CN119486400A - 一种发光二极管及发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管及发光装置，本发明的发光二极管中第二半导体层为P型掺杂层；其中所述第二半导体层至少包括依次叠置的P型过渡层、P型空间层及P型限制层，所述P型过渡层位于所述P型空间层和所述有源层之间，所述P型空间层位于所述P型过渡层及所述P型限制层之间，所述P型空间层和所述P型限制层的形成材料包括AlxGa(1‑x)P材料，其中0≤x≤1。AlGaP材料的禁带宽度范围为2.26eV～2.48eV，并且AlP的禁带宽度大于AlInP，本申请通过将P型空间层和P型限制层设置为AlGaP材料体系，能够极大提高P型半导体层的导带与多量子阱发光层的带阶，大幅度降低电子溢流，阻挡电子在P型半导体层内部进行非辐射复合，提高LED的内量子效率和HC性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体地，涉及一种发光二极管及发光装置。
背景技术
发光二极管(LED)具有高对比度、高亮度、低能耗、响应时间短、可靠性高和寿命长等优点，使得LED在诸多领域得到了广泛的应用，例如高清显示、照明、可见光通讯和生物医学等。
AlGaInP基LED采用与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP四元材料，其禁带宽度范围可以从1.91到2.275eV之间调节，可制备红、橙、黄、黄绿光谱LED。由于金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的突破和持续发展，AlGaInP基LED成为当下红色到黄绿色光谱范围内发光效率最高的固态发光器件。传统AlGaInP基LED的P型空间层采用与GaAs衬底匹配的AlGaInP材料，P型限制层采用AlInP材料。通过调节各个三族元素组分的原子浓度占比，进而调节导带和价带的高低，通过优化能带的带阶最大限度地限制电子溢流，让电子与空穴在多量子阱发光区尽量充分复合。
与GaAs衬底晶格匹配的AlGaInP材料，其禁带宽度范围为1.91到2.275eV，最大的导带带阶为0.2eV，由于材料的限制，AlGaInP基LED中有很大一部分电子会越过P型空间层的导带势垒造成电子溢流，使得非辐射复合占比提高，造成自发热严重、内量子效率降低。此外，在高温下处于高能态的电子数增多，溢流加剧，AlGaInP材料较小的能带带阶也导致LED亮度在高温和低温下的比值(Hot/Cold ratio，HC)与GaN基LED相比低很多。
发明内容
鉴于现有技术中AlGaInP基二极管存在的缺陷及不足，本发明的目的在于提供一种发光二极管及发光装置。本申请通过对半导体外延材料进行选择及控制，提高P型空间层和P型限制层的导带，从而较大幅度地提高多量子阱发光层与P型层之间的导带带阶，减少高能态电子的溢流程度，提升电子和空穴在多量子阱发光区进行辐射复合的比例，实现内量子效率和HC性能的提升，提高发光二极管的发光效果。
为实现上述目的及其它相关目的，本发明一方面提供了一种发光二极管，其至少包括半导体叠层，所述半导体叠层包括自下而上依次堆叠的第一半导体层、有源层及第二半导体层，所述第二半导体层为P型掺杂层；所述第二半导体层至少包括依次叠置的P型过渡层、P型空间层及P型限制层，所述P型过渡层位于所述P型空间层和所述有源层之间，所述P型空间层位于所述P型过渡层及所述P型限制层之间，所述P型空间层的形成材料包括AlxGa(1-x)P材料，其中0≤x≤1。
本发明的第二方面提供一种发光装置，其包括基板以及位于所述基板上的多个发光单元，所述发光单元包括本申请所述的发光二极管。
如上所述，本发明提供的发光二极管及发光装置，至少具备如下有益技术效果：
本发明的发光二极管中第二半导体层为P型掺杂层；其中所述第二半导体层至少包括依次叠置的P型过渡层、P型空间层及P型限制层，所述P型过渡层位于所述P型空间层和所述有源层之间，所述P型空间层位于所述P型过渡层及所述P型限制层之间，所述P型空间层和所述P型限制层的形成材料包括AlxGa(1-x)P材料，其中0≤x≤1。AlGaP材料的禁带宽度范围为2.26eV～2.48eV，并且AlP的禁带宽度大于AlInP，本申请通过将P型空间层和P型限制层设置为AlGaP材料体系，能够极大提高P型半导体层的导带与多量子阱发光层的带阶，大幅度降低电子溢流，阻挡电子在P型半导体层内部进行非辐射复合，提高LED的内量子效率和HC性能。
