一种氮化镓发光二极管的外延结构.pdf

本发明为一种氮化镓发光二极管的外延结构，在多个周期的量子阱结构中间插入缓冲插入层；N＝4～10个周期的下量子阱结构之上为M＝1～5个周期的缓冲插入层，其上为n＝1～8个周期的上量子阱结构。N≥(N+n)/2。缓冲插入层每个周期包括P型氮化镓搀杂层、P型氮化铟镓搀杂层和N型氮化镓搀杂层各一个。P型氮化镓搀杂层和P型氮化铟镓搀杂层中搀杂元素为镁、N型氮化镓搀杂层中搀杂元素为硅。缓冲插入层总厚度为35～675nm。本发明缓冲插入层防止电子越过有源区进入P型掺杂区与空穴复合，提高发光效率，当电流密度增加至250mA以上，发光效率持续增加，可达55％；发光二极管发光均匀性得到改善；易于推广应用。

权利要求书1.  一种氮化镓发光二极管的外延结构，包括衬底(1)，以及依次生长在衬底(1)上的氮化镓二维晶体层(2)、非掺杂的氮化镓层(3)、N型氮化镓搀杂层(4)、多个周期的量子阱结构及P型氮化镓搀杂层(8)，所述量子阱结构每个周期包括一个氮化镓垒层和一个氮化铟镓阱层，其特征在于:在所述多个周期的量子阱结构中间插入缓冲插入层(6)；N个周期的下量子阱结构(5)之上为M个周期的缓冲插入层(6)，缓冲插入层之上为n个周期的上量子阱结构(7)；N为4～10的整数，n为1～8的整数，N≥(N+n)/2，M为1～5的整数。2.  根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述缓冲插入层(6)每个周期包括一个P型氮化镓搀杂层(61)、一个P型氮化铟镓搀杂层(62)和一个N型氮化镓搀杂层(63)。3.  根据权利要求2所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述缓冲插入层(6)的一个P型氮化镓搀杂层(61)，厚度为10～50nm，搀杂浓度为(5～50)×1017/cm3；所述缓冲插入层(6)的一个P型氮化铟镓搀杂层(62)，厚度为5～15nm,搀杂浓度为(5～50)×1018/cm3；所述缓冲插入层(6)的一个N型氮化镓搀杂层(63)，厚度为20～70nm,搀杂浓度为(1～10)×1018/cm3。4.  根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述缓冲插入层(6)的P型氮化镓搀杂层(61)和P型氮化铟镓搀杂层(62)中的搀杂元素为镁。5.  根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述缓冲插入层(6)的N型氮化镓搀杂层(63)中的搀杂元素为硅。6.  根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述1～5个周期的缓冲插入层(6)总厚度为35～675nm。7.  根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述N为5～10的整数，n为1～4的整数。8.  根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述缓冲插入层(6)中各个周期的P型氮化镓搀杂层(61)相同，各个周期的P型氮化铟镓搀杂层(62)相同，各个周期的N型氮化镓搀杂层(63)相同。9.  根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管的外延结构，其特征在于：所述下量子阱结构(5)和上量子阱结构(7)的一个氮化镓垒层厚度为10～12nm，一个氮化铟镓阱层厚度为2～3nm。

