一種多量子阱結構及其發光二極體的製作方法

2023-05-15 05:50:36 1

本發明屬於半導體技術領域，尤其涉及一種多量子阱結構及其發光二極體。

背景技術：

隨著led行業日趨完善，目前市場針對led白光照明產品高電流密度以及高亮度器件的設計開發愈發激烈。同時，為增加市場競爭力需求，針對維持產品性能尤其亮度水平前提下，逐步縮小尺寸的程度亦愈發強烈，這進一步提高了外延層結構設計針對高電流密度耐受性的需求，尤其需要克服droop效應的影響。

目前，為提升外延壘晶層針對高電流下的耐受性，緩解和克服droop效應的影響，多數外延結構設計採取在有源層後進行優化電子阻擋層的設計，例如al組份漸變的algan單層，或者超晶格結構的電子阻擋層，如algan/gansls、aln/gansls、以及aln/algansls，但這些外延壘晶層結構的設計，無法改變有源層內部的能帶扭曲，在改善電子溢流的同時，也增加蓋層厚度，導致光效的損失。同時，較厚且含al組份較高的電子阻擋層的存在，會進一步擴大v-pits的開口直徑，導致上層需要更厚的p型gan蓋層來填平led外延壘晶層，以避免esd及ir性能的損失。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明首先提出一種多量子阱結構，包括應力釋放層、電子收集層和發光層，所述發光層包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其特徵在於：其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構。

優選的，所述發光層的最後一勢壘層為gan/alx1n/gan結構，其中，0.05≤x1≤0.20。

優選的，所述發光層包括第一發光層和第二發光層，所述第一發光層勢壘的禁帶寬度大於所述第二發光層勢壘的禁帶寬度。

優選的，所述電子收集層與所述發光層之間還設置有禁帶寬度低於所述勢阱層的電子溝壑層。

優選的，所述電子收集層包括若干個交替層疊的gan壘層和ingan阱層，以及gan/algan/gan最後一個勢壘層。

優選的，所述發光層中最後一個勢壘層為未摻雜結構層，其餘勢壘層為n型摻雜或者p型摻雜結構層。

優選的，所述gan/alx1n/gan最後一個勢壘層的厚度為140å~190å，其中alx1n層的厚度為20å~30å，0.05≤x1≤0.20。

優選的，所述第一發光層的勢壘層為gan/alx2iny2ga(1-x2-y2)n/gan結構，第二發光層的勢壘層為gan結構，0＜x2≤1，0≤y2＜1。

優選的，所述第一發光層的勢壘層為gan/alx2ga(1-x2)n/gan結構，其中，0.02≤x2≤0.06。

優選的，所述電子溝壑層為inn層。

本發明還提出了一種發光二極體，至少包括一襯底，及依次位於所述襯底上的緩衝層、n型層、多量子阱結構層、p型層和p型接觸層，其特徵在於：所述多量子阱結構層的結構為權利要求1~9所述的任意一種結構，其至少包括應力釋放層、電子收集層和發光層，所述發光層包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構。

優選的，於所述多量子阱結構層與所述p型層之間插入一電子阻擋層。

優選的，所述電子阻擋層為alm1inn1ga(1-m1-n1)n單層結構或者alm1inn1ga(1-m1-n1)n/alm2inn2ga(1-m2-n2)n超晶格結構，0≤m1≤1，0≤n1≤1，0≤m2≤1，0≤n2≤1，m1與m2、n1與n2不同時為零或者1。

優選的，所述電子阻擋層的厚度為200å~300å。

本發明至少具有以下有益效果：

1）於電子收集層最後一個壘層設置成gan/algan/gan結構，可以起到阻擋電子遷移的速率，防止大電流密度下電子較多和較快溢流帶來的內量子效應和droop效應；

2）位於電子收集層與發光層之間的inn電子溝壑層具有較低的能級，進一步起到富集電子以及緩衝電子遷移速率的作用；同時也起到緩解電子收集層最後一個壘層與發光層之間的晶格差異，改善晶體質量；

3）第一發光層的勢壘層為gan/alx2ga(1-x2)n/gan結構，多組低al組份的勢壘層首先可以改善大電子溢流現象，有效提升內量子效率；同時因多量子阱結構真正起到複合發光的為第二發光層，將第一發光層的勢壘層設置為gan/alx2ga(1-x2)n/gan結構，首先可明顯起到充當內置電子阻擋層的效果，同時採取壘層中間段物理位置插入algan結合兩端gan的複合結構，可明顯改善因整段algan結構帶來的電壓偏高現象；

4）發光層的最後一個勢壘層設置為gan/alx1n/gan結構，可以捕獲最終穿越整段多量子阱結構的溢流電子，其次可以改善多量子阱結構內分段生長時界面處的晶格質量，對於整個發光二極體結構來說，在很大程度上阻擋了p型層生長時導致的p型摻雜反滲透進發光層的現象。

