CN107086258B - 一种多量子阱结构及其发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种多量子阱结构及其发光二极管，该多量子阱结构包括应力释放层、电子收集层和发光层，所述发光层包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1‑x‑y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构；该发光二极管至少包括一衬底，及依次位于衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱结构层、电子阻挡层、P型层和P型接触层。本发明通过在多量子阱结构的各层中设置禁带宽度高于GaN的势垒层，相当于把现有结构中的电子阻挡层分散于多量子阱结构层中，对电子起到分散阻挡的作用，增强电子阻挡效果，改善大电流密度下电子溢流现象及由此引起的Droop效应，提高发光二极管的出光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种多量子阱结构及其发光二极管。
背景技术
随着LED行业日趋完善，目前市场针对LED白光照明产品高电流密度以及高亮度器件的设计开发愈发激烈。同时，为增加市场竞争力需求，针对维持产品性能尤其亮度水平前提下，逐步缩小尺寸的程度亦愈发强烈，这进一步提高了外延层结构设计针对高电流密度耐受性的需求，尤其需要克服Droop效应的影响。
目前，为提升外延垒晶层针对高电流下的耐受性，缓解和克服Droop效应的影响，多数外延结构设计采取在有源层后进行优化电子阻挡层的设计，例如Al组份渐变的AlGaN单层，或者超晶格结构的电子阻挡层，如AlGaN/GaN SLs、AlN/GaN SLs、以及AlN/AlGaNSLs，但这些外延垒晶层结构的设计，无法改变有源层内部的能带扭曲，在改善电子溢流的同时，也增加盖层厚度，导致光效的损失。同时，较厚且含Al组份较高的电子阻挡层的存在，会进一步扩大V-Pits的开口直径，导致上层需要更厚的P型GaN盖层来填平LED外延垒晶层，以避免ESD及IR性能的损失。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明首先提出一种多量子阱结构，包括应力释放层、电子收集层和发光层，所述发光层包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其特征在于：其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构。
优选的，所述发光层的最后一势垒层为GaN/Alx1N/GaN结构，其中，0.05≤x1≤0.20。
优选的，所述发光层包括第一发光层和第二发光层，所述第一发光层势垒的禁带宽度大于所述第二发光层势垒的禁带宽度。
优选的，所述电子收集层与所述发光层之间还设置有禁带宽度低于所述势阱层的电子沟壑层。
优选的，所述电子收集层包括若干个交替层叠的GaN垒层和InGaN阱层，以及 GaN/AlGaN/GaN最后一个势垒层。
优选的，所述发光层中最后一个势垒层为未掺杂结构层，其余势垒层为N型掺杂或者P型掺杂结构层。
优选的，所述GaN/Alx1N/GaN最后一个势垒层的厚度为140Å~190Å，其中Alx1N层的厚度为20Å~30Å，0.05≤x1≤0.20。
优选的，所述第一发光层的势垒层为GaN/Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N/GaN结构，第二发光层的势垒层为GaN结构，0＜x2≤1，0≤y2＜1。
优选的，所述第一发光层的势垒层为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，其中，0.02≤x2≤0.06。
优选的，所述电子沟壑层为InN层。
本发明还提出了一种发光二极管，至少包括一衬底，及依次位于所述衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱结构层、P型层和P型接触层，其特征在于：所述多量子阱结构层的结构为权利要求1~9所述的任意一种结构，其至少包括应力释放层、电子收集层和发光层，所述发光层包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构。
优选的，于所述多量子阱结构层与所述P型层之间***一电子阻挡层。
优选的，所述电子阻挡层为Alm1Inn1Ga(1-m1-n1)N单层结构或者Alm1Inn1Ga(1-m1-n1)N/Alm2Inn2Ga(1-m2-n2)N 超晶格结构，0≤m1≤1，0≤n1≤1，0≤m2≤1，0≤n2≤1，m1与m2、n1与n2不同时为零或者1。
优选的，所述电子阻挡层的厚度为200Å~300Å。
本发明至少具有以下有益效果：
1）于电子收集层最后一个垒层设置成GaN/AlGaN/GaN结构，可以起到阻挡电子迁移的速率，防止大电流密度下电子较多和较快溢流带来的内量子效应和Droop效应；
