CN218827204U - 一种氮化镓基发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种氮化镓基发光二极管，涉及半导体光电技术领域，包括蓝宝石衬底，硅发光二极管还包括：依次层叠于蓝宝石衬底之上的缓冲层、N型半导体层、发光层、电子阻挡层、P型GaN层及接触层；其中，N型半导体层为由若干个N型GaN层和若干个***的AGaN层组合的交替层，N型GaN层与AGaN层按预设周期交叠设置。本实用新型能够解决现有技术中衬底与外延层晶格失配较大，降低了氮化镓基发光二极管的发光效率及光电性能的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体光电技术领域，具体涉及一种氮化镓基发光二极管。
背景技术
随着半导体技术的发展，发光二极管(LED)由于其节能环保、寿命长等有点，越来越受到人们的重视，发光二极管是一种电致发光的光电器件，发光二极管由两种不同极性的半导体材料组成，分别是P型半导体与N型半导体。P型半导体为空穴型半导体，即空穴浓度大于电子浓度的杂质半导体。在P型半导体中，主要靠空穴导电，空穴主要由杂质原子提供，掺入的杂质越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强，同理，N型半导体为电子型半导体，即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。
目前比较常见的发光二极管为氮化镓(GaN)基发光二极管，氮化镓(GaN)基发光二极管具有高密度、能耗低、寿命长、响应时间短、无辐射等优点，广泛的应用于照明及显示等领域。氮化镓(GaN)材料在高温高频电子器件、大屏幕显示等更是具有特殊优势，但是高质量氮化镓(GaN)外延薄膜制备的困难限制了它的发展和应用，由于衬底与外延层采用异质材料，两者的晶格失配相差较大，会在外延层及衬底的界面出现穿透位错及较大应力，穿透位错及应力导致界面的弯曲将会向上延伸穿透整个外延层结构，当它延伸到发光层的多量子阱层时，会导致发光层中的多量子阱晶体质量下降，非辐射性复合增加，从而降低了氮化镓(GaN)基发光二极管的发光效率，造成光电性能下降。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种氮化镓基发光二极管及其制备方法，旨在解决现有技术中衬底与外延层晶格失配较大，降低了氮化镓基发光二极管的发光效率及光电性能的技术问题。
本发明的一方面在于提供一种氮化镓基发光二极管，包括蓝宝石衬底,所述氮化镓基发光二极管还包括：
依次层叠于所述蓝宝石衬底之上的缓冲层、N型半导体层、发光层、电子阻挡层、P型GaN层及接触层；
其中，所述N型半导体层为由若干个N型GaN层和若干个***的AGaN层组合的交替层，所述N型GaN层与所述AGaN层按预设周期交叠设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过本实用新型提供的氮化镓基发光二极管，N型半导体层为由若干个N型GaN层和若干个***的AGaN层组合的交替层，N型GaN层与AGaN层按预设周期交叠设置，AGaN层的***能降低蓝宝石衬底和N型半导体层之间的晶格失配，从而提高了发光层晶体质量，减少了非辐射性复合，增强了辐射性复合，由于N型半导体层为提供电子给发光层，AGaN层的***将会增加电子扩展能力降低了芯片局部结温，提高了芯片发光亮度分布的均匀性，从而提高氮化镓基发光二极管发光效率和光电性能，从而解决了衬底与外延层晶格失配较大，降低了氮化镓基发光二极管的发光效率及光电性能的技术问题。
进一步地，所述AGaN层的A包括Si、Al、In中的一种或两种以上任意组合。
进一步地，所述N型GaN层设于所述缓冲层上，所述N型半导体层中各周期的所述AGaN层的厚度随周期变化。
进一步地，所述AGaN层从靠近所述缓冲层的一层到远离所述缓冲层的一层，其厚度随周期均匀递减。
进一步地，所述N型GaN层的厚度为25-100nm，所述AGaN层的厚度为5-20nm，在第一周期中，N型GaN层的厚度为所述AGaN层的厚度的5-10倍。
进一步地，所述预设周期为10-100。
进一步地，所述发光层为多量子阱结构，包括多周期的InGaN量子阱层与AlGaN量子垒层，其中，InGaN量子阱层厚度为3-3.5nm，AlGaN量子垒层厚度为9-12nm。
进一步地，所述缓冲层为低温GaN薄膜层，所述缓冲层的厚度为20-50nm。
进一步地，所述电子阻挡层为AlInGaN薄膜层，所述电子阻挡层的厚度为30-50nm。
进一步地，所述接触层为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度为1-6nm。
附图说明
本实用新型的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：
图1为本实用新型实施例中氮化镓基发光二极管的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中缓冲层的结构示意图；
附图元器件符号说明：
