CN217822839U - 具有高复合发光效率的外延片及发光二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种具有高复合发光效率的外延片及发光二极管，包括衬底层以及依次层叠于衬底层上的缓冲层、第一半导体层、发光层、电子阻挡层以及第二半导体层，发光层包括发光子层和层叠于发光子层上的发光过渡子层，发光子层包括第一预设周期个交替层叠的InGaN量子阱层以及InAlN量子垒层，发光过渡子层包括第二预设周期个交替层叠的AlInGaN层以及层叠于AlInGaN层上的AlGaN层，其中一InGaN量子阱层层叠于第一半导体层上。本实用新型提出的具有高复合发光效率的外延片，能够提高空穴和电子在发光子层中的复合效率。

Description

具有高复合发光效率的外延片及发光二极管

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种具有高复合发光效率的外延片及发光二极管。

背景技术

GaN材料由于其具有热产生效率低，抗辐射，击穿电压高，电子饱和漂移速度大，和介电常数小的优点，已被广泛应用在高频、高温、高压电子器件领域、发光二极管(LED)和半导体激光器(LD)等方面，成为当前研究的热点。

由GaN材料制成的发光二极管，发光区多采用多量子阱结构。传统的GaN基LED外延生长结构过程为：先在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层，然后接着高温下生长一层未掺杂GaN,接着生长一层n型掺杂层，掺杂材料一般为硅烷，以提供LED复合发光所需要的电子，然后接着生长InGaN/GaN量子阱和量子垒作为LED的发光层，n掺杂区的电子和p掺杂区的空穴在这个区域复合发光。

然而，现有的量子阱层和量子垒层存在一定的晶格失配，会降低电子空穴复合效率。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的是提供一种具有高复合发光效率的外延片及发光二极管，以改善传统的外延片因量子阱层和量子垒层存在一定的晶格失配而导致电子空穴复合效率的问题。

一种具有高复合发光效率的外延片，包括衬底层以及依次层叠于所述衬底层上的缓冲层、第一半导体层、发光层、电子阻挡层以及第二半导体层，其中：

所述发光层包括发光子层和层叠于所述发光子层上的发光过渡子层，所述发光子层包括第一预设周期个交替层叠的InGaN量子阱层以及InAlN量子垒层，所述发光过渡子层包括第二预设周期个交替层叠的AlInGaN层以及层叠于所述AlInGaN层上的AlGaN层，其中一所述InGaN量子阱层层叠于所述第一半导体层上，其中一所述AlInGaN层层叠于所述发光子层中最外层的InAlN量子垒层上，所述电子阻挡层为P型AlGaN层。

综上，根据本实用新型提出的具有高复合发光效率的外延片，通过采用InGaN量子阱层以及InAlN量子垒层组成的多量子阱结构，由于InGaN和InAlN的晶格常数接近，相比传统的InGaN/GaN多量子阱层，能够显著降低晶格失配，提高内量子效率，与此同时，本实用新型中的发光层还通过引入多组交替生长的AlInGaN层以及AlGaN层以组成发光过渡子层，且将电阻阻挡层设置为P型AlGaN层，进而能够降低发光子层与电子阻挡层的晶格失配，进一步提高空穴和电子在发光子层中的复合效率。

进一步的，所述第一预设周期为3～10，在所述发光子层的每个周期中，每个所述InGaN量子阱层的厚度为3～10nm，每个所述InAlN量子垒层的厚度为10～30nm。

进一步的，所述第二预设周期为2～5，在所述发光过渡子层的每个周期中，每个所述AlInGaN层的厚度为2～5nm，每个所述AlGaN层的厚度为3～10nm。

进一步的，还包括设于所述第一半导体层和所述发光层之间的电流扩展层，所述电流扩展层包括第三预设周期个交替层叠的第一电流扩展子层、第二电流扩展子层、第三电流扩展子层、第四电流扩展子层以及第五电流扩展子层，其中一所述第一电流扩展子层层叠于所述第一半导体层上，其中一所述InGaN量子阱层层叠于一所述第五电流扩展子层上。

进一步的，所述第三预设周期为2～5，在所述电流扩展层的每个周期中，每个所述第一电流扩展子层的厚度为10～20nm，每个所述第二电流扩展子层的厚度为2～5nm，每个所述第三电流扩展子层的厚度为2～5nm，每个所述第四电流扩展子层的厚度为2～5nm，每个所述第五电流扩展子层的厚度为10～20nm。

进一步的，所述第一电流扩展子层为N型掺杂GaN层，所述第二电流扩展子层为SiInN层，所述第三电流扩展子层为SiN层，所述第四电流扩展子层为SiAlN层，所述第五电流扩展子层为未掺杂GaN层。

进一步的，所述缓冲层为AlGaN层，所述缓冲层的厚度为5～20nm。

进一步的，所述衬底层包括衬底基板以及设于所述衬底基板上表面的氧化硅薄膜层。

进一步的，所述衬底基板由氧化铝、碳化硅、硅中的任一种材料制成。

另一方面，本实用新型还提出一种发光二极管，包括上述的具有高复合发光效率的外延片。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例中的具有高复合发光效率的外延片的结构示意图；

