氮化镓基发光二极管的制作方法

本发明属于半导体照明领域，具体涉及一种氮化镓基发光二极管。

背景技术：

氮化镓基发光二极管（Light Emitting Diodem，简称LED）由于其高效的发光效率，目前已经广泛的应用在背光、照明、车灯、装饰等各个光源领域。进一步提高LED的发光效率仍然是当前行业发展的重点，发光效率主要由两个因素决定，第一种是电子空穴在有源区的辐射复合效率，即内量子效率；第二种是光的萃取效率。关于提高这两种效率的技术已经有广泛的报道。在提高内量子效率方面，如量子阱能带设计、改善晶体质量、提高p型氮化物层之空穴注入效率等。

空穴注入一直是氮化镓基LED的瓶颈因素，一方面由于p型掺杂元素Mg在GaN中的激活能偏高，导致其激活效率低；另一方面由于空穴的有效质量偏大，导致其迁移率偏低。近年来LED结构利用量子阱区域的V型缺陷，大大提高了空穴的注入效率。但在非V型缺陷区域(C-plane)也有一定的空穴注入，而在此区域空穴的注入效率较差，因此如何改善C-plane之空穴注入也成为了讨论的课题。

再者，影响氮化镓基LED的发光效率为电子溢流状况，这在已报导文献中也广泛的讨论并提出解决方案。

技术实现要素：

本发明提供了一种氮化镓基发光二极管，在电子阻挡层之后加入一窄能隙的能带扭曲层，降低电子阻挡层对空穴之有效势垒高度，加强空穴从C-plane注入之效率，提高LED的发光效率。

发光二极管，依次包括：n型氮化物层、有源层、电子阻挡层、能带扭曲层和p型氮化物层，所述有源层表面上具有V型缺陷和连接所述V型缺陷的平面区，所述能带扭曲层为具有足够低的能隙的n型氮化物层，致使所述电子阻挡层之能带扭曲。

优选地，所述能带扭曲层的能隙Eg<3eV。

优选地，所述电子阻挡层及能带扭曲层形成于平面区并向所述V型缺陷侧壁区延伸，当注入电流时促使空穴从平面区及V型缺陷处注入有源层。

优选地，所述能带扭曲层为Al_x1In_(1-x1)N层，其中0<x1≤0. 4。

优选地，所述能带扭曲层为In_x2Ga_(1-x2)N层，其中0.07<x2。

优选地，所述能带扭曲层的厚度为0.5~5nm。

优选地，所述电子阻挡层与所述能带扭曲层的间距为0≤d≤5nm。

优选地，所述能带扭曲层具有n型掺杂，其掺杂浓度为5×10¹⁷~ 5×10¹⁸ cm^-3。

优选地，所述电子阻挡层的材料为Al_x3In_(1-x3)N，其中 0.8<x3≤1。

优选地，所述电子阻挡层Al_x3In_(1-x3)N在V型缺陷的侧壁处形成之厚度小于1nm。

本发明至少具备以下有益效果：

（一）在电子阻挡层与p型氮化物层之间插入窄能隙的能带扭曲层，操作在顺向偏压下，该窄能隙的能带扭曲层导致电子阻挡层之能带扭曲，对于电子而言，电子阻挡层导带之电子阻挡效果变得更好，避免电子溢流至P型区，对于空穴来说，电子阻挡层价带之等效能隙下降，藉由隧穿效应提高了空穴注入有源区之效率。

（二）采用Al_x3In_(1-x3)N作为电子阻挡层，操作在顺向偏压下，Al_xIn_(1-x)N的能隙较宽，在导带电子阻挡之效果较佳，避免电子溢流至P型区，提高辐射复合效率；操作在顺向偏压下，Al_x3In_(1-x3)N之V型缺陷侧壁对C面厚度比例较低，即此Al_x3In_(1-x3)N在相同C面厚度时具有较薄之V型缺陷侧壁厚度，所带来之优势为提高空穴由V型缺陷处注入MQW之能力，藉此提高辐射复合效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1为现有的一种发光二极管的结构剖视图。

图2为图1所示发光二极管的C面能带示意图。

图3为图1所示发光二极管的V型缺陷的侧面能带示意图。

图4为本发明实第一个较佳实施例之一种发光二极管的结构剖视图。

图5为图4所示发光二极管的C-plane能带示意图。

图6为图4所示发光二极管的V型缺陷的侧面能带示意图。

图7为本发明实第二个较佳实施例之一种发光二极管的结构剖视图。

图8为图7所示发光二极管的C面能带示意图。

图9为图7所示发光二极管的V型缺陷的侧面能带示意图。

图中标号表示如下：

100：生长衬底；

110：缓冲层；

120：n型氮化物层；

130：InGaN/GaN超晶格结构

140：有源层；

150：电子阻挡层；

160：p型氮化物层；

170：能隙扭曲层。

具体实施方式

下面结合示意图对本发明的发光二极管及其制作方法进行详细的描述，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

图1显示了一种传统结构的氮化镓基发光二极管，依次包括：生长衬底100，缓冲层110、n型氮化镓层120、InGaN/GaN超晶格结构130、多量子阱有源层140层、p型AlGaN电子阻挡层150和p型氮化镓层160，其中多量子阱有源层140具有一列系列V型缺陷及连接该V型缺陷的平面区（C-plane）。图2和图3分别显示了图1所示发光二极管的C面（C-plane）能带示意图和V型缺陷侧壁（V-pit sidewall）能带示意图，在该结构中，空穴主要通过V型缺陷注入有源层，而C面的空穴注入效率非常低下。

