CN117352612A - 一种发光二极管及发光装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种发光二极管及发光装置，包括n型半导体层；在第一方向上，依次位于n型半导体层上的第一V坑开启层、第一多量子阱层、至少一层第二V坑开启层和第二多量子阱层的叠层结构；在第一方向上，第一V坑开启层和第二多量子阱层上贯穿设置有第一V型坑，第一V型坑部分延伸至第一V坑开启层；在第一方向上，第二多量子阱层上贯穿设置有第二V型坑，第二V型坑部分延伸至第二多量子阱层；p型半导体层，其位于第二多量子阱层上。本申请的发光二极管利用多重V型坑设计，增加了空穴注入，提升了复合发光效率。

Description

一种发光二极管及发光装置
技术领域
本申请涉及发光半导体技术领域，具体地，涉及一种发光二极管及发光装置。
背景技术
目前，发光二极管(LED)以其高效率、长寿命、全固态、自发光和绿色环保等优点，已经被广泛应用于照明和显示两大领域。尤其是氮化镓系发光二极管，因其带隙覆盖各种色光，已经成为国内外产学研各界重点研究的对象，并在外延技术和芯片技术上取得了重大进展。但是，目前发光二极管仍然存在发光效率偏低的问题。
V型坑是一种提升发光效率的重要手段。V型坑侧壁面呈V型贯穿整个有源区，因其特殊的几何结构，空穴很容易通过V型侧壁注入至更深的发光量子阱中，可以降低工作电压和改善电子和空穴空间上的不均匀分布，提高发光效率。但V型坑是沿底层的线位错产生的，其本身就是一种天然的漏电通道，会影响发光二极管的抗静电能力。并且V型坑生长过程中，容易引入很多缺陷，成为非辐射复合中心捕获载流子，影响内量子效率，对发光效率造成影响，还会对外延层表面平整度造成影响。
发明内容
本申请的目的是提供一种发光二极管及发光装置，通过设置多重V型坑，增加了空穴注入，提升了发光二极管的复合发光效率。
为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：
本申请第一方面提供了一种发光二极管，包括：n型半导体层；在第一方向上，依次位于所述n型半导体层上的第一V坑开启层、第一多量子阱层、至少一层第二V坑开启层和第二多量子阱层的叠层结构；在所述第一方向上，所述第一多量子阱层和所述第二多量子阱层上贯穿设置有第一V型坑，所述第一V型坑部分延伸至所述第一V坑开启层；在所述第一方向上，所述第二多量子阱层上贯穿设置有第二V型坑，所述第二V型坑部分延伸至所述第二V坑开启层；p型半导体层，其位于最外层所述第二多量子阱层上。
在一些实施方式中，所述第一方向上的所述第一V型坑和所述第二V型坑的密度大于1E8/cm2。
在一些实施方式中，所述第一V坑开启层、所述第二V坑开启层的厚度为
在一些实施方式中，所述第一V坑开启层、所述第二V坑开启层的材料为不掺杂或n型掺杂GaN、AlGaN、AlInGaN、InGaN或InN。
在一些实施方式中，所述第一V坑开启层和所述第二V坑开启层中碳浓度大于1E17Atoms/cm3。
在一些实施方式中，还包括电子阻挡层，其位于所述第二多量子阱层与所述p型半导体层之间，且填充所述第一V型坑和所述第二V型坑。
在一些实施方式中，所述第一多量子阱层包括至少一组叠层设置的第一量子垒层和第一量子阱层，其中，所述第一量子阱层为p型掺杂含In材料层。
在一些实施方式中，所述p型掺杂含In材料层中，p型掺杂的掺杂浓度为小于1E17Atoms/cm3；所述第一量子阱层中In含量小于15％。
在一些实施方式中，所述第二多量子阱层包括至少一组叠层设置的第二量子垒层和第二量子阱层和/或至少一组叠层设置的第三量子垒层和第三量子阱层；其中，所述第二量子垒层与所述第三量子垒层不完全相同，所述第二量子阱层与所述第三量子阱层为p型掺杂的含In材料层，所述第二量子阱层与所述第三量子阱层不完全相同。
在一些实施方式中，所述第二量子阱层为p型掺杂的含In材料层，其中p型掺杂浓度为小于1E17 Atoms/cm3；所述第二量子阱层中的In含量大于或等于所述第一量子阱层中的In含量。
在一些实施方式中，所述第三量子阱层中p型掺杂为p型掺杂的含In材料层，其中p型掺杂浓度为大于5E18 Atoms/cm3；所述第三量子阱层中In含量大于所述第二量子阱层中In含量。
本申请第二方面提供了一种发光装置，包括第一方面的发光二极管。