图2为本实用新型第一实施例中的发光层的结构示意图；

图3为本实用新型第一实施例中的电流扩展层的结构示意图。

主要元件符号说明：

衬底层	10	缓冲层	20
				第一半导体层	30	发光层	40
电子阻挡层	50	第二半导体层	60
				发光子层	401	发光过渡子层	402
InGaN量子阱层	4011	InAlN量子垒层	4012
				AlInGaN层	4021	AlGaN层	4022
电流扩展层	70	第一电流扩展子层	701
				第二电流扩展子层	702	第三电流扩展子层	703
第四电流扩展子层	704	第五电流扩展子层	705
				衬底基板	101	氧化硅薄膜层	102

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图3，所示为本实用新型第一实施例中的具有高复合发光效率的外延片的结构示意图，该具有高复合发光效率的外延片包括衬底层10以及依次层叠于所述衬底层10上的缓冲层20、第一半导体层30、发光层40、电子阻挡层50以及第二半导体层60，其中：

为了改善传统发光层40的晶格失配问题，本实施例中的发光层40包括发光子层401和层叠于所述发光子层401上的发光过渡子层402，所述发光子层401包括第一预设周期个交替层叠的InGaN量子阱层4011以及InAlN量子垒层4012，通过采用InGaN/InAlN多量子阱层结构来替代传统的InGaN/GaN多量子阱层，由于InGaN和InAlN的晶格常数接近，进而能够显著降低量子阱层和量子垒层之间的晶格失配，从而提高内量子效率，此外，所述发光过渡子层402包括第二预设周期个交替层叠的AlInGaN层4021以及层叠于所述AlInGaN层4021上的AlGaN层4022，其中一所述InGaN量子阱层4011层叠于所述第一半导体层30上，其中一所述AlInGaN层4021层叠于所述发光子层401中最外层的InAlN量子垒层4012上，同时所述电子阻挡层50为P型AlGaN层4022，通过设置发光过渡子层402，进而能够降低发光子层401与电子阻挡层50之间的晶格失配，从而进一步提高空穴和电子在发光子层401中的复合效率。

进一步的，越往后的周期中的InGaN量子阱层4011的In含量越小，越往后的周期中的InAlN量子垒层4012的Al含量越大，越往后的周期中的AlGaN层4022的Al含量越大，能够进一步减少外延晶体之间的晶格失配，提高长晶质。

其中，第一预设周期为3～10，示例性的，发光子层401的第一预设周期数可为3、5、8或10，但不限定于此；在所述发光子层401的每个周期中，每个所述InGaN量子阱层4011的厚度可为3～10nm，示例性的，InGaN量子阱层4011的厚度为3nm、5nm、7nm或10nm，但不限于此；每个所述InAlN量子垒层4012的厚度为10～30nm，示例性的，InAlN量子垒层4012的厚度可为10nm、15nm、25nm或30nm，但不限于此。

其中，所述第二预设周期为2～5，示例性的，发光过渡子层402的第二预设周期数可为2、3、4或5；在所述发光过渡子层402的每个周期中，每个所述AlInGaN层4021的厚度为2～5nm，示例性的，AlInGaN层4021的厚度可为2nm、3nm或5nm；每个所述AlGaN层4022的厚度为3～10nm，示例性的，AlGaN层4022的厚度可为3nm、5nm、8nm或10nm，但不限于此。

除此之外，该外延片还包括一电流扩展层70，该电流扩展层70设于所述第一半导体层30和所述发光层40之间，且电流扩展层70包括第三预设周期个交替层叠的第一电流扩展子层701、第二电流扩展子层702、第三电流扩展子层703、第四电流扩展子层704以及第五电流扩展子层705，其中一所述第一电流扩展子层701层叠于所述第一半导体层30上，具体的，其中一所述第一电流扩展子层701层叠于所述第一半导体层30上，其中一所述InGaN量子阱层4011层叠于一所述第五电流扩展子层705上，通过引入电流扩展层70，能够使得外延片流过的电流更加均匀，从而使得发光子层401的发光区域均匀，进一步提高发光效率。

其中，第三预设周期为2～5，示例性的，电流扩展层70的第三预设周期数可为2、3、4或5,；在所述电流扩展层70的每个周期中，每个所述第一电流扩展子层701的厚度为10～20nm，示例性的，第一电流扩展子层701的厚度可为10nm、15nm、20nm，但不限于此；每个所述第二电流扩展子层702的厚度为2～5nm，示例性的，第二电流扩展子层702的厚度可为10nm、15nm、20nm，但不限于此；每个所述第三电流扩展子层703的厚度为2～5nm，示例性的，第三电流扩展子层703的厚度可为10nm、15nm、20nm，但不限于此；每个所述第四电流扩展子层704的厚度为2～5nm，示例性的，第四电流扩展子层704的厚度可为10nm、15nm、20nm，但不限于此；每个所述第五电流扩展子层705的厚度为10～20nm，示例性的，第五电流扩展子层705的厚度可为10nm、15nm、20nm，但不限于此。

