CN218827205U - 发光二极管外延片及发光二极管 - Google Patents

发光二极管外延片及发光二极管 Download PDF

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高虹
刘春杨
胡加辉
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Abstract

本实用新型提供一种发光二极管外延片及发光二极管，包括有源层，该有源层包括依次层叠的第一超晶格结构层和第二超晶格结构层，第一超晶格结构层包括第一预设周期个交替生长的InGaN量子阱层以及量子垒复合层，量子垒复合层包括依次沉积的第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层，第一量子垒子层和第三量子垒子层均为GaN层，第二量子垒子层为InAlN层；第二超晶格结构层包括第二预设周期个交替生长的GaN层以及AlGaN层。本实用新型提出的发光二极管外延片，通过优化传统外延片中有源层结构存在的晶格失配问题，进而提高外延层的生长质量，从而提高内量子效率。

Description

发光二极管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，特别涉及一种发光二极管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。
传统外延片的有源层结构由单层的量子阱层和单层的量子垒层构成，且量子阱层一般为InGaN材质，量子垒层一般为GaN材质，然而InGaN量子阱层和GaN量子垒层之间容易产生晶格失配，进而影响内量子效率。
实用新型内容
基于此，本实用新型的目的是提供一种发光二极管外延片及发光二极管，以优化传统外延片中有源层结构存在的晶格失配问题，进而提高外延层的生长质量，从而提高内量子效率。
一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底基板以及依次外延生长于所述衬底基板上的缓冲层、N型GaN层、有源层、AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层，其中：
所述有源层包括依次层叠的第一超晶格结构层和第二超晶格结构层，所述第一超晶格结构层包括第一预设周期个交替生长的InGaN量子阱层以及量子垒复合层，所述量子垒复合层包括依次沉积的第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层，所述第一量子垒子层和第三量子垒子层均为GaN层，所述第二量子垒子层为InAlN层；所述第二超晶格结构层包括第二预设周期个交替生长的GaN层以及AlGaN层；
所述第一量子垒子层层叠于所述InGaN量子阱层上，所述第二超晶格结构层中最外侧的GaN层层叠于所述第三量子垒子层上，所述AlGaN电子阻挡层层叠于最远离所述第三量子垒子层的所述AlGaN层上。
综上，根据上述的发光二极管外延片，通过设置有源层包括依次沉积的第一超晶格结构层以及第二超晶格结构层，所述第一超晶格结构层包括第一预设周期个交替生长的InGaN量子阱层以及量子垒复合层，其中，所述量子垒复合层包括依次沉积的第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层，所述第一量子垒子层和第三量子垒子层均为GaN层，所述第二量子垒子层为InAlN层；所述第二超晶格结构层包括第二预设周期个交替生长的GaN层以及AlGaN层。所述第一超晶格结构层主要是电子空穴对复合发光的地方，通过在量子垒层中引入所述InAlN层，能够起到阻挡电子的效果，并且由于InGaN和InAlN的晶格常数接近，能缓解量子垒层与量子阱层之间的晶格失配，从而能够提高外延层的晶体质量，从而提高内量子效率；此外，所述第二超晶格结构层主要用于起到进一步阻挡电子的作用，并通过交替沉积GaN层以及AlGaN层的方式，能够缓解与后续AlGaN电子阻挡层的晶格失配，同时通过沉积GaN层产生的张应力缓解AlGaN层的压应力，从而进一步提高后续外延层晶体的生长质量。
进一步的，所述第一预设周期的数量为2-8，每层所述InGaN量子阱层的厚度为2-10nm。
进一步的，每层所述第二量子垒子层的厚度为10-20nm，每层所述第一量子垒子层的厚度为2-10nm，每层所述第三量子垒子层的厚度为2-10nm。
进一步的，在所述第二超晶格结构层中，所述第二预设周期为2-5，每层GaN层的厚度为2-10nm，每层AlGaN层的厚度为5-10nm。
进一步的，还包括设于所述P型GaN层上的P型接触层，所述P型接触层包括第一P型接触子层，所述第一P型接触子层包括第三预设周期个交替生长的P型掺杂GaN层以及P型掺杂AlGaN层。
进一步的，在所述第一P型接触子层中，所述第三预设周期为2-5,每层所述P型掺杂GaN层的厚度为2-5nm，每层所述P型掺杂AlGaN层的厚度为2-10nm。
进一步的，所述P型接触层还包括沉积于所述第一P型接触子层上的第二P型接触子层，所述第二P型接触子层为P型掺杂AlInGaN层，所述P型掺杂AlInGaN层的厚度为2-10nm。
进一步的，所述缓冲层为AlN、AlGaN或GaN中的任一种。
进一步的，所述衬底基板为Si基板、SiC基板或蓝宝石基板任一种。
另一方面，本实用新型还提出一种发光二极管，包括上述的发光二极管外延片。
附图说明
图1为本实用新型第一实施例中的发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本实用新型第一实施例中的有源层的结构示意图；
图3为本实用新型第一实施例中的P型接触层的结构示意图。
主要元件符号说明：
衬底基板 10 缓冲层 20
N型GaN层 30 有源层 40
AlGaN电子阻挡层 50 P型GaN层 60
P型接触层 70 第一超晶格结构层 401
第二超晶格结构层 402 InGaN量子阱层 4011
量子垒复合层 4012 第一量子垒子层 40121
第二量子垒子层 40122 第三量子垒子层 40123
GaN层 4021 AlGaN层 4022
第一P型接触子层 701 P型掺杂GaN层 7011
P型掺杂AlGaN层 7012 第二P型接触子层 702
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发光二极管外延片的结构示意图，包括衬底基板10以及依次外延生长于衬底基板10上的缓冲层20、N型GaN层30、有源层40、AlGaN电子阻挡层50、P型GaN层60以及P型接触层70，其中：