P型限制层进一步地可以采用AlP材料，能够减少对光的吸收，有助于光出射到外部空间，从而提高发光二极管的光萃取效率。同时P型限制层和P型窗口层之间无需生长过渡层，极大提高了P侧外延的长晶质量。另外，对第二半导体层的上述各层的厚度设计可以降低发光二极管的工作电压。
附图说明
图1显示为本申请实施例一提供的发光二极管的结构示意图。
图2显示为图1中发光二极管的半导体外延叠层的结构示意图。
图3和图4显示为本申请的发光二极管与现有技术中的发光二极管的导带能级的对照图。
图5显示为本申请一可选实施例中倒装结构的发光二极管的结构示意图。
图6显示为本申请另一可选实施例中Micro LED的结构示意图。
图7显示本申请实施例二提供的发光装置的结构示意图。
附图标记
110、基板；120、半导体叠层；121、第一半导体层；1211、N型欧姆接触层；1212、N型窗口层；1213、N型限制层；1214、N型空间层；122、有源层；123、第二半导体层；1231、P型过渡层；1232、P型空间层；1233、P型限制层；1234、P型窗口层；1235、P型欧姆接触层；130、键合层；141、第一电极；142、第二电极；150、电流扩散层；160、绝缘保护层；161、第一通孔；162、第二通孔。
200、发光装置；201、电路基板，202、发光单元；203、线路层；204、壳体；205、焊盘。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种发光二极管，如图1所示，本实施例的发光二极管至少包括半导体叠层120，该半导体叠层120至少包括自上而下依次叠置的第一半导体层121、有源层122和第二半导体层123。该半导体外延叠层可以是GaN、AlGaN、AlInP、AlGaInP、AlGaP等任意可以在电压作用下发光的材料。可选实施例中，发光二极管还包括基板110，半导体外延叠层位于基板110上方。基板110可以是Si、Ge等半导体基板110，也可以是Cu等金属基板110。
参照图1，上述半导体叠层120中的第一半导体层121可包括n型杂质(例如，Si、Ge、Sn)，第二半导体层123可包括p型杂质(例如，Mg、C、Zn)。可以理解的是，第一半导体层121和第二半导体层123的掺杂物也可与上述内容相反。有源层122可包括多量子阱结构(MQW)，可以通过调节三五族化合物半导体的组成比，使有源层122出射期望的波长。
本实施例中，如图2所示，在逐渐远离有源层122的方向(即图2中自下而上的方向)上，半导体叠层120中的第二半导体层123至少包括依次叠置的P型过渡层1231、P型空间层1232及P型限制层1233，其中P型过渡层1231紧邻有源层122，P型过渡层1231的形成材料包括AlGaInP材料。进一步地，P型过渡层1231的形成材料为(AlaGa(1-a))bIncP渐变材料层，其中0≤a≤1，0＜b＜1，0＜c＜1；更进一步地，其中0.1≤a≤1，0.5≤b≤0.9，0.1≤c≤0.5，并且沿逐渐远离有源层122的方向上，a的取值逐渐减小，b的取值逐渐增大，c的取值逐渐减小。即，沿逐渐远离所述有源层122的方向上P型过渡层1231材料由(Al0.9Ga0.1)0.5In0.5P渐变到(Al0.1Ga0.9)0.9In0.1P。另外，为了减少对光的吸收，上述P型过渡层1231的厚度设置为介于之间，进一步地，介于
可选实施例中，上述P型空间层1232和P型限制层1233的形成材料包括AlxGa(1-x)P材料，其中0≤x≤1。进一步地，在逐渐远离有源层122的方向上，上述P型空间层1232中，AlxGa(1-x)P材料中x的取值逐渐增大，进一步地，x的取值从0逐渐增大到1，即，在逐渐远离所述有源层122的方向上，P型空间层1232的形成材料可以由GaP材料渐变至AlP材料。如上所述，沿逐渐远离所述有源层122的方向上P型过渡层1231材料由(Al0.9Ga0.1)0.5In0.5P渐变到(Al0.1Ga0.9)0.9In0.1P，即在与P型空间层1232紧邻的一侧，P型过渡层1231材料渐变为(Al0.1Ga0.9)0.9In0.1P材料，而与P型过渡层1231紧邻的P型空间层1232的形成材料为GaP，该GaP材料与(Al0.1Ga0.9)0.9In0.1P材料组分相近且晶格匹配度较高，避免因晶格过度失配造成较多的晶格缺陷，有利于形成晶体质量较好的外延结构。另外，同样出于吸光现象的考虑，上述P型空间层1232的厚度设置为介于更进一步地，介于