与现有技术相比，本申请的有益效果：
本申请提供了一种发光二极管及发光装置，其将多量子阱层与V坑开启层交替叠层布置，在不同V坑开启层上布置了不同深度、不同尺寸的第一V型坑和第二V型坑，提高了V型坑的布置密度，可有效降低生产过程中产生的n型半导体层中位错增加与上移。同时将第二V型坑的开出位置设置在V坑开启层而非多量子阱层上，可有效避免对发光层的破坏，进一步提高发光二极管的亮度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请一个实施例中发光二极管100的结构示意图；
图2示出了本申请一个实施例中发光二极管200中第一V型坑和第二V型坑的开出位置示意图；
图3示出了本申请另一个实施例中发光二极管300中第一V型坑和第二V型坑的开出位置示意图；
图4示出了本申请一个实施例发光二极管中n型半导体层的结构示意图；
图5示出了本申请一个实施例发光二极管中p型半导体层的结构示意图；
图6示出了本申请一个具体的实施例发光二极管中第一V型坑和第二V型坑的电镜分布图。
附图标记说明：
110、衬底；120、n型半导体层；130、第一V坑开启层；140、第一多量子阱层；150、第二V坑开启层；160、第二多量子阱层；180、p型半导体层；191、第一V型坑；192、第二V型坑；270、电子阻挡层；421、u-GaN层；422、n型GaN层；423、低掺杂氮化镓层；581、p型GaN层；582、高温氮化镓层；583、p型接触层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖视图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意说明本申请的基本构想，遂图示中仅显示与本申请中有关的组间而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局形态也可能更为复杂。
本申请第一方面提供了一种发光二极管，下面结合附图做进一步阐述。
图1示出了本申请一个实施例中的发光二极管100的结构示意图。如图1所示，本申请的发光二极管包括设置在衬底110上的外延结构，该外延结构包括设置在衬底110上的n型半导体层120，以及在第一方向上依次位于n型半导体层120上的第一V坑开启层130、第一多量子阱层140、至少一层第二V坑开启层150和第二多量子阱层160的叠层结构，以及位于第二多量子阱层160上的p型半导体层180。其中，当第二V坑开启层150和第二多量子阱层160均包括多层时，每层第二V坑开启层150与每层第二多量子阱层160交替叠层布置。第一多量子阱层130与第二多量子阱层160之间插入的第一V坑开启层130、以及多层第二多量子阱层160之间插入的第二V坑开启层150。
在一些实施例中，前述第一V坑开启层130、第二V坑开启层150的材料可以是低温氮化镓，低温氮化镓的材料可以是不掺杂或n型掺杂GaN、AlGaN、AlInGaN、InGaN或InN，优选为Si掺杂的GaN。其中第一V坑开启层130第二V坑开启层150中的碳浓度＞1E17 atoms/cm3。也就是说，本申请的低温氮化镓意指形成氮化镓层的温度较低，其含碳量较高。在一些实施例中，低温氮化镓的形成温度例如可以是700-800℃，其中氮化镓中碳浓度＞1E17 atoms/cm3。在一个实施例中，前述第一方向如图1中箭头所示，该第一方向可以是垂直于衬底110且由衬底110指向n型半导体层120。
在另一些实施例中，最内层第二V坑开启层150与第一多量子阱层140之间还可以设置n个第三多量子阱层，n≥0。该第三多量子阱层与第一多量子阱层130、第二多量子阱层160可以是相同的材料。
该外延结构上还包括V型坑，该V型坑包括第一V型坑191和第二V型坑192。该第一V型坑191与第二V型坑192的分布情况例如可以如图6所示，其中第一V型坑191的尺寸大于第二V型坑192的尺寸。在前述第一方向上，第一多量子阱层140和第二多量子阱层160上贯穿设置有第一V型坑191，第一V型坑191部分延伸至第一V坑开启层130。在前述第一方向上，第二多量子阱层160上贯穿设置有第二V型坑192，第二V型坑192部分延伸至第二V坑开启层150。其中，第一V型坑191的尺寸大于第二V型坑192，第一V型坑191的深度大于第二V型坑192。