具体的，所述第一电流扩展子层701为N型掺杂GaN层，所述第二电流扩展子层702为SiInN层，所述第三电流扩展子层703为SiN层，所述第四电流扩展子层704为SiAlN层，所述第五电流扩展子层705为未掺杂GaN层，首先，借助SiAlN层的高能带以及SiAlN层低能带的特点，使得电子横向传播增强，提高横向电流扩展；其次，通过含有Si，能够提供额外的电子密度，提高发光层40的复合效率；另外，通过SiN层能够缓解SiInN层和SiAlN层的晶格失配，提高外延层长晶质量，进一步提高电流扩展能力；最后，还通过所述未掺杂GaN层阻挡杂质原子进入发光层40，避免杂质原子降低发光层40中电子空穴复合效率。

还需说明的是，缓冲层20为AlGaN层4022，所述缓冲层20的厚度为5～20nm，示例性的，缓冲层20的厚度可为5nm、10nm、15nm或20nm，但不限于此，所述衬底层10包括衬底基板101以及设于所述衬底基板101上表面的氧化硅薄膜层102，所述衬底基板101由氧化铝、碳化硅、硅中的任一种材料制成，在本实施例中，衬底基板101优选用氧化铝材料制成。

综上，根据本实用新型提出的具有高复合发光效率的外延片，通过采用InGaN量子阱层以及InAlN量子垒层组成的多量子阱结构，由于InGaN和InAlN的晶格常数接近，相比传统的InGaN/GaN多量子阱层，能够显著降低晶格失配，提高内量子效率，与此同时，本实用新型中的发光层还通过引入多组交替生长的AlInGaN层以及AlGaN层以组成发光过渡子层，且将电阻阻挡层设置为P型AlGaN层，进而能够降低发光子层与电子阻挡层的晶格失配，进一步提高空穴和电子在发光子层中的复合效率。

本实用新型另一方面还提供一种发光二极管，该发光二极管包括上述实施例中的具有高复合发光效率的外延片，因此该发光二极管具有高复合发光效率的外延片的所有优点，在此不再详细说明。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，包括衬底层以及依次层叠于所述衬底层上的缓冲层、第一半导体层、发光层、电子阻挡层以及第二半导体层，其中：

所述发光层包括发光子层和层叠于所述发光子层上的发光过渡子层，所述发光子层包括第一预设周期个交替层叠的InGaN量子阱层以及InAlN量子垒层，所述发光过渡子层包括第二预设周期个交替层叠的AlInGaN层以及层叠于所述AlInGaN层上的AlGaN层，其中一所述InGaN量子阱层层叠于所述第一半导体层上，其中一所述AlInGaN层层叠于所述发光子层中最外层的InAlN量子垒层上，所述电子阻挡层为P型AlGaN层。

2.根据权利要求1所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述第一预设周期为3～10，在所述发光子层的每个周期中，每个所述InGaN量子阱层的厚度为3～10nm，每个所述InAlN量子垒层的厚度为10～30nm。

3.根据权利要求1所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述第二预设周期为2～5，在所述发光过渡子层的每个周期中，每个所述AlInGaN层的厚度为2～5nm，每个所述AlGaN层的厚度为3～10nm。

4.根据权利要求1所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，还包括设于所述第一半导体层和所述发光层之间的电流扩展层，所述电流扩展层包括第三预设周期个交替层叠的第一电流扩展子层、第二电流扩展子层、第三电流扩展子层、第四电流扩展子层以及第五电流扩展子层，其中一所述第一电流扩展子层层叠于所述第一半导体层上，其中一所述InGaN量子阱层层叠于一所述第五电流扩展子层上。

5.根据权利要求4所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述第三预设周期为2～5，在所述电流扩展层的每个周期中，每个所述第一电流扩展子层的厚度为10～20nm，每个所述第二电流扩展子层的厚度为2～5nm，每个所述第三电流扩展子层的厚度为2～5nm，每个所述第四电流扩展子层的厚度为2～5nm，每个所述第五电流扩展子层的厚度为10～20nm。

6.根据权利要求5所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述第一电流扩展子层为N型掺杂GaN层，所述第二电流扩展子层为SiInN层，所述第三电流扩展子层为SiN层，所述第四电流扩展子层为SiAlN层，所述第五电流扩展子层为未掺杂GaN层。

7.根据权利要求1所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述缓冲层为AlGaN层，所述缓冲层的厚度为5～20nm。

8.根据权利要求1所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述衬底层包括衬底基板以及设于所述衬底基板上表面的氧化硅薄膜层。

9.根据权利要求8所述的具有高复合发光效率的外延片，其特征在于，所述衬底基板由氧化铝、碳化硅、硅中的任一种材料制成。

10.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的具有高复合发光效率的外延片。

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