图4显示了本发明第一个较佳实施例之一种氮化镓基发光二极管，自下而上包括：生长衬底100，缓冲层110、n型氮化镓层120、InGaN/GaN超晶格结构130、多量子阱有源层140层、p型AlGaN电子阻挡层150、能带扭曲层170和p型氮化镓层160，其中多量子阱有源层140具有一列系列V型缺陷及连接该V型缺陷的平面区（C-plane），p型AlGaN电子阻挡层150及能带扭曲层170形成于平面区并向所述V型缺陷侧壁区延伸。

具体地，生长衬底100选取包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅，其表面结构可为平面结构或图案化图结构；缓冲层110可为单层结构或多层结构，其材料可选用AlN或GaN或其组合，其厚度可为20~50nm，较佳的可包括25-40nm厚的低温GaN成核层、0 .2~1μm的高温GaN缓冲层、1~2μm厚的三维非掺杂氮化镓层和1-2μm厚的二维氮化镓层；n型氮化镓层120的厚度1.5~4μm，n型掺杂浓度为1×10¹⁷~1×10¹⁹cm^-3；InGaN/GaN超晶格结构130为多量子阱有源层150的应力缓冲层，具有15-30个周期，每个周期内InGaN的厚度为1~3nm，GaN厚度为2~10nm；有源层140具有5-15个周期的InGaN/GaN多量子阱，每个周期内InGaN的厚度为2~4nm，GaN厚度为5~15nm；p型AlGaN电子阻挡层150 的厚度为10~50nm，其中的Al的摩尔组分含量为10%~30%，Mg的摩尔组分含量为0 .05%~0 .3%；能带扭曲层170的厚度范围0.5~5nm，n型掺杂浓度范围为5×10¹⁷~ 5×10¹⁸ cm^-3，该能带扭曲层170需具有足够低足够低的能隙，以使p型AlGaN电子阻挡层150的能带扭曲，较佳能隙Eg为3eV以下，材料可选用Al_x1In_(1-x1)N或In_x2Ga_(1-x2)N，当采用Al_x1In_(1-x1)N时，In组分较佳为60%以上，即0<x1≤0.4，当采用In_x2Ga_(1-x2)N，In组分较佳为7%以上，同时为获得较高质量的的InGaN，，即0.07<x2；p型氮化镓层160的厚度为30-60nm，其掺杂深度为掺杂浓度为1×10¹⁷~5×10¹⁸cm^-3。

在p型AlGaN电子阻挡层150与能带扭曲层170之间区域亦可含有其他半导体材料层，定义电子阻挡层150与能带扭曲层170的间距为d，其中以d=0为效果最佳，即电子阻挡层成长完接着马上生长能带扭曲层，两者距离越远其效果越差，当d>5nm时效果不佳，因此两者之间的间距d取值范围为0~5nm。

图5和6分别显示了图4所示发光二极管的C-plane能带图和V型缺陷侧壁能带图。从图中可看出，操作在顺向偏压下，因在p型AlGaN电子阻挡层150之后嵌入低带隙材料层（Eg<3EV），导致AlGaN之能带扭曲，对于电子而言，AlGaN导带之电子阻挡效果变得更好，避免电子溢流至P型区，对于空穴来说，AlGaN价带之等效能隙下降，藉由隧穿效应提高了空穴注入MQW之效率，也因此提高了LED辐射复合效率。

在本实施例之氮化镓基发光二极管中，藉由在电子阻挡层AlGaN之后嵌入诸如Al_x1In_(1-x1)N、In_x2Ga_(1-x2)N等n型窄能隙氮化物层，可提高空穴注入MQW之效率，另外电子阻挡的效果亦较佳，降低电子溢流，提高了LED辐射复合效率，与图1所示的发光光二极管结构相比，采用本实施例所述结构的LED芯片亮度可提升3-5%。

图7显示了本发明第二个较佳实施例之一种氮化镓基发光二极管。本实施例与图4所示的发光二极管的区别在于：电子阻挡层150采用Al_x3In_(1-x3)N取代原先的AlGaN，其中0.8<x3≤1，其在C面的厚度Wc2的范围1~20nm，在V型缺陷的侧壁处形成之厚度Ws2为1nm以下。

图8和9分别显示了图7所示发光二极管的C面能带和V型缺陷侧面能带。和图2对比，操作在顺向偏压下，Al_x3In_(1-x3)N能隙较宽，因此在导带电子阻挡之效果较佳，避免电子溢流至P型区，提高辐射复合效率；和图3对比，操作在顺向偏压下，Al_x3In_(1-x3)N之V型缺陷侧壁对C面厚度比例较低(Ws2/Wc2 < Ws1/Wc1)，即此结构Al_x3In_(1-x3)N在相同C面厚度时具有较薄之V型缺陷侧壁厚度，所带来之优势为提高空穴由V型缺陷处注入MQW之能力，藉此提高辐射复合效率。

在本实施例的发光二极管中，因V型缺陷处的势垒低，Al_x3In_(1-x3)N在V型缺陷侧壁较薄，可进一步提高空穴注入效果，且注入的空穴能在量子阱中横向迁移，消除了C面处空穴注入效率低下的影响；另外在C面区域因Al_x3In_(1-x3)N能隙较宽，电子阻挡的效果较佳，降低电子溢流，进一步提高了辐射复合效率。

尽管已经描述本发明的示例性实施例，但是理解的是，本发明不应限于这些示例性实施例而是本领域的技术人员能够在如下文的权利要求所要求的本发明的精神和范围内进行各种变化和修改。