本申请采用较大尺寸的第一V型坑191和较小尺寸的第二V型坑192配合设置，改善了发光二极管的结构，提升了光效。较大尺寸的第一V型坑191改善了发光二极管的非辐射复合效率，较小尺寸的第二V型坑192在第一V型坑191的基础上进一步提升了空穴注入效率，提高了空穴电子复合率。并且，第二V型坑192的直径较小、深度较浅，在后续工序中易于被填平，得到较好的表面形貌。图1中第一V型坑191和第二V型坑192的形状仅仅是示例性的，其形状可以是三角形、六边形或其他形状，本申请并不对其做特殊限定。
本申请通过设置前述第一V型坑191和第二V型坑192共同分布，增加了V型坑的密度。在一个具体的实施例中，本申请的V型坑密度＞1.0E8/cm2。其中，第一V型坑191的开出位置在第一V坑开启层130上，第二V型坑192的开出位置在第二V坑开启层150上，且第二V型坑192晚于第一V型坑191开出。本申请利用第一V型坑191与第二V型坑192交错分布、且开出位置在不同的低温氮化镓层上，可以在保证提高发光二极管的发光效率的同时提高表面良率。
在一个实施例中，前述第一V坑开启层130、第二V坑开启层150的材料例如可以是Si掺杂GaN或GaN，其中Si的掺杂浓度为1E18 atoms/cm3。第一V坑开启层130、第二V坑开启层150可以设置为相同或不同的厚度。在一个具体的实施例中，第一V坑开启层130、第二V坑开启层150的厚度可以设置为
前述衬底110为生长衬底，外延结构可以在衬底110上外延生长得到。衬底110可以选用导电材料或非导电材料，例如可以选用蓝宝石、SiC、GaAs、GaN、AlN、GaP、Si、ZnO或MnO中的一种或几种。在一个实施例中，本申请实施例中衬底110可以选用蓝宝石作为衬底。前述只是对本申请发光二极管100的衬底110做一个示例性说明，可以理解的是，前述描述只是示例性的而非限制性的。衬底110例如还可以是碳化硅、硅、氧化锌等中的一种或任一种。在前述衬底110上，可以采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)、物理气相沉积(PVD)等方式形成外延结构。
以上结合图1对根据本申请实施例的一种发光二极管100进行了示例性说明，图1所示的发光二极管能够提高效率同时提高表面良率。
图2、图3分别示出了本申请一些实施例的发光二极管200、发光二极管300的结构示意图。通过下面的描述可知，图2所示的发光二极管200、图3所示的发光二极管300可以是图1所示发光二极管100的一个具体化表现形式。因此，前文结合图1的发光二极管100的描述也可以适用于下面对发光二极管200的描述中。其中衬底110、n型半导体层120、第一V坑开启层130、第一多量子阱层140、第二V坑开启层150、第二多量子阱层160、p型半导体层180已在前文发光二极管100中进行了详细的描述，此处不再赘述。
在一个实施例中，如图2所示，前述第二V坑开启层150可以设置为两层，称为最外层第二低温氮化镓层和次外层第二低温氮化镓层。对应地，第二多量子阱层160设置为两层，称为最外层第二多量子阱层和次外层第二多量子阱层，每层第二V坑开启层150与每层第二多量子阱层160交替叠层布置。如图2所示，在第一方向上，该发光二极管200的外延结构上设置有第一V型坑191和第二V型坑192。其中，第一V型坑191贯穿第一多量子阱层140和前述两层第二多量子阱层160，且第一V型坑191部分延伸至第一V坑开启层130。第二V型坑192贯穿两层第二多量子阱层160，且部分延伸至次外层第二低温氮化镓层。在另一个实施例中，第二V型坑192也可以设置为仅贯穿最外层第二多量子阱层，且部分延伸至最外层第二低温氮化镓层。
在另一个实施例中，如图3所示，前述第二V坑开启层150可以设置为一层，对应地，第二多量子阱层160设置为一层，该第二V坑开启层150与第二多量子阱层160为叠层结构。如图3所示，在第一方向上，该发光二极管300的外延结构上设置有第一V型坑191和第二V型坑192。其中，第一V型坑191贯穿第一多量子阱层140和第二多量子阱层160，且部分延伸至第一V坑开启层130。第二V型坑192贯穿第二多量子阱层160，且部分延伸至第二V坑开启层150。