蓝宝石衬底100、缓冲层200、N型半导体层300、N型GaN层301、AGAN层302、发光层400、电子阻挡层500、P型GaN层600、接触层700。
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-图2，所示为本实用新型实施例提供的一种氮化镓基发光二极管，该氮化镓基发光二极管包括蓝宝石衬底100，其中，衬底为外延层生长的基板，是决定发光二极管颜色、亮度及寿命等性能指标的主要因素，在本实施例中，衬底为蓝宝石衬底100，蓝宝石是发光二极管使用最广泛的衬底材料，在蓝宝石衬底100上高温外延生长外延层时，蓝宝石衬底100化学性质稳定不易发生化学反应，可见光不易吸收，同时蓝宝石衬底100生产工艺成熟，生产的蓝宝石衬底100质量较好。通常需要对蓝宝石衬底100进行表面预处理，以去除吸附在蓝宝石衬底100表面的杂质，例如水和氧，为后续外延层的生长做准备。
具体为，将蓝宝石衬底100放置于金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)反应室中，将温度设置为1000-1150℃之间，通入氢气(H2)、氨气(NH3)，在蓝宝石衬底100上反应4-9min。其中，金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition)，简称MOCVD,是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延生长。
其中，在预处理后的蓝宝石衬底100上依次层叠有缓冲层200、N型半导体层300、发光层400、电子阻挡层500、P型GaN层600及接触层700，其中，缓冲层200用于缓解后续外延层与蓝宝石衬底100之间的晶格失配，缓冲层200为低温GaN薄膜层，GaN材料具有较宽的直接带隙、化学稳定性好(几乎不被任何酸腐蚀)及较强的抗辐照能力，在发光二极管的应用方面有着广阔的前景，低温生长低温GaN薄膜层，以利于外延成长出晶体质量更优异的后续外延层。具体为，将温度调节至800-850℃之间，生长压力调节至100-200Torr之间，在预处理后的蓝宝石衬底100上外延生长低温GaN薄膜层，低温GaN薄膜层的厚度为20-50nm。
另外，在缓冲层200上设有N型半导体层300，该N型半导体层300提供电子给发光层400，实现电子与空穴在发光层400中辐射复合，以达到发光二极管发光。其中，N型半导体层300为由若干个N型GaN层301和若干个***的AGaN层302组合的交替层，N型GaN层301与AGaN层302按预设周期交叠设置，该N型GaN层301设于缓冲层200上，预设周期为10-100。
进一步地，AGaN层302的A包括Si、Al、In中的一种或两种以上任意组合，其中，Si的掺杂浓度在10E16-10E17cm-3之间，In和Al组分均为0.01～0.03，N型半导体层300中各周期的AGaN层302的厚度随周期变化，AGaN层302从靠近缓冲层200的一层到远离缓冲层200的一层，其厚度随周期均匀递减，N型GaN层301的厚度为25-100nm，AGaN层302的厚度为5-20nm，在第一周期中，N型GaN层301的厚度为AGaN层302的厚度的5-10倍；AGaN层302的***能降低蓝宝石衬底100和N型半导体层300之间的晶格失配，从而提高了发光层400晶体质量，减少了非辐射性复合，增强了辐射性复合，由于N型半导体层300为提供电子给发光层400，AGaN层302的***将会增加电子扩展能力降低了芯片局部结温，提高了芯片发光亮度分布的均匀性，从而提高氮化镓基发光二极管发光效率和光电性能。
具体地，将温度加热至1000-1150℃之间，压力调节至100-300Torr之间，在缓冲层200上外延生长N型GaN层301，其中N型GaN层301的掺杂剂为硅烷(SiH4)；生长完N型GaN层301之后，将温度调节至1050-1350℃之间，压力调节至100-600Torr之间，在N型GaN层301上外延生长AGaN层302，其中，调节沉积时间控制AGaN层302的厚度；重复以上过程以得到周期性的N型GaN层301和AGaN层302组合的交替层。
另外，N型半导体层300上设有发光层400，发光层400接受N型半导体提供的电子，以及P型半导体层提供的空穴，在发光层400的多量子阱中实现电子与空穴的辐射复合发光。多量子阱层(MQW)包括6-15个周期InGaN量子阱层与AlGaN量子垒层，其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3-3.5nm，外延生长温度为800-900℃之间；而单个AlGaN量子垒层的厚度为9-12nm，外延生长温度为850-900℃之间，生长压力在200-250Torr之间，Al组分占比在0.05-0.2之间。
