CN102097555A

CN102097555A - 一种二极管外延结构

Info

Publication number: CN102097555A
Application number: CN 201110007391
Authority: CN
Inventors: 李鸿建; 靳彩霞; 董志江
Original assignee: Diyuan Photoelectric Science & Technology Co Ltd Wuhan
Current assignee: Diyuan Photoelectric Science & Technology Co Ltd Wuhan; Aqualite Co Ltd
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-06-15

Abstract

本发明涉及一种增大发光区面积，降低电流注入密度，降低发光二极管的工作电压，降低量子阱由于晶格失配和热失配导致的应力，提高外延层的晶体质量，提高发光二极管的发光效率与信赖性的二极管外延结构，包括依次设有的衬底层、过渡层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，所述多量子阱层中部分或全部的量子垒与量子阱交错接触，量子垒与量子阱的接触面为非平面接触面。

Description

一种二极管外延结构

技术领域

本发明涉及一种外延结构，尤其涉及一种二极管外延结构，属于二极管领域。

背景技术

近年来，Ⅲ族氮化物半导体材料（AlN、GaN和InN）由于其较宽的直接带隙、良好的热学和化学稳定性而在固态照明、固体激光器、光信息存储、紫外探测器等微电子及光电子器件方面具有显著的优势，并在近几年的研究和应用中取得了突破性的进展，特别是在能源供给和环境污染问题的背景下，半导体照明光源作为一种具有高效、节能、环保、长寿命、易维护等显著特性的器件，吸引了全世界的目光。

外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而量子阱又是外延层的最重要部分，其决定整个外延层的发光波长与发光效率。现在国际上普遍采用发光效率更高的多量子阱结构，其结构如图1所示，此种结构在生长过程中由于衬底和外延层的晶格失配和热失配导致LED 内部存在大量的非辐射缺陷，位错密度达10⁹cm^-2 - 10¹¹cm^-2，而由此产生的自发极化和压电效应导致强大的内建电场，降低了发光效率，且随着注入电流的增加以及器件使用温度的升高，波长会发生漂移，发光效率也会导致下降。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种结构简单、制作方便且能有效提高发光二极管的发光效率与信赖性的二极管外延结构。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种二极管外延结构，包括依次设有的衬底层、过渡层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，所述多量子阱层中部分或全部的量子垒与量子阱交错接触，所述的交错接触是指接触面为非平面接触面。

本发明的有益效果是：增大发光区面积，降低电流注入密度，降低发光二极管的工作电压，降低量子阱由于晶格失配和热失配导致的应力，提高外延层的晶体质量，提高发光二极管的发光效率与信赖性。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述多量子阱层包括i层交替接触的量子阱与量子垒，其中1≤i≤100，具体结构为量子阱/量子垒/……/量子阱/量子垒，或量子垒/量子阱……/量子垒/量子阱，或量子垒/量子阱/量子垒/……/量子阱/量子垒。

进一步，所述量子阱的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN（0＜x≤1，0≤y＜1），所述量子垒的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN（0＜a≤1，0≤b＜1）。

进一步，所述过渡层的组成为Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N（0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1＜1），所述u型氮化镓层为未掺杂Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N（0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2＜1）半导体层，所述n型氮化镓层为n型掺杂Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10²²/cm³，所述p型氮化镓层为p型掺杂Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）半导体层，掺杂元素为Be、Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。

附图说明

图1为传统外延结构示意图；

图2为本发明所述实施例1结构示意图；

图3为本发明所述实施例2结构示意图；

图4a为本发明所述实施例1的n型氮化镓层的表面圆锥孔剖面图或实施例2的量子垒的表面圆锥孔剖面图；

图4b为本发明所述实施例1的n型氮化镓层的表面外凹形孔剖面图或实施例2的量子垒的表面外凹形孔剖面图；

图4c为本发明所述实施例1的n型氮化镓层的表面梯形圆柱孔剖面图或实施例2的量子垒的表面梯形圆柱孔剖面图；

图4d为本发明所述实施例1的n型氮化镓层的表面圆柱孔剖面图或实施例2的量子垒的表面圆柱孔剖面图；

图5a为本发明所述实施例1的n型氮化镓层表面孔图形分布图1或实施例2的量子垒表面孔图形分布图1;

图5b为本发明所述实施例1的n型氮化镓层表面孔图形分布图2或实施例2的量子垒表面孔图形分布图2;