可选实施例中，P型限制层1233的形成材料包括AlP材料，如上所述，在逐渐远离所述有源层122的方向上，P型空间层1232的形成材料可以由GaP材料渐变至AlP材料，即，在紧邻上述P型限制层1233的一侧，P型空间层1232的形成材料基本为AlP材料，与P型限制层1233的形成材料基本相同，因此二者之间的能带可以实现平滑过渡。另外，AlGaP材料的禁带宽度范围为2.26eV～2.48eV，AlP的禁带宽度大于AlInP，如图3和图4所示，通过将P型空间层1232和P型限制层1233设置为AlGaP材料体系，优选地，将将P型空间层1232设置为AlxGa(1-x)P渐变材料层，将P型限制层1233设置为AlP材料层，能够极大提高P型层导带与多量子阱发光层的带阶，大幅度降低电子溢流，阻挡电子在P型层内部发生非辐射复合，提高LED的内量子效率和HC性能。
在第二半导体层123中，上述P型限制层1233为主要的P型掺杂层，由于P型杂存在扩散效应，因此在P型空间层1232和P型过渡层1231中也会存在一定浓度的P型杂质，P型空间层1232和P型过渡层1231因此形成为非故意掺杂层。P型限制层1233中的掺杂元素可以是Mg元素或者C元素或者Zn元素等P型杂质。本实施例中，P型限制层1233中P型杂质的掺杂浓度介于1.0E+16atom/cm3～1.0E+19atom/cm3，P型限制层1233的厚度为0.1μm～10μm，进一步地，介于2μm～8μm，该掺杂浓度以及厚度的设置保证P型限制层1233具有足够高和宽的导带势垒，有效限制大电流和高温下电子的溢流。
同样参照图2，第二半导体层123还包括形成在P型限制层1233上方的P型窗口层1234及P型欧姆接触层1235，其中上述P型窗口层1234的形成材料选择GaP材料，该GaP材料与上述P型限制层1233的形成材料AlP材料的晶格常数相近，二者之间的晶格匹配度较好，因此二者之间无需形成过渡材料层，保证了P型窗口层的长晶质量，有利于减少缺陷和吸光。P型欧姆接触层1235同样采用GaP材料，有利于增强与后续形成的导电材料的欧姆接触，增强电流的扩展能力，提高发光二极管的电学性能。
再次参照图2，上述有源层122可选地为多量子阱层，其包括交替生长的AlGaInP量子阱层和A1GaInP量子垒层，A1GaInP量子阱层和A1GaInP量子垒层中A1的含量不同。其中，多量子阱层可以包括交替层叠的1至200个周期的AlGaInP量子阱层和A1GaInP量子垒层。作为示例，多量子阱层22包括交替层叠的5个周期的A1GaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层。
在逐渐远离有源层122的方向(即，图2中自上而下的方向)上，半导体叠层120中的第一半导体叠层120包括依次叠置的N型空间层1214、N型限制层1213、N型窗口层1212及N型欧姆接触层1211。上述N型空间层1214、N型限制层1213及N型窗口层1212同样选择AlGaInP材料，例如N型空间层1214选择AlGaInP材料，N型限制层1213选择AlInP材料，N型窗口层1212选择AlGaInP材料。N型欧姆接触层1211选择GaAs材料。
可以理解的是，制作上述发光二极管时，首先在生长衬底上形成上述半导体外延叠层，然后通过键合等适合的转移工艺将半导体外延叠层转移至基板110上。在生长半导体外延叠层时，生长衬底的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓或者氮化镓等。衬底的材料选择可以根据其上形成的半导体叠层120的类型进行选择，以半导体外延叠层和衬底的晶格能够较好地匹配为选择原则。例如，当半导体外延叠层为AlGaInP材料时，衬底选择与AlGaInP材料晶格匹配的GaAs衬底；当半导体外延叠层为GaN材料时，衬底选择与GaN材料晶格匹配的蓝宝石衬底等。本申请以半导体外延叠层为AlGaInP材料，衬底为GaAs衬底为例。为了增加生长衬底与上述AlGaInP半导体叠层120的晶格匹配度，提高长晶质量，首先在生长衬底上方形成GaAs缓冲层，以减少衬底上方形成的半导体叠层120的晶格位错，提高半导体叠层120的质量。另外，为了后续转移半导体外延叠层去除生长衬底时不破坏或者损伤半导体外延叠层，在上述缓冲层上方还可以形成有截止层，然后在截止层上方依次生长上述第一半导体层121、有源层122及第二半导体层123。之后在转移半导体外延叠层，例如通过溶液腐蚀方法去除生长衬底时，截止层作为腐蚀的停止层，保护半导体外延叠层不受腐蚀容易的破坏，保证半导体叠层120的晶体质量。