附圖說明

圖1為本發明實施例1之多量子阱結構示意圖。

圖2為本發明實施例1之發光二極體結構示意圖。

圖3為本發明實施例2之多量子阱結構示意圖。

圖4為本發明實施例2之發光二極體結構示意圖。

圖5為本發明實施例3之多量子阱結構示意圖。

圖6為本發明實施例3之發光二極體結構示意圖。

附圖標註：100：多量子阱結構；110：應力釋放層；120：電子收集層；130：發光層；131：第一發光層；132：第二發光層；140：電子溝壑層；200：襯底；300：緩衝層；400：n型層；500：電子阻擋層；600：p型層；700：p型接觸層。

具體實施方式

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。

實施例1

參看附圖1，一種多量子阱結構100，包括應力釋放層110、電子收集層120和發光層130，發光層130包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構，勢阱層為ingan結構。本實施例中優選發光層130的最後一個勢壘層為gan/alx1n/gan結構，其中，0.05≤x1≤0.20，進一步為0.1≤x1≤0.15，其厚度為140å~190å，而alx1n層的厚度為20å~30å。

電子收集層120包括若干個交替層疊的gan壘層和ingan阱層，其周期數為3~6，為減緩電子的遷移速率，於電子收集層120最後一個gan壘層中插入algan層，形成gan/algan/gan結構的最後勢壘層，algan層的插入不僅改善大電流密度下電子溢流現象導致的內量子阱效率低及droop效應，其次，由於電子收集層120周期數的減少，改善了現有結構中電子收集層120周期數較多帶來的長晶質量較差的問題。

參看附圖2，本實施例還提供一種發光二極體結構，其至少包括一襯底200，及依次位於所述襯底200上的緩衝層300、n型層400、多量子阱結構100層、p型層600和p型接觸層700，其中，多量子阱結構100層至少包括應力釋放層110、電子收集層120和發光層130，發光層130包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構。

具體地，發光層130最後一個勢壘層為gan/alx1n/gan結構，其中，0.05≤x1≤0.20，進一步為0.1≤x1≤0.15，其厚度為140å~190å，而alx1n層的厚度為20å~30å，其餘發光層130的勢壘層為gan結構；最後一個勢壘層上還設置有電子阻擋層500，在本實施例中電子阻擋層500為alm1inn1ga(1-m1-n1)n單層結構或者alm1inn1ga(1-m1-n1)n/alm2inn2ga(1-m2-n2)n超晶格結構，0≤m1≤1，0≤n1≤1，0≤m2≤1，0≤n2≤1，m1與m2、n1與n2不同時為零或者1。電子收集層120包括交替層疊的gan壘層和ingan阱層，其周期數為3~6，為減緩電子的遷移速率，於電子收集層120最後一個gan壘層中插入algan層。本實施例中的電子收集層120與發光層130的最後一個勢壘層均由高能級的含鋁氮化物層構成，相對現有結構中的gan勢壘層，含鋁氮化物的勢壘層其能級較高，其與電子阻擋層500相互配合，對電子起到了分散阻擋的阻擋作用，而且相對於現有結構中的電子阻擋層500，本發明中的電子阻擋層500的厚度較薄為200å~300å，有效改善了因電子阻擋層500厚度較厚引起的遮光，提升發光二極體的亮度。

同時，將gan/alx1n/gan結構的最後一個勢壘層設置於電子阻擋層500與發光層130之間，首先可以捕獲最終穿越整段多量子阱結構100的溢流電子，其次可以改善多量子阱結構100內分段生長時應力釋放層110與電子收集層120界面處以及電子收集層120與發光層130界面處的晶格質量，對於整個發光二極體結構來說，在很大程度上阻擋了p型層600生長時導致的p型摻雜反滲透進發光層130的現象。

實施例2

參看附圖3，該多量子阱結構100包括應力釋放層110、電子收集層120和發光層130，發光層130包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構，勢阱層為ingan結構。發光層130包括第一發光層131和第二發光層132，第一發光層131勢壘的禁帶寬度大於第二發光層132勢壘的禁帶寬度。具體地，第一發光層131的勢壘層為gan/alx2iny2ga(1-x2-y2)n/gan結構，第二發光層132的勢壘層為gan結構，0＜x2≤1，0≤y2＜1，更進一步地，第一發光層131的勢壘層為gan/alx2ga(1-x2)n/gan結構，其中，0.02≤x2≤0.06。第一發光層131的周期數為4~8，第二發光層132的周期數為5~10。

將第一發光層131中的勢壘層設置為多組低al組份，首先可以減緩大電流密度下電子溢流現象，大大增加電子空穴在發光層130有效複合輻射的機率，增加發光物理面積，有效提升內量子阱效率。其次，以gan/alx2iny2ga(1-x2-y2)n/gan結構作為勢壘層，可以適當糾正ingan量子阱層生長時產生的晶格缺陷。