图5c为本发明所述实施例1的n型氮化镓层表面孔图形分布图3或实施例2的量子垒表面孔图形分布图3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为传统外延结构示意图，包括依次设有的衬底层1、过渡层2、u型氮化镓层3、n型氮化镓层4、多量子阱层5和p型氮化镓层6，此种结构在生长过程中由于衬底层1和外延层的晶格失配和热失配导致LED 内部存在大量的非辐射缺陷，位错密度达10⁹cm^-2 -10¹¹cm^-2。

如图2所示，为本发明实施例1所述的外延结构，包括依次设有的衬底层1、过渡层2、u型氮化镓层3、n型氮化镓层4、多量子阱层5和p型氮化镓层6，所述多量子阱层5中全部的量子垒51与量子阱52交错接触，量子垒51与量子阱52的接触面为非平面接触面，本实施例1所述的交错接触面的n型氮化镓层表面孔图形为图4所示的各种图形，所述多量子阱层5包括i层交替接触的量子阱52与量子垒51，其中1≤i≤100，本实施例所述的多量子阱层5结构为量子阱52/量子垒51/……/量子阱52/量子垒51，或量子垒51/量子阱52……/量子垒51/量子阱52，或量子垒51/量子阱52/量子垒51/……/量子阱52/量子垒51，所述量子阱52的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN（0＜x≤1，0≤y＜1），所述量子垒51的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN（0＜a≤1，0≤b＜1），所述过渡层的组成为Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N（0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1＜1），所述u型氮化镓层为未掺杂Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N（0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2＜1）半导体层，所述n型氮化镓层为n型掺杂Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10²²/cm³，所述p型氮化镓层为p型掺杂Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）半导体层，掺杂元素为Be、Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³，此结构可增加量子垒51与量子阱52的接触面积，增大发光区面积，降低电流密度；可降低量子垒51与量子阱52间的应力，减低缺陷密度，提高外延晶体质量；可在局域部分形成量子点，提高外延层的发光效率；可有效反射发光层入射的光，减少衬底、过渡层、u型层、n型层对光的吸收，提高正面出光效率，本专利结构可将LED电压降低0.1-0.5V，发光效率提高30%以上，器件的ESD与反向击穿电压也能得到较大地改善。

如图3所示，为本发明实施例2所述的外延结构，除多量子阱层5与本发明实施例1所述的外延结构不同外，其他部分相同，实施例2所述的外延结构，所述多量子阱层5中部分的量子垒51与量子阱52交错接触，量子垒51与量子阱52的接触面为非平面接触面，本实施例2所述的交错接触面的量子垒表面孔图形为图4所示的各种图形，所述多量子阱层5包括i层交替接触的量子阱52与量子垒51，其中1≤i≤100，本实施例所述的多量子阱层5结构为量子阱52/量子垒51/……/量子阱52/量子垒51，或量子垒51/量子阱52……/量子垒51/量子阱52，或量子垒51/量子阱52/量子垒51/……/量子阱52/量子垒51，所述量子阱52的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN（0＜x≤1，0≤y＜1），所述量子垒51的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN（0＜a≤1，0≤b＜1）。

如图4a、4b、4c和4d所示，为本发明实施例1的n型氮化镓层和实施例2的量子垒刻蚀位置剖面形貌图，图4a、4b、4c和4d分别为圆锥孔剖面、外凹形孔剖面、梯形圆柱孔剖面和圆柱孔剖面。

如图5a、5b、5c所示，为本发明实施例1的n型氮化镓层和实施例2的量子垒表面刻蚀孔分布图1、2、3，其形状并不限于圆形或椭圆，并且可以如图5a、5b所示规则分布，也可如图5c所示不规则分布。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种二极管外延结构，包括依次设有的衬底层、过渡层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层和p型氮化镓层，其特征在于，所述多量子阱层中部分或全部的量子垒与量子阱交错接触，量子垒与量子阱的接触面为非平面接触面。

2.根据权利要求1所述的外延结构，其特征在于，所述多量子阱层包括i层交替接触的量子阱与量子垒，其中1≤i≤100。

3.根据权利要求2所述的外延结构，其特征在于，所述量子阱的组成为Al_yIn_xGa_1-x-yN（0＜x≤1，0≤y＜1），所述量子垒的组成为Al_aIn_bGa_1-a-bN（0＜a≤1，0≤b＜1）。

4.根据权利要求1至3任一项所述的外延结构，其特征在于，所述过渡层的组成为Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N（0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤x1+y1＜1），所述u型氮化镓层为未掺杂Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N（0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2＜1）半导体层，所述n型氮化镓层为n型掺杂Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁷/cm³～5×10²²/cm³，所述p型氮化镓层为p型掺杂Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）半导体层，掺杂元素为Be、Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。