CN217086610U

CN217086610U - 一种led结构

Info

Publication number: CN217086610U
Application number: CN202123217328.3U
Authority: CN
Inventors: 刘慰华
Original assignee: Wuxi Jingzhan Semiconductor Co ltd
Current assignee: Wuxi Jingzhan Semiconductor Co ltd
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2031-12-20

Abstract

本实用新型公开了一种LED结构，包括衬底，以及在衬底上依次层叠设置的第一半导体层、量子阱结构以及第二半导体层，量子阱结构包括至少一层量子阱层，量子阱层包括靠近衬底一侧的势阱层、远离衬底一侧的势垒层以及设置于势阱层和势垒层之间的应力调制结构；应力调制结构的设置一方面避免了势阱层中的In元素分离逃逸，有效提高了势阱层的晶体质量，另一方面应力调制结构与下方结构间存在内建应力，使得在外部施加电场的情况下有利于载子在注入到应力调制结构下表面时实现二维扩展，进一步提高载子在势阱层中辐射复合的效率，从而提升LED结构的内量子效率。

Description

一种LED结构

技术领域

本公开涉及技术领域，尤其涉及一种LED结构。

背景技术

基于传统的MOCVD外延制备GaN基LED结构材料时，外延有源区阶段的势阱（QW）材料InGaN后晶体其上表面处质量变差，缺陷密度升高，并影响后续材料质量，在电致发光过程中，因此增加的缺陷形成了更多载流子的非辐射复合中心，进而影响整个LED结构的内量子效率。且在具有高In组分（In占比>30%）的势阱层（31）的LED结构中，传统技术方案制备的GaN基LED结构由于缺陷密度急剧增加，影响尤为严重。

现有的解决方案在完成势阱材料InGaN外延后通过提升外延温度或者增加外延氛围气体中氢气的占比来改善对应外延材料的质量以解决该技术问题，此解决方案在具有较低In组分占比的势阱层（31）的LED结构中有很好的效果；但是在具有较高In组分占比的势阱层（31）的LED结构中，通过提升外延温度或者增加外延氛围气体中氢气的占比会使得势阱层（31）的InGaN材料中的In元素分离逃逸、In组分降低，从而使势阱层（31）中原本的高In组分材料受到破坏。

实用新型内容

本公开的目的在于提供一种LED结构，以提升LED结构的内量子效率的同时避免势阱层中的In组分逃逸，影响晶体质量。

本公开提供的一种LED结构，包括：

衬底，以及在衬底上依次层叠设置的第一半导体层、量子阱结构以及第二半导体层，

量子阱结构包括至少一层量子阱层，量子阱层包括靠近衬底一侧的势阱层、远离衬底一侧的势垒层以及设置于势阱层和势垒层之间的应力调制结构。

进一步地，应力调制结构的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，应力调制结构包括Al组分，Al组分在由衬底指向第二半导体层的方向上逐渐升高。

进一步地，量子阱结构包括多层量子阱层，应力调制结构包括Al组分，由衬底指向第二半导体层的方向上，不同量子阱层的应力调制结构的Al组分逐层升高，和/或，不同量子阱层的所述应力调制结构的厚度逐层增加。

更进一步地，应力调制结构包括层叠设置的过渡层以及应力调制层。

更进一步地，过渡层的材料为氮化镓基材料。

更进一步地，过渡层的厚度小于3nm。

进一步地，应力调制层的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料。

更进一步地，应力调制层的厚度小于2nm。

进一步地，过渡层和/或应力调制层为未掺杂层或者N型掺杂层。

更进一步地，N型掺杂层的掺杂浓度小于1×10¹⁸cm^-3。

进一步地，LED结构还包括第一电极和第二电极，第一电极与第一半导体层电连接，第二电极和第二半导体层电连接。

本公开实施方式在LED结构量子阱层中的势阱层和势垒层之间设置应力调制结构，一方面避免了势阱层中的In元素分离逃逸，有效提高了势阱层的晶体质量，另一方面应力调制结构与下方结构间存在内建应力，使得在外部施加电场的情况下有利于载子在注入到应力调制结构下表面时实现二维扩展，进一步提高载子在势阱层中辐射复合的效率，从而提升LED结构的内量子效率。