再次参照图1，本实施例的发光二极管的基板110与半导体还包括键合层130，该键合层130可选地为金属层，可选实施例中，键合层130和半导体外延叠层之间还可以形成金属反射层，该金属反射层将半导体外延叠层辐射的光反射至第一半导体层121一侧出射。为了进一步提高发光二极管的出光效果，在可选实施例中，作为出光面N型半导体层的表面还可以形成为粗糙表面。
同样如图1所示，可选地，上述发光二极管形成为垂直结构，其还包括电极结构，该电极结构包括第一电极141和第二电极142，第一电极141形成在第一半导体层121上方，第二电极142形成在基板110下方，经基板110和金属反射层与第二半导体层123电连接。
在本实施例的可选实施例中，上述发光二极管还可以形成为倒装结构。如图5所示，该倒装发光二极管同样包括基板110，以及形成在基板110上方的半导体叠层120。该基板110为透明基板，例如蓝宝石衬底，其透光性好，有利于发光二极管在基板110侧出光。该半导体叠层120至少包括自下而上依次叠置的第一半导体层121、有源层122和第二半导体层123。电极结构140形成在第二半导体层123的上方，具体地，形成在第二半导体层123的上方的绝缘保护层160上方。电极结构140包括与第一半导体层121电连接的第一电极141以及与第二半导体层123电连接的第二电极142，第一电极141和第二电极142分别经贯穿绝缘保护层160的第一通孔161以及第二通孔162与第一半导体层121和第二半导体层123电连接。为了增加第二半导体层123一侧的电流扩散性，在第二半导体层123上方还形成有电流扩散层150，该电流扩散层150可以是透明导电层，例如ITO、IZO等。上述绝缘保护层160形成反射结构，例如有SiO2/TiO2交替堆叠的DBR结构，以将有源层122辐射的光反射至基板110侧出射，提高发光二极管的出光效果。
在本实施例的可选实施例中，上述发光二极管还可以为Micro LED。如图6所示，该Micro LED同样包括半导体叠层120，该半导体叠层120至少包括自下而上依次叠置的第一半导体层121、有源层122和第二半导体层123。电极结构140同样形成在第二半导体层123的上方，具体地，形成在第二半导体层123的上方的绝缘保护层160上方。第一半导体层121远离有源层122的一侧为Micro LED的出光面，进一步地，为了增加Micro LED的出光效果，第一半导体层121的出光面形成为粗化结构。电极结构140包括与第一半导体层121电连接的第一电极141以及与第二半导体层123电连接的第二电极142，第一电极141和第二电极142分别经贯穿绝缘保护层160的第一通孔161以及第二通孔162与第一半导体层121和第二半导体层123电连接。同样如图6所示，为了增加第二半导体层123一侧的电流扩散性，在第二半导体层123上方还形成有电流扩散层150，该电流扩散层150可以是透明导电层，例如ITO、IZO等。上述绝缘保护层160形成反射结构，例如有SiO2/TiO2交替堆叠的DBR结构，以将有源层122辐射的光反射至基板110侧出射，提高发光二极管的出光效果。
实施例二
本实施例提供一种发光装置200，如图7所示，该发光装置200包括电路基板201以及电性连接至电路基板201的若干发光单元202，在本实施例中，该发光单元202为实施例一提供的半导体发光元件。同样如图7所示，电路基板201具有若干组焊盘205。每一个发光单元202的电极结构电性连接至一组焊盘205。另外，电路基板201中设置有线路层203，发光单元202经焊盘205与线路层203电连接。如图7所示，发光装置200还可以包括壳体204，以保护发光单元202不受外界污染或者损伤，同时不影响发光单元202的出光效果。本申请的发光二极管的布线层以及焊垫区的上述设置，使得其固定至上述焊盘205的结合力增加，提高了装置的可靠性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (15)
1.一种发光二极管，至少包括半导体叠层，所述半导体叠层包括依次堆叠的第一半导体层、有源层及第二半导体层，所述第二半导体层为P型掺杂层；其特征在于，
所述第二半导体层至少包括依次叠置的P型过渡层、P型空间层及P型限制层，所述P型过渡层位于所述P型空间层和所述有源层之间，所述P型空间层位于所述P型过渡层及所述P型限制层之间，所述P型空间层和所述P型限制层的形成材料包括AlxGa(1-x)P材料，其中0≤x≤1。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型空间层的厚度介于