说明书一种氮化镓发光二极管的外延结构
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体为一种氮化镓发光二极管的外延结构。
背景技术
LED，即半导体发光二极管，具有发光效率高，寿命长，尺寸小，颜色丰富等特点，现已广泛应用。氮化镓发光二极管是其中的典型代表，包括外延结构和设于外延结构上的电极。现有的氮化镓发光二极管的外延结构包括衬底、以及依次生长在衬底上的N型层、多个量子阱层及P型层，
半导体发光二极管是利用外延结构中电子和空穴在夹于N型掺杂区和P型掺杂区之间的有源区内进行辐射复合来发光的。一般电子的迁移速率是空穴的10倍以上。电子与空穴的迁移速率的差异，导致电子大量越过有源区进入P型掺杂区与空穴复合，影响发光效率。
不少外延结构的设计在有源区之前增加电流扩展的缓冲层来缓解电子空穴迁移速率的差异问题，但不能彻底解决。尤其是大功率的LED芯片，由于电流密度增加，发光效率明显下降，此问题急待解决。
发明内容
本发明的目的是设计一种氮化镓发光二极管的外延结构，在多个量子阱层之间增加缓冲插入层，电流密度从20mA增加至350mA时，发光效率持续增加，不会因为电流密度的增大而减小。
本发明设计的一种氮化镓发光二极管的外延结构，包括衬底、以及依次生长在衬底上的氮化镓二维晶体层、非掺杂的氮化镓层、N型氮化镓搀杂层、多个周期的量子阱结构及P型氮化镓搀杂层，所述量子阱结构每个周期包括一个氮化镓垒层和一个非掺杂的氮化铟镓阱层，在所述多个周期的量子阱结构中间插入缓冲插入层；N个周期的下量子阱结构之上为M个周期的缓冲插 入层，缓冲插入层之上为n个周期的上量子阱结构。N为4～10的整数，n为1～8的整数，N≥(N+n)/2，M为1～5的整数。
所述缓冲插入层每个周期包括一个P型氮化镓搀杂层、一个P型氮化铟镓搀杂层和一个N型氮化镓搀杂层。
所述N为5～10的整数，n为1～4的整数。
所述缓冲插入层一个P型氮化镓搀杂层，厚度为10～50nm，搀杂浓度为(5～50)×1017/cm3；
所述缓冲插入层一个P型氮化铟镓搀杂层，厚度为5～15nm,搀杂浓度为(5～50)×1018/cm3；
所述缓冲插入层一个N型氮化镓搀杂层，厚度为20～70nm,搀杂浓度为(1～10)×1018/cm3。
所述缓冲插入层的P型氮化镓搀杂层和P型氮化铟镓搀杂层的搀杂元素为镁Mg。所述缓冲插入层的N型氮化镓搀杂层中的搀杂元素为硅Si。
所述1～5个周期的缓冲插入层总厚度为35～675nm。
所述缓冲插入层中各个周期的P型氮化镓搀杂层相同，各个周期的P型氮化铟镓搀杂层相同，各个周期的N型氮化镓搀杂层相同。
所述下量子阱结构和上量子阱结构的一个氮化镓垒层厚度为10～12nm，一个氮化铟镓阱层厚度为2～3nm。
与现有技术相比，本发明一种氮化镓发光二极管的外延结构的优点为：1、量子阱结构分为下量子阱结构和上量子阱结构，之间插入缓冲插入层，防止电子越过有源区进入P型掺杂区与空穴复合，大大提高了发光效率，以无缓冲插入层、但其它层的结构相同的外延结构制作的发光二极管为对比例，在相同电压条件下，当电流密度从20mA增加至350mA过程中，本发明外延结构制作的发光二极管发光效率持续增加，在电流密度达350mA，发光效率仍无衰减；2、多个周期多层结构的缓冲插入层厚度均匀，对电子的阻挡作用平均，故发光二极管发光均匀性得到改善；3、用现有半导体薄膜生长设备即可实现本外延结构的制备，易于推广应用。
附图说明
图1为本氮化镓发光二极管的外延结构实施例1剖视示意图；
图2为图1中的缓冲插入层剖视示意图；
图3为图1中的下量子阱剖视示意图；
图4为本氮化镓发光二极管的外延结构实施例1及对比例外延结构制作成350μm×350μm的发光二极管芯片，工作电压为3.12V，当电流密度为20mA增至350mA时，发光效率的变化曲线。
具体实施方式
实施例1
本氮化镓发光二极管的外延结构实施例1如图1所示，包括蓝宝石衬底1、氮化镓二维晶体层2、非掺杂的氮化镓层3、N型氮化镓搀杂层4、5个周期的下量子阱结构5、2个周期的缓冲插入层6、4个周期的上量子阱结构7及P型氮化镓搀杂层8。
本例的下量子阱结构5如图2所示，为5个周期，每个周期包括一个氮化镓垒层51和一个氮化铟镓阱层52。上量子阱结构7每个周期与下量子阱结构5的每个周期相同。
本例的缓冲插入层6如图3所示，为2个周期，每个周期的缓冲插入层包括一个P型氮化镓搀杂层61、一个P型氮化铟镓搀杂层62和一个N型氮化镓搀杂层63。2个周期对应的层厚度和搀杂情况相同。
本例缓冲插入层6的一个周期中，P型氮化镓搀杂层61，厚度为10nm，搀入镁Mg，搀杂浓度为5×1017/cm3；P型氮化铟镓搀杂层62，厚度为5nm,搀入镁Mg，搀杂浓度为5×1018/cm3；N型氮化镓搀杂层63，厚度为20nm,搀入硅Si，