为了克服传统有源层40结构存在的量子阱层和量子垒层存在的晶格失配问题，本实施例中的有源层40包括依次层叠的第一超晶格结构层401和第二超晶格结构层402，第一超晶格结构层401包括第一预设周期个交替生长的InGaN量子阱层4011以及量子垒复合层4012，量子垒复合层4012包括依次沉积的第一量子垒子层40121、第二量子垒子层40122以及第三量子垒子层40123，第一量子垒子层40121和第三量子垒子层40123均为GaN层，第二量子垒子层40122为InAlN层；第二超晶格结构层402包括第二预设周期个交替生长的GaN层4021以及AlGaN层4022。第一超晶格结构层401主要是电子空穴对复合发光的地方，通过设置量子垒复合层4012，且量子垒复合层4012中的第二量子垒子层40122设置为InAlN层，能够起到阻挡电子的效果，并且由于InGaN和InAlN的晶格常数接近，即InGaN量子阱层4011与第二量子垒子层40122的晶格常数接近，从而能缓解量子垒层与量子阱层之间的晶格失配，从而能够提高外延层的晶体质量，从而提高内量子效率。
具体的，第一量子垒子层40121层叠于InGaN量子阱层4011上，第二超晶格结构层402中最外侧的GaN层层叠于第三量子垒子层40123上，AlGaN电子阻挡层50层叠于最远离第三量子垒子层40123的AlGaN层4022上，第二超晶格结构层402主要用于起到进一步阻挡电子的作用，并通过交替沉积GaN层以及AlGaN层4022的方式，能够缓解与后续AlGaN电子阻挡层50的晶格失配，同时通过沉积GaN层产生的张应力缓解AlGaN层4022的压应力，提高后续外延层晶体的生长质量。
进一步的，第一预设周期的数量为2-8，每层InGaN量子阱层4011的厚度为2-10nm，示例性的，第一超晶格结构层401可包括2、5、8等周期个交替生长的InGaN量子阱层4011以及量子垒复合层4012，每层InGaN量子阱层4011的厚度为2-10nm，示例性的，每层InGaN量子阱层4011的厚度可为2nm、6nm、10nm等，且每层InGaN量子阱层4011的In含量沿外延生长方向逐渐递减。
对于量子垒复合层4012，其包括的每层第二量子垒子层的厚度为10-20nm，示例性的，第二量子垒子层的厚度可为10nm、15nm以及20nm等，每层第一量子垒子层40121的厚度为2-10nm，示例性的，第一量子垒子层40121的厚度可为2nm、6nm或者10nm等，每层第三量子垒子层40123的厚度为2-10nm，示例性的，第三量子垒子层40123的厚度可为2nm、6nm或者10nm等。
还需说明的是，在第二超晶格结构层402中，第二预设周期为2-5，示例性的，第二超晶格结构层402可包括2、3、5周期个交替生长的GaN层以及AlGaN层4022，每层GaN层的厚度为2-10nm，示例性的，GaN层的厚度可为2nm、6nm或者10nm等，每层AlGaN层4022的厚度为5-10nm，示例性的，AlGaN层4022的厚度可为5nm、8nm或10nm等，且每层AlGaN层4022的Al含量沿外延生长方向逐渐递增。
此外，在本实施例中，P型接触层70包括依次层叠于P型GaN层60上的第一P型接触子层701和第二P型接触子层702，第一P型接触子层701包括第三预设周期个交替生长的P型掺杂GaN层7011以及P型掺杂AlGaN层70124022，通过交替性地引入P型掺杂AlGaN层70124022，因为Al原子的半径相对较小，P型掺杂AlGaN层70124022沉积在P型GaN层60上引入压应力，能够起到释放P型GaN层60所受的张应力，减少应力对外延晶体质量的影响；另外，加上铟元素的存在，它功函数与金属电极的功函数相对更接近，可以起到降低接触电阻的作用,从而提高空穴的注入效率；此外，通过P型掺杂，引入更多空穴，能够提高空穴浓度，增加有源层40中空穴电子复合几率。
在第一P型接触子层701中，第三预设周期为2-5,示例性的，第一P型接触子层701可包括2、3或5周期个交替生长的P型掺杂GaN层7011以及P型掺杂AlGaN层70124022，每层P型掺杂GaN层7011的厚度为2-5nm，示例性的，P型掺杂GaN层7011的厚度可为2nm、3nm或5nm等，每层P型掺杂AlGaN层70124022的厚度为2-10nm，示例性的，P型掺杂AlGaN层70124022的厚度可为2nm、6nm或10nm等，此外，P型掺杂AlGaN层70124022中的Al含量沿外延生长方向逐渐递减。
对于第二P型接触子层702，其为P型掺杂AlInGaN层，且P型掺杂AlInGaN层的厚度为2～10nm，示例性的，P型掺杂AlInGaN层的厚度可为2nm、6nm或10nm等。
优选地，缓冲层20为AlxGa(1-x)N层，x取0-1之间，即可以为AlN、AlGaN或GaN任一种，主要用于缓解后续外延层与衬底基板10之间的晶格失配，提高外延晶体的生长质量，进而提升LED外延片的光电性能。衬底基板10为Si基板、SiC基板或蓝宝石基板任一种，其中，优先使用价格实惠、容易获取及晶格常数适中的蓝宝石基板，并在其生长外延层的一面制作凹凸图案，以增强LED外延片的出光效率，实现提亮效果。
综上，根据上述的发光二极管外延片，通过设置有源层包括依次沉积的第一超晶格结构层以及第二超晶格结构层，所述第一超晶格结构层包括第一预设周期个交替生长的InGaN量子阱层以及量子垒复合层，其中，所述量子垒复合层包括依次沉积的第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层，所述第一量子垒子层和第三量子垒子层均为GaN层，所述第二量子垒子层为InAlN层；所述第二超晶格结构层包括第二预设周期个交替生长的GaN层以及AlGaN层。所述第一超晶格结构层主要是电子空穴对复合发光的地方，通过在量子垒层中引入所述InAlN层，能够起到阻挡电子的效果，并且由于InGaN和InAlN的晶格常数接近，能缓解量子垒层与量子阱层之间的晶格失配，从而能够提高外延层的晶体质量，从而提高内量子效率；此外，所述第二超晶格结构层主要用于起到进一步阻挡电子的作用，并通过交替沉积GaN层以及AlGaN层的方式，能够缓解与后续AlGaN电子阻挡层的晶格失配，同时通过沉积GaN层产生的张应力缓解AlGaN层的压应力，从而进一步提高后续外延层晶体的生长质量。
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发光二极管外延片，因此该发光二极管外延片的所有优点，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)