附图说明

图1至图2是本公开LED结构的实施例一的截面示意图；

图3是本公开LED结构的实施例二的截面示意图；

图4是本公开LED结构的实施例三的截面示意图；

图5是本公开LED结构的实施例四的截面示意图。

附图标记说明：1-衬底，2-第一半导体层，3-量子阱层，31-势阱层，32-应力调制结构，321-过渡层，322-应力调制层，33-势垒层，4-第二半导体层，5-第一电极，6-第二电极，7-成核层，8-缓冲层。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本公开说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

实施例一

图1和图2为本公开实施例一的截面示意图，实施例一提供一种LED结构，包括：

衬底（1），以及在衬底（1）上依次层叠设置的第一半导体层（2）、量子阱结构以及第二半导体层（4），量子阱结构包括至少一层量子阱层（3），量子阱层（3）包括靠近衬底（1）一侧的势阱层（31）、远离衬底（1）一侧的势垒层（33）以及设置于势阱层（31）和势垒层（33）之间的应力调制结构（32）。

势阱层（31）包括In元素，在量子阱层（3）中的势阱层（31）和势垒层（33）之间设置应力调制结构（32），一方面避免了势阱层（31）中的In元素分离逃逸，有效提高了势阱层（31）的晶体质量，另一方面应力调制结构（3）与下方结构间存在内建应力，使得在外部施加电场的情况下有利于载子在注入到应力调制结构（32）下表面时实现二维扩展，进一步提高载子在势阱层（31）中辐射复合的效率，从而提升LED结构的内量子效率。

其中，第一半导体层（2）与第二半导体层（4）导电类型相反，优选地，第一半导体层（2）为N型掺杂半导体层，第二半导体层（4）为P型掺杂半导体层；第一半导体层（2）和第二半导体层（4）的材料可以是GaN基材料，本实施例中，第一半导体层（2）和第二半导体层（4）的材料优选为GaN，此处不做限定。

本实施例中，势阱层（31）和势垒层（33）同为GaN基材料，其中势阱层中包括In元素，优选地，势阱层（31）为InGaN，势垒层为GaN。

进一步地，应力调制结构（32）的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，应力调制结构（32）包括Al组分，Al组分在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上逐渐升高。

本实施例中优选地，应力调制结构（32）选用单层Al组分渐变的Al_xGa_1-xN材料，其中在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上，Al_xGa_1-xN中Al组分逐渐升高。具体地，0≤x≤1，由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上，x的数值从0逐渐升高为1。

进一步地，应力调制结构（32）中Al组分逐渐升高的方式可以是线性升高、阶梯式升高或者两种升高方式的结合，本实施例对此不做限定。

在传统MOCVD生长LED结构时，高Al组分的外延层以及势垒层（33）通常需要设置较高的温度，然而包括In元素的势阱层（31）则对应设置较低的外延温度，因此设置Al组分渐变的应力调制结构（32）的目的在于可有效地起到缓冲过渡的作用，可有效提高势阱层（31）的晶体质量，避免突然的高温外延使得势阱层（31）中In元素分离逃逸以造成破坏。

衬底（1）的材料可以从Si、Al₂O₃、SiC和GaN等材料中选取一种或多种的组合，衬底（1）和第一半导体层（2）之间还可以依次设置成核层（7）和缓冲层（8），以提高异质衬底上方外延结构的晶体质量，降低缺陷。

实施例二

如图3所示，图3为本公开LED结构的实施例二的截面示意图。实施例二与实施例一的主要结构基本相同，以下仅描述区别点部分，相同部分不做赘述。

本实施例中，量子阱结构为多量子阱层（3）结构，量子阱结构包括多层层叠设置的量子阱层（3）。

优选地，多层层叠的量子阱层（3）中各层量子阱层（3）的应力调制结构（32）的Al组分在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上逐层增加。

进一步的，各层量子阱层（3）的应力调制结构（32）的Al组分在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上逐层增加可通过以下方式实现：

各层量子阱层（3）的应力调制结构（32）的Al组分在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上逐层增加，和/或，各层量子阱层（3）的应力调制结构（32）的厚度在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上逐层增加。

优选地，各层量子阱层（3）的应力调制结构（32）的厚度小于5nm，本实施例中各层量子阱层（3）的应力调制结构（32）的厚度优选为2nm~5nm。

多量子阱层（3）结构的设置使得量子阱结构的势阱层（31）中的能带更趋于量子化，局域性更好；且能够提高势阱层（31）中载流子的复合几率，使得势阱层（31）中载流子复合的能隙大小趋于一致性。