2）位于电子收集层与发光层之间的InN电子沟壑层具有较低的能级，进一步起到富集电子以及缓冲电子迁移速率的作用；同时也起到缓解电子收集层最后一个垒层与发光层之间的晶格差异，改善晶体质量；
3）第一发光层的势垒层为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，多组低Al组份的势垒层首先可以改善大电子溢流现象，有效提升内量子效率；同时因多量子阱结构真正起到复合发光的为第二发光层，将第一发光层的势垒层设置为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，首先可明显起到充当内置电子阻挡层的效果，同时采取垒层中间段物理位置***AlGaN结合两端GaN的复合结构，可明显改善因整段AlGaN结构带来的电压偏高现象；
4）发光层的最后一个势垒层设置为GaN/Alx1N/GaN结构，可以捕获最终穿越整段多量子阱结构的溢流电子，其次可以改善多量子阱结构内分段生长时界面处的晶格质量，对于整个发光二极管结构来说，在很大程度上阻挡了P型层生长时导致的P型掺杂反渗透进发光层的现象。
附图说明
图1 为本发明实施例1之多量子阱结构示意图。
图2 为本发明实施例1之发光二极管结构示意图。
图3 为本发明实施例2之多量子阱结构示意图。
图4 为本发明实施例2之发光二极管结构示意图。
图5 为本发明实施例3之多量子阱结构示意图。
图6 为本发明实施例3之发光二极管结构示意图。
附图标注：100：多量子阱结构；110：应力释放层；120：电子收集层；130：发光层；131：第一发光层；132：第二发光层；140：电子沟壑层；200：衬底；300：缓冲层；400：N型层；500：电子阻挡层；600：P型层；700：P型接触层。
具体实施方式
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
参看附图1，一种多量子阱结构100，包括应力释放层110、电子收集层120和发光层130，发光层130包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构，势阱层为InGaN结构。本实施例中优选发光层130的最后一个势垒层为GaN/Alx1N/GaN结构，其中，0.05≤x1≤0.20，进一步为0.1≤x1≤0.15，其厚度为140Å~190Å，而Alx1N层的厚度为20Å~30Å。
电子收集层120包括若干个交替层叠的GaN垒层和InGaN阱层，其周期数为3~6，为减缓电子的迁移速率，于电子收集层120最后一个GaN垒层中***AlGaN层，形成GaN/AlGaN/GaN结构的最后势垒层，AlGaN层的***不仅改善大电流密度下电子溢流现象导致的内量子阱效率低及Droop效应，其次，由于电子收集层120周期数的减少，改善了现有结构中电子收集层120周期数较多带来的长晶质量较差的问题。
参看附图2，本实施例还提供一种发光二极管结构，其至少包括一衬底200，及依次位于所述衬底200上的缓冲层300、N型层400、多量子阱结构100层、P型层600和P型接触层700，其中，多量子阱结构100层至少包括应力释放层110、电子收集层120和发光层130，发光层130包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构。
具体地，发光层130最后一个势垒层为GaN/Alx1N/GaN结构，其中，0.05≤x1≤0.20，进一步为0.1≤x1≤0.15，其厚度为140Å~190Å，而Alx1N层的厚度为20Å~30Å，其余发光层130的势垒层为GaN结构；最后一个势垒层上还设置有电子阻挡层500，在本实施例中电子阻挡层500为Alm1Inn1Ga(1-m1-n1)N单层结构或者Alm1Inn1Ga(1-m1-n1)N/Alm2Inn2Ga(1-m2-n2)N 超晶格结构，0≤m1≤1，0≤n1≤1，0≤m2≤1，0≤n2≤1，m1与m2、n1与n2不同时为零或者1。电子收集层120包括交替层叠的GaN垒层和InGaN阱层，其周期数为3~6，为减缓电子的迁移速率，于电子收集层120最后一个GaN垒层中***AlGaN层。本实施例中的电子收集层120与发光层130的最后一个势垒层均由高能级的含铝氮化物层构成，相对现有结构中的GaN势垒层，含铝氮化物的势垒层其能级较高，其与电子阻挡层500相互配合，对电子起到了分散阻挡的阻挡作用，而且相对于现有结构中的电子阻挡层500，本发明中的电子阻挡层500的厚度较薄为200Å~300Å，有效改善了因电子阻挡层500厚度较厚引起的遮光，提升发光二极管的亮度。
同时，将GaN/Alx1N/GaN结构的最后一个势垒层设置于电子阻挡层500与发光层130之间，首先可以捕获最终穿越整段多量子阱结构100的溢流电子，其次可以改善多量子阱结构100内分段生长时应力释放层110与电子收集层120界面处以及电子收集层120与发光层130界面处的晶格质量，对于整个发光二极管结构来说，在很大程度上阻挡了P型层600生长时导致的P型掺杂反渗透进发光层130的现象。