可以理解的是，本申请并不对第二V坑开启层150和第二多量子阱层160的层数做特别限定，本领域技术人员可以根据实际需求进行设置。进一步，本申请也不对第二V型坑192的开出位置在哪一层的第二低温氮化镓层160做限定。
如图2示出的发光二极管200、图3示出的发光二极管300，在一些实施例中，在最外层第二多量子阱层160上还设置有电子阻挡层270，该电子阻挡层270用于填充第一V型坑191和第二V型坑192。在一些具体的实施例中，前述电子阻挡层270的材料可以是AlN、AlGaN、AlInGaN等。
在一些实施例中，如图1示出的发光二极管100、图2示出的发光二极管200、图3示出的发光二极管300中，第一多量子阱层140、第二多量子阱层160可以包括交替叠层设置的量子垒层和量子阱层，设定一个周期包括一层量子垒层和一层量子阱层。在一个优选的实施例中，第一多量子阱层140包括交替叠层设置的第一量子阱层和第一量子垒层，其中，第一量子阱层可以是p型元素掺杂的InxGa1-xN，第一量子垒层可以是GaN。前述p型元素可以是Mg，Zn，Ca，Sr或Ba，不排除其他元素等效替代掺杂。前述InxGa1-xN中x的取值可以是小于15％。
在一些实施例中，前述至少一层第二多量子阱层160可以是p型掺杂，也可以是n型掺杂。其中，p型掺杂的元素为Mg、Zn、Ca、Sr或Ba，不排除其他元素等效替代掺杂，作为一个优选的实施方式，本申请的p型掺杂可以是Mg掺杂。n型掺杂的元素为si、Ge或Sn，作为一个优选的实施方式，本申请的n型掺杂可以是Si掺杂。当第二多量子阱层160包括多层时，最外层第二多量子阱层可以设置为高Mg含量掺杂，其掺杂浓度＞5E18 atoms/cm3，内层第二多量子阱层可以设置为低Mg含量掺杂，其掺杂浓度＜1E17atoms/cm3。其中，第二多量子阱层160中的p型掺杂浓度大于n型掺杂浓度。
在一些实施例中，次外层第二多量子阱层可以包括一组叠层设置的第二量子垒层和第二量子阱层。最外层第二多量子阱层可以包括一组叠层设置的第三量子垒层和第三量子阱层。其中，第二量子垒层可以是GaN或AlGaN，第二量子阱层为Mg掺杂的InyGa1-yN，y的取值小于15％并大于x的取值。第三量子垒层可以是AlGaN，第三量子阱层为Mg掺杂的InzGa1- zN，z的取值为小于15％并大于或等于x、小于y的取值。
以上结合图2、图3对根据本申请实施例的一种发光二极管200、发光二极管300进行了说明。本申请实施例得到的发光二极管亮度为243.1MW，标程亮度为242.4MW。由于发光二极管在亮度上已经发展至一定的高度，因此，本申请实施例的发光二极管在现有技术的基础上仍能够提高，表明本申请的技术方案取得了实质性进步。此外，本申请实施例的发光二极管的抗静电性能测试电压在2-8kV时，相对于现有技术良率98.9％，本申请的良率提升99.5％。
进一步，图4示出了本申请一个实施例中发光二极管中n型半导体层的结构示意图。如图4所示，在一些实施例中，n型半导体层120可以包括自下而上依次叠加的u-GaN层421、n型GaN层422和低掺杂氮化镓层423。其中，n型GaN层422中掺杂元素为Si。
进一步，图5示出了本申请一个实施例中发光二极管p型半导体层的结果示意图。如图5所示，在一些实施例中，前述p型半导体层180可以包括自下而上依次叠加的p型GaN层581、高温氮化镓层582和p型接触层583。其中，p型GaN层581中掺杂元素为Mg。高温氮化镓层582的形成温度为900-1200℃。
本申请的第二方面，还提供了一种发光装置，其包括如上述中任一实施例的LED结构。LED结构的尺寸可以是micro LED、mini LED或常规LED。LED结构可应用于背光显示或RGB显示屏，小尺寸的倒装LED结构可以数百颗或数千颗或数万颗的数量集成式的安装在应用基板或封装基板上，形成背光显示装置或者RGB显示装置的发光光源部分。
本申请还提供了一种发光二极管的制作方法，包括：提供n型半导体层120；在第一方向上，依次在n型半导体层120上生长第一V坑开启层130、第一多量子阱层140、至少一层第二V坑开启层150、至少一层第二多量子阱层160，第二V坑开启层150与所述第二多量子阱层160交替布置；在第一方向上，设置第一V型坑191贯穿第一多量子阱层140和第二多量子阱层160，并使第一V型坑191部分延伸至第一低温氮化镓层150；在第一方向上，设置第二V型坑192贯穿第二多量子阱层160，并使第二V型坑192部分延伸至第二多量子阱层160；第一V型坑191的直径大于第二V型坑192；第一V型坑191的深度大于第二V型坑192；P型GaN层，其生长于最外层第二多量子阱层160上。本申请对形成外延结构的方法不作特别限定，例如还可以是溅射法、离子镀法或PVD法等。
