaN垒层形成的超晶格结构，第一周期至第六周期分别为106a、106b、106c、106d、106e、106f。

上述第二多量子阱层106内部设置有插入层111，插入层111为AlGaN层，每一个周期性结构上下均插入一AlGaN层，AlGaN层厚度从下至上依次减少，分别为2nm、1.5nm、1nm、0.5nm、0.5nm、0.5nm。

上述第一多量子阱层105包含3个周期的第一InGaN阱层和第一GaN垒层形成的超晶格结构。

上述第三多量子阱层107包括9个周期的第三InGaN阱层和第三GaN/AlGaN垒层形成的超晶格结构，第三InGaN阱层的生长温度低于第一InGaN阱层和第二InGaN阱层，第三GaN/AlGaN垒层的生长温度低于第一GaN垒层和第二GaN垒层。设置于第三多量子阱层107上的电子阻挡层108为AlGaN/InAlGaN层。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图7所示，包括上述LED外延结构，在该外延结构的P型GaN层109上连接有P电极112，在N型GaN层104上连接有N电极113，还有位于最上层的绝缘层114。

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，本实施方式中插入层111为AlGaN层，插入层111位于第一多量子阱层105和第二多量子阱层106之间，其厚度为2nm；插入层111还位于第二多量子阱层106内部，每一个周期性结构上下均插入一AlGaN层，AlGaN层厚度从下至上依次为1.5nm、1.5nm、1nm、1nm、0.5nm、0.5nm。如图2所示。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图8所示。

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，本实施方式中插入层111为AlGaN层，插入层111位于第二多量子阱层106和第三多量子阱层107、第一多量子阱层105和第二多量子阱层106之间，其厚度为3nm，插入层111还位于第二多量子阱层106内部，每一个周期性结构上下均插入一AlGaN层，AlGaN层厚度从下至上依次为1.5nm、1.5nm、1nm、1nm、0.5nm、0.5nm。如图3所示。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图9所示。

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，本实施方式中第二多量子阱层106内部设置有插入层111，插入层111为AlN层，每一个周期性生长的InGaN/GaN超晶格结构上下均插入一AlN层，AlN层厚度从下至上依次为2nm、2nm、1nm、1nm、0.5nm、0.5nm。如图1所示。

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，本实施方式中插入层111为AlN层，插入层111位于第一多量子阱层105和第二多量子阱层106之间，其厚度为4nm。如图4所示。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图10所示。

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6：

本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中插入层111为AlN层，插入层111位于第二多量子阱层106和第三多量子阱层107之间，其厚度为4nm。如图5所示。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图11所示。

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7：

本实施方式中与实施方式1大致相同，区别在于，本实施方式中插入层111为AlN层，插入层111位于第一多量子阱层105和第二多量子阱层106之间，以及第二多量子阱层106和第三多量子阱层107之间，其厚度为4nm。插入层111还位于第二多量子阱层106内部，每二个周期性结构之间均插入一AlN层，其厚度从下至上依次为1.5nm、0.5nm。如图6所示。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图12所示。

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：

本对比例提供一种发光二极管的外延片，如图14所示，包括从下至上依次设置的蓝宝石衬底101、AlN缓冲层102、U型GaN层103、N型GaN层104、第一多量子阱层105、第二多量子阱层106、第三多量子阱层107、电子阻挡层108、P型GaN层109和P型接触层110。其中第二多量子阱层106包含6个周期的第二InGaN阱层和第二GaN垒层形成的超晶格结构。。

上述第一多量子阱层105包含3个周期的第一InGaN阱层和第一GaN垒层形成的超晶格结构。

上述第三多量子阱层107包括9个周期的第三InGaN阱层和第三GaN/AlGaN垒层形成的超晶格结构，第三InGaN阱层的生长温度低于第一InGaN阱层和第二InGaN阱层，第三GaN/AlGaN垒层的生长温度低于第一GaN垒层和第二GaN垒层。设置于第三多量子阱层107上的电子阻挡层108为AlGaN/InAlGaN层。

通过上述步骤制备出的LED外延结构应用在发光二极管中时，该发光二极管的结构如图15所示。

本申请包括上述实施方式1至6制备得到的外延片的发光二极管与包括对比例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17mil*35mil，测试电流60mA）：

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 (7)

1.一种发光二极管的外延片，包括衬底（101），以及依次位于衬底上的AlN缓冲层（102）、U型GaN层（103）、N型GaN层（104）、第一多量子阱层（105）、第二多量子阱层（106）、第三多量子阱层（107）、电子阻挡层（108）、P型GaN层（109）和P型接触层（110），其特征在于，

在所述第一多量子阱层（105）与所述第二多量子阱层（106）之间，所述第二多量子阱层（106）与所述第三多量子阱层（107）之间，所述第二多量子阱层（106）内部还设有插入层（111），所述插入层为Al_xIn_yGa_（1-x-y）N层（111），1≥x＞0，1＞y≥0，其中，所述第二多量子阱层（106）包含2-12个周期的第二InGaN阱层和第二GaN垒层形成的超晶格结构，所述插入层（111）设于所述第二多量子阱层（106）内部的层数为1-6层且厚度由从下至上依次变薄。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述插入层（111）厚度为0.5nm-5nm。

3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述插入层（111）的层均匀插入所述第二多量子阱层（106）的周期中。

4.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一多量子阱层（105）包括2~6个周期的第一InGaN阱层和第一GaN垒层形成的超晶格结构；

和/或；所述第三多量子阱层（107）包括5~15个周期的第三InGaN阱层和第三GaN/AlGaN垒层形成的超晶格结构。

5.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述插入层为AlN层或AlGaN层。

6.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述第一多量子阱层（105）、第二多量子阱层（106）和第三多量子阱层（107）内形成有V型坑（1000），所述V型坑侧壁（1200）的阻值小于所述第一多量子阱层（105）、第二多量子阱层（106）和第三多量子阱层（107）C面（1100）的阻值。

7.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的外延片。