实施例2
参看附图3，该多量子阱结构100包括应力释放层110、电子收集层120和发光层130，发光层130包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构，势阱层为InGaN结构。发光层130包括第一发光层131和第二发光层132，第一发光层131势垒的禁带宽度大于第二发光层132势垒的禁带宽度。具体地，第一发光层131的势垒层为GaN/Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N/GaN结构，第二发光层132的势垒层为GaN结构，0＜x2≤1，0≤y2＜1，更进一步地，第一发光层131的势垒层为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，其中，0.02≤x2≤0.06。第一发光层131的周期数为4~8，第二发光层132的周期数为5~10。
将第一发光层131中的势垒层设置为多组低Al组份，首先可以减缓大电流密度下电子溢流现象，大大增加电子空穴在发光层130有效复合辐射的几率，增加发光物理面积，有效提升内量子阱效率。其次，以GaN/Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N/GaN结构作为势垒层，可以适当纠正InGaN量子阱层生长时产生的晶格缺陷。
参看附图4，该发光二极管至少包括：一衬底200，以及依次位于衬底200上的缓冲层300、N型层400、多量子阱结构100层、电子阻挡层500、P型层600和P型接触层700，多量子阱结构100层包括应力释放层110、电子收集层120和发光层130，发光层130包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构。
具体地，发光层130包括第一发光层131和第二发光层132，且第一发光层131的禁带宽度大于第二发光层132的禁带宽度，具体地，第一发光层131的势垒层为GaN/Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N/GaN结构，第二发光层132的势垒层为GaN结构，0＜x2≤1，0≤y2＜1，更进一步地，第一发光层131的势垒层为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，其中，0.02≤x2≤0.06。第一发光层131的周期数为3~5，第二发光层132的周期数为2~10。
电子阻挡层500为Alm1Inn1Ga(1-m1-n1)N/Alm2Inn2Ga(1-m2-n2)N 超晶格结构，0.05≤m1≤0.20，0≤n1≤0.10，0.05≤m2≤0.20，0≤n2≤0.10，其厚度为250Å~300Å。
实施例3
参看附图5，该多量子阱结构100层包括应力释放层110、电子收集层120、电子沟壑层140和发光层130，发光层130包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构，势阱层为InGaN结构。发光层130包括第一发光层131和第二发光层132，第一发光层131势垒的禁带宽度大于第二发光层132势垒的禁带宽度。具体地，第一发光层131的势垒层为GaN/Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N/GaN结构，势阱层为InGaN结构；第二发光层132的最后一个势垒层为最后一个势垒层为GaN/Alx1N/GaN结构，其中，0.1≤x1≤0.15，其厚度为80Å~120Å，而Alx1N层的厚度为20Å~30Å，其余第二发光层132的势垒层为GaN结构，势阱层均为InGaN结构。优选的，第一发光层131的势垒层为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，其中，0.02≤x2≤0.06，第一发光层131的周期数为3~5，第二发光层132的周期数为3~5。
电子收集层120包括交替层叠的GaN垒层和InGaN阱层，其周期数为3~6，且电子收集层120最后一个GaN垒层中***有AlGaN层，形成GaN/AlGaN/GaN最后势垒层， 因此电子收集层120包括交替层叠的GaN垒层和InGaN层，以及位于交替层叠的GaN垒层和InGaN层之上的GaN/AlGaN/GaN最后一个势垒层。
于电子收集层120和发光层130之间***一禁带宽度低于InGaN势阱层的电子沟壑层140，优先的电子沟壑层140为InN结构，其起到进一步富集电子以及缓冲电子迁移速率的作用。同时也起到缓解电子收集层120最后一个垒层与发光层130之间的晶格差异，改善晶体质量。
参看附图6，该发光二极管至少包括：一衬底200，以及依次位于衬底200上的缓冲层300、N型层400、多量子阱结构100层、电子阻挡层500、P型层600和P型接触层700，多量子阱结构100层包括应力释放层110、电子收集层120和发光层130。其中，多量子阱结构100层包括应力释放层110、电子收集层120和发光层130。