在一个实施例中，前述第一V坑开启层130和第二V坑开启层150的生长温度和厚度可以相同，也可以不同。在一个具体的实施例中，第一V坑开启层130和第二V坑开启层150可以是700-800℃，厚度可以是以保证其生长质量。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。

Claims (12)

1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
n型半导体层；
在第一方向上，依次位于所述n型半导体层上的第一V坑开启层、第一多量子阱层、至少一层第二V坑开启层和第二多量子阱层的叠层结构；
在所述第一方向上，所述第一多量子阱层和所述第二多量子阱层上贯穿设置有第一V型坑，所述第一V型坑部分延伸至所述第一V坑开启层；
在所述第一方向上，所述第二多量子阱层上贯穿设置有第二V型坑，所述第二V型坑部分延伸至所述第二V坑开启层；
p型半导体层，其位于最外层所述第二多量子阱层上。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一方向上的所述第一V型坑和所述第二V型坑的密度大于1E8/cm2。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一V坑开启层、所述第二V坑开启层的厚度为
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一V坑开启层、所述第二V坑开启层的材料为不掺杂或n型掺杂GaN、AlGaN、AlInGaN、InGaN或InN。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一V坑开启层和所述第二V坑开启层中碳浓度大于1E17 Atoms/cm3。
6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，还包括电子阻挡层，其位于所述第二多量子阱层与所述p型半导体层之间，且填充所述第一V型坑和所述第二V型坑。
7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一多量子阱层包括至少一组叠层设置的第一量子垒层和第一量子阱层，其中，所述第一量子阱层为p型掺杂含In材料层。
8.如权利要求7所述的发光二极管，其特征在于，所述p型掺杂含In材料层中，p型掺杂的掺杂浓度为小于1E17 Atoms/cm3；
所述第一量子阱层中In含量小于15％。
9.如权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述第二多量子阱层包括至少一组叠层设置的第二量子垒层和第二量子阱层和/或至少一组叠层设置的第三量子垒层和第三量子阱层；
其中，所述第二量子垒层与所述第三量子垒层不完全相同，所述第二量子阱层与所述第三量子阱层为p型掺杂的含In材料层，所述第二量子阱层与所述第三量子阱层不完全相同。
10.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述第二量子阱层为p型掺杂的含In材料层，其中p型掺杂浓度为小于1E17 Atoms/cm3；所述第二量子阱层中的In含量大于或等于所述第一量子阱层中的In含量。
11.如权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述第三量子阱层中p型掺杂为p型掺杂的含In材料层，其中p型掺杂浓度为大于5E18 Atoms/cm3；
所述第三量子阱层中In含量大于所述第二量子阱层中In含量。
12.一种发光装置，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述发光二极管。
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