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底基板以及依次外延生长于所述衬底基板上的缓冲层、N型GaN层、有源层、AlGaN电子阻挡层以及P型GaN层，其中：
所述有源层包括依次层叠的第一超晶格结构层和第二超晶格结构层，所述第一超晶格结构层包括第一预设周期个交替生长的InGaN量子阱层以及量子垒复合层，所述量子垒复合层包括依次沉积的第一量子垒子层、第二量子垒子层以及第三量子垒子层，所述第一量子垒子层和第三量子垒子层均为GaN层，所述第二量子垒子层为InAlN层；所述第二超晶格结构层包括第二预设周期个交替生长的GaN层以及AlGaN层；
所述第一量子垒子层层叠于所述InGaN量子阱层上，所述第二超晶格结构层中最外侧的GaN层层叠于所述第三量子垒子层上，所述AlGaN电子阻挡层层叠于最远离所述第三量子垒子层的所述AlGaN层上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一预设周期的数量为2-8，每层所述InGaN量子阱层的厚度为2-10nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每层所述第二量子垒子层的厚度为10-20nm，每层所述第一量子垒子层的厚度为2-10nm，每层所述第三量子垒子层的厚度为2-10nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，在所述第二超晶格结构层中，所述第二预设周期为2-5，每层GaN层的厚度为2-10nm，每层AlGaN层的厚度为5-10nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，还包括设于所述P型GaN层上的P型接触层，所述P型接触层包括第一P型接触子层，所述第一P型接触子层包括第三预设周期个交替生长的P型掺杂GaN层以及P型掺杂AlGaN层。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，在所述第一P型接触子层中，所述第三预设周期为2-5,每层所述P型掺杂GaN层的厚度为2-5nm，每层所述P型掺杂AlGaN层的厚度为2-10nm。
7.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述P型接触层还包括沉积于所述第一P型接触子层上的第二P型接触子层，所述第二P型接触子层为P型掺杂AlInGaN层，所述P型掺杂AlInGaN层的厚度为2-10nm。
8.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述缓冲层为AlN、AlGaN或GaN中的任一种。
9.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述衬底基板为Si基板、SiC基板或蓝宝石基板任一种。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的发光二极管外延片。
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