其中，电子收集层120包括交替层叠的GaN垒层和InGaN层，以及位于交替层叠的GaN垒层和InGaN层之上的GaN/AlGaN/GaN最后一个势垒层。
发光层130包括第一发光层131和第二发光层132，其中第一发光层131包括交替层叠GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN势垒层与InGaN势阱层，其周期数为3~5。第二发光层132包括交替层的GaN势垒层和InGaN势阱层，以及位于交替层的GaN势垒层和InGaN势阱层至少的GaN/Alx1N/GaN结构的最后一个势垒层。
同时，该发光二极管还包括位于电子收集层120于发光层130之间的用于进一步存储在的电子沟壑层140，其为InN结构。电子阻挡层500为Alm1Inn1Ga(1-m1-n1)N单层结构，0.05≤m1≤0.20，0≤n1≤0.10，其厚度为220Å~280Å。
本发明通过在多量子阱结构100的各层中设置禁带宽度高于GaN的势垒层，相当于把现有结构中的电子阻挡层500分散于多量子阱结构100层中，对电子起到分散阻挡的作用，增强电子阻挡效果，改善大电流密度下电子溢流现象及由此引起的Droop效应，在一定程度上提升发光二极管的晶格质量。
同时，由于多量子阱结构100层中高禁带宽度的势垒层的设置，极大地减薄了电子阻挡层500的厚度，有效改善了电子阻挡层500较厚对光的遮盖现象，提升了发光二极管的出光效率。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种多量子阱结构，包括应力释放层、电子收集层和发光层，所述发光层包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其特征在于：其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构，所述电子收集层与所述发光层之间还设置有禁带宽度低于所述势阱层的电子沟壑层。
2.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述发光层的最后一势垒层为GaN/Alx1N/GaN结构，其中，0.05≤x1≤0.20。
3.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述发光层包括第一发光层和第二发光层，所述第一发光层势垒的禁带宽度大于所述第二发光层势垒的禁带宽度。
4.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述电子收集层包括若干个交替层叠的GaN垒层和InGaN阱层，以及GaN/AlGaN/GaN最后一个势垒层。
5.根据权利要求2所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述发光层的最后一个势垒层为未掺杂结构层，其余势垒层为N型掺杂或者P型掺杂结构层。
6.根据权利要求2所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述GaN/Alx1N/GaN最后一个势垒层的厚度为140Å~190Å，其中Alx1N层的厚度为20Å~30Å，0.1≤x1≤0.15。
7.根据权利要求3所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一发光层的势垒层为GaN/Alx2Iny2Ga(1-x2-y2)N/GaN结构，第二发光层的势垒层为GaN结构，0＜x2≤1，0≤y2＜1。
8.根据权利要求7所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一发光层的势垒层为GaN/Alx2Ga(1-x2)N/GaN结构，其中，0.02≤x2≤0.06。
9.一种发光二极管，至少包括一衬底，及依次位于所述衬底上的缓冲层、N型层、多量子阱结构层、P型层和P型接触层，其特征在于：所述多量子阱结构层的结构为权利要求1~8任意一项所述的多量子阱结构，其至少包括应力释放层、电子收集层和发光层，所述发光层包括若干个交替生长的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层为GaN/AlxInyGa(1-x-y)N/GaN结构，0＜x≤1，0≤y＜1，其余势垒层为GaN结构，所述电子收集层与所述发光层之间还设置有禁带宽度低于所述势阱层的电子沟壑层。
10.根据权利要求9所述的一种发光二极管，其特征在于：于所述多量子阱结构层与所述P型层之间***一电子阻挡层。
11.根据权利要求10所述的一种发光二极管，其特征在于：所述电子阻挡层的厚度为200Å~300Å。
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