进一步地，发光层400上设有电子阻挡层500，其用于阻挡N型半导体层300的电子迁移至P型GaN层600中，将电子阻挡至发光层400内，增强发光层400中电子与空穴的辐射复合效率。该电子阻挡层500为AlInGaN薄膜层，由于电子迁移速率大于空穴迁移速率，AlInGaN电子阻挡层500将有效的阻挡N型半导体层300的电子迁移至P型GaN层600中，减少在P型GaN层600中的电子与空穴的非辐射复合，从而提高了发光层400多量子阱中的辐射复合，提高氮化镓基发光二极管的发光效率。具体地，将温度加热至900-1000℃之间，压力调节至100-200Torr之间，在发光层400上外延生长厚度为30-50nm的AlInGaN薄膜层。
自然而然，电子阻挡层500上设有P型GaN层600，P型GaN层600提供空穴给发光层400，实现电子与空穴在发光层400中辐射复合，以达到氮化镓基发光二极管发光。具体地，将温度调节至900-1000℃之间，压力调整至200-300Torr之间，在AlInGaN电子阻挡层500上外延生长厚度为15-30nm的P型GaN层600，其中，P型GaN层600的掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)。
另外，在P型GaN层600上设有接触层700，其用于与电极接合形成欧姆接触，有效地降低电压及提亮亮度，该接触层700是厚度为1-6nm的GaN层，其掺杂剂为镁(Mg)，生长温度为800-950℃之间。
需要说明的是，当氮化镓基发光二极管两端外加电场，N型半导体层300作为负极，P型GaN层600作为正极，N型半导体层300的电子向正极P型GaN层600方向移动，P型GaN层600的空穴向负极N型半导体层300方向迁移，两端迁移的电子与空穴在发光层400的多量子阱中汇合，即在发光层400多量子阱中发光电子-空穴辐射复合，从而实现氮化镓基发光二极管发光。
相比于现有技术，本实施例提供的氮化镓基发光二极管，有益效果在于：通过本实用新型提供的氮化镓基发光二极管，N型半导体层为由若干个N型GaN层和若干个***的AGaN层组合的交替层，N型GaN层与AGaN层按预设周期交叠设置，AGaN层的***能降低蓝宝石衬底和N型半导体层之间的晶格失配，从而提高了发光层晶体质量，减少了非辐射性复合，增强了辐射性复合，由于N型半导体层为提供电子给发光层，AGaN层的***将会增加电子扩展能力降低了芯片局部结温，提高了芯片发光亮度分布的均匀性，从而提高氮化镓基发光二极管发光效率和光电性能，从而解决了衬底与外延层晶格失配较大，降低了氮化镓基发光二极管的发光效率及光电性能的技术问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
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)
1.一种氮化镓基发光二极管，包括蓝宝石衬底，其特征在于，所述氮化镓基发光二极管还包括：
依次层叠于所述蓝宝石衬底之上的缓冲层、N型半导体层、发光层、电子阻挡层、P型GaN层及接触层；
其中，所述N型半导体层为由若干个N型GaN层和若干个***的AGaN层组合的交替层，所述N型GaN层与所述AGaN层按预设周期交叠设置。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述AGaN层的A包括Si、Al、In中的一种或两种以上任意组合。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述N型GaN层设于所述缓冲层上，所述N型半导体层中各周期的所述AGaN层的厚度随周期变化。
4.根据权利要求3所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述AGaN层从靠近所述缓冲层的一层到远离所述缓冲层的一层，其厚度随周期均匀递减。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述N型GaN层的厚度为25-100nm，所述AGaN层的厚度为5-20nm，在第一周期中，N型GaN层的厚度为所述AGaN层的厚度的5-10倍。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述预设周期为10-100。
7.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述发光层为多量子阱结构，包括多周期的InGaN量子阱层与AlGaN量子垒层，其中，InGaN量子阱层厚度为3-3.5nm，AlGaN量子垒层厚度为9-12nm。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述缓冲层为低温GaN薄膜层，所述缓冲层的厚度为20-50nm。
9.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层为AlInGaN薄膜层，所述电子阻挡层的厚度为30-50nm。
10.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述接触层为P型掺杂GaN薄膜层，其厚度为1-6nm。
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