实施例三

图4为本公开LED结构的实施例三的截面示意图。实施例三的技术方案与实施例一及实施例二的技术方案主要结构基本相同，区别点在于：

应力调制结构（32）包括层叠设置的过渡层（321）以及应力调制层（322）。

进一步地，过渡层（321）的材料为氮化镓基材料，本实施例中过渡层（321）优选为GaN单层。

更进一步地，过渡层（321）的厚度小于3nm，本实施例中优选地，过渡层的厚度在1nm~3nm之间。

进一步地，应力调制层（322）的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料，本实施例中应力调制层（322）优选为AlN单层。

更进一步地，应力调制层（322）的厚度小于2nm，本实施例中优选地，应力调制层的厚度在1nm~2nm之间。当量子阱结构为多层量子阱层（3）时，各层量子阱层（3）的应力调制层（322）的厚度在由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上逐层增加。

应力调制层（322）与下方的过渡层（321）和势阱层（31）之间因材料晶格常数差异引起内建应力，使得应力调制层（322）下表面处在有施加电场情况下，载子注入至应力调制层（322）下表面处时更利于实现横向/二维扩展，提升了载子在势阱层（31）完成辐射复合的效率，从而提升了LED结构的内量子效率。

应力调制层（322）另一个作用在于，应力调制层（322）的设置，可实现有效的隔离保护作用，有效避免量子阱层（31）中的In元素分离逃逸，提高势阱层（31）的晶体质量。

而由于传统MOCVD生长AlN材料时需设置较高温度，量子阱层（31）则生长温度较低，因此过渡层（321）的设置可实现有效的缓冲作用。

进一步地，过渡层（321）和/或应力调制层（322）为未掺杂层或者N型掺杂层，优选地，当过渡层（321）和/或应力调制层（322）为N型掺杂层时，过渡层（321）和应力调制层（322）的掺杂浓度小于1×10¹⁸cm^-3。过渡层（321）和/或应力调制层（322）为N型掺杂层时可有效降低LED结构的驱动电压。

实施例四

图5为本公开LED结构的实施例四的截面示意图。实施例四的技术方案与实施例一、实施例二及实施例三的技术方案主要结构基本相同，以下仅描述区别点部分，相同部分不做赘述。

进一步地，LED结构还包括第一电极（5）和第二电极（6），第一电极（5）与第一半导体层（2）电连接，第二电极（6）和第二半导体层（4）电连接。

第二电极（6）设置于第二半导体层（4）上，第一电极（5）设置于衬底（1）远离第一半导体层（2）一侧的表面；第一电极（5）为阴极，第二电极（6）为阳极。

以上所述仅是本公开的较佳实施方式而已，并非对本公开做任何形式上的限制，虽然本公开已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。

Claims

1.一种LED结构，其特征在于，包括：

衬底（1），以及在所述衬底（1）上依次层叠设置的第一半导体层（2）、量子阱结构以及第二半导体层（4），

所述量子阱结构包括至少一层量子阱层（3），所述至少一层量子阱层（3）包括靠近所述衬底（1）一侧的势阱层（31）、远离所述衬底（1）一侧的势垒层（33）以及设置于所述势阱层（31）和所述势垒层（33）之间的应力调制结构（32）。

2.根据权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述应力调制结构（32）的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料。

3.根据权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述量子阱结构包括多层量子阱层（3），由衬底（1）指向第二半导体层（4）的方向上，不同所述量子阱层（3）的所述应力调制结构（32）的厚度逐层增加。

4.根据权利要求1至权利要求3中任意一项所述的LED结构，其特征在于，所述应力调制结构（32）包括层叠设置的过渡层（321）以及应力调制层（322）。

5.根据权利要求4所述的LED结构，其特征在于，所述过渡层（321）的材料为氮化镓基材料。

6.根据权利要求4所述的LED结构，其特征在于，所述过渡层（321）的厚度小于3nm。

7.根据权利要求4所述的LED结构，其特征在于，所述应力调制层（322）的材料为Ⅲ-Ⅴ族化合物材料。

8.根据权利要求4所述的LED结构，其特征在于，所述应力调制层（322）的厚度小于2nm。

9.根据权利要求4所述的LED结构，其特征在于，所述过渡层（321）和/或所述应力调制层（322）为未掺杂层或者N型掺杂层。

10.根据权利要求1所述的LED结构，其特征在于，所述LED结构还包括第一电极（5）和第二电极（6），所述第一电极（5）与所述第一半导体层（2）电连接，所述第二电极（6）和所述第二半导体层（4）电连接。