參看附圖4，該發光二極體至少包括：一襯底200，以及依次位於襯底200上的緩衝層300、n型層400、多量子阱結構100層、電子阻擋層500、p型層600和p型接觸層700，多量子阱結構100層包括應力釋放層110、電子收集層120和發光層130，發光層130包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構。

具體地，發光層130包括第一發光層131和第二發光層132，且第一發光層131的禁帶寬度大於第二發光層132的禁帶寬度，具體地，第一發光層131的勢壘層為gan/alx2iny2ga(1-x2-y2)n/gan結構，第二發光層132的勢壘層為gan結構，0＜x2≤1，0≤y2＜1，更進一步地，第一發光層131的勢壘層為gan/alx2ga(1-x2)n/gan結構，其中，0.02≤x2≤0.06。第一發光層131的周期數為3~5，第二發光層132的周期數為2~10。

電子阻擋層500為alm1inn1ga(1-m1-n1)n/alm2inn2ga(1-m2-n2)n超晶格結構，0.05≤m1≤0.20，0≤n1≤0.10，0.05≤m2≤0.20，0≤n2≤0.10，其厚度為250å~300å。

實施例3

參看附圖5，該多量子阱結構100層包括應力釋放層110、電子收集層120、電子溝壑層140和發光層130，發光層130包括若干個交替生長的勢壘層和勢阱層，其中至少一個勢壘層為gan/alxinyga(1-x-y)n/gan結構，0＜x≤1，0≤y＜1，其餘勢壘層為gan結構，勢阱層為ingan結構。發光層130包括第一發光層131和第二發光層132，第一發光層131勢壘的禁帶寬度大於第二發光層132勢壘的禁帶寬度。具體地，第一發光層131的勢壘層為gan/alx2iny2ga(1-x2-y2)n/gan結構，勢阱層為ingan結構；第二發光層132的最後一個勢壘層為最後一個勢壘層為gan/alx1n/gan結構，其中，0.1≤x1≤0.15，其厚度為80å~120å，而alx1n層的厚度為20å~30å，其餘第二發光層132的勢壘層為gan結構，勢阱層均為ingan結構。優選的，第一發光層131的勢壘層為gan/alx2ga(1-x2)n/gan結構，其中，0.02≤x2≤0.06，第一發光層131的周期數為3~5，第二發光層132的周期數為3~5。

電子收集層120包括交替層疊的gan壘層和ingan阱層，其周期數為3~6，且電子收集層120最後一個gan壘層中插入有algan層，形成gan/algan/gan最後勢壘層，因此電子收集層120包括交替層疊的gan壘層和ingan層，以及位於交替層疊的gan壘層和ingan層之上的gan/algan/gan最後一個勢壘層。

於電子收集層120和發光層130之間插入一禁帶寬度低於ingan勢阱層的電子溝壑層140，優先的電子溝壑層140為inn結構，其起到進一步富集電子以及緩衝電子遷移速率的作用。同時也起到緩解電子收集層120最後一個壘層與發光層130之間的晶格差異，改善晶體質量。

參看附圖6，該發光二極體至少包括：一襯底200，以及依次位於襯底200上的緩衝層300、n型層400、多量子阱結構100層、電子阻擋層500、p型層600和p型接觸層700，多量子阱結構100層包括應力釋放層110、電子收集層120和發光層130。其中，多量子阱結構100層包括應力釋放層110、電子收集層120和發光層130。

其中，電子收集層120包括交替層疊的gan壘層和ingan層，以及位於交替層疊的gan壘層和ingan層之上的gan/algan/gan最後一個勢壘層。

發光層130包括第一發光層131和第二發光層132，其中第一發光層131包括交替層疊gan/alx2ga(1-x2)n/gan勢壘層與ingan勢阱層，其周期數為3~5。第二發光層132包括交替層的gan勢壘層和ingan勢阱層，以及位於交替層的gan勢壘層和ingan勢阱層至少的gan/alx1n/gan結構的最後一個勢壘層。

同時，該發光二極體還包括位於電子收集層120於發光層130之間的用於進一步存儲在的電子溝壑層140，其為inn結構。電子阻擋層500為alm1inn1ga(1-m1-n1)n單層結構，0.05≤m1≤0.20，0≤n1≤0.10，其厚度為220å~280å。

本發明通過在多量子阱結構100的各層中設置禁帶寬度高於gan的勢壘層，相當於把現有結構中的電子阻擋層500分散於多量子阱結構100層中，對電子起到分散阻擋的作用，增強電子阻擋效果，改善大電流密度下電子溢流現象及由此引起的droop效應，在一定程度上提升發光二極體的晶格質量。

同時，由於多量子阱結構100層中高禁帶寬度的勢壘層的設置，極大地減薄了電子阻擋層500的厚度，有效改善了電子阻擋層500較厚對光的遮蓋現象，提升了發光二極體的出光效率。

應當理解的是，上述具體實施方案為本發明的優選實施例，本發明的範圍不限於該實施例，凡依本發明所做的任何變更，皆屬本發明的保護範圍之內。