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，在逐渐远离所述有源层的方向上，所述P型空间层的形成材料AlxGa(1-x)P材料中，x的取值逐渐增大。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，在逐渐远离所述有源层的方向上，所述P型空间层的形成材料由GaP材料渐变至AlP材料。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型限制层的形成材料包括AlP材料。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型限制层的掺杂浓度为1.0E+16atom/cm3～1.0E+19atom/cm3。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型限制层的厚度为0.1μm～10μm。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型过渡层的形成材料包括AlGaInP材料。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述P型过渡层的厚度介于
10.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述P型过渡层的形成材料为(AlaGa(1-a))bIncP渐变材料层，其中0≤a≤1，0＜b＜1，0＜c＜1。
11.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，所述P型过渡层的形成材料为(AlaGa(1-a))bIncP渐变材料层，其中0.1≤a≤1，0.5≤b≤0.9，0.1≤c≤0.5。
12.根据权利要求11所述的发光二极管，其特征在于，沿逐渐远离所述有源层的方向上，a的取值逐渐减小，b的取值逐渐增大，c的取值逐渐减小。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层还包括形成在所述P型限制层上方的P型窗口层以及位于所述P型窗口层上方的P型欧姆接触层。
14.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层为N型掺杂层，在逐渐远离所述有源层的方向上，所述第一半导体层至少包括依次叠置的N型空间层、N型限制层、N型窗口层及N型欧姆接触层。
15.一种发光装置，其特征在于，包括基板以及位于所述基板上的多个发光单元，所述发光单元包括权利要求1～14中任一项所述的发光二极管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411547300.1A CN119486400A (zh) | 2024-10-31 | 2024-10-31 | 一种发光二极管及发光装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202411547300.1A CN119486400A (zh) | 2024-10-31 | 2024-10-31 | 一种发光二极管及发光装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN119486400A true CN119486400A (zh) | 2025-02-18 |
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ID=94574273
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202411547300.1A Pending CN119486400A (zh) | 2024-10-31 | 2024-10-31 | 一种发光二极管及发光装置 |
Country Status (1)
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2024
- 2024-10-31 CN CN202411547300.1A patent/CN119486400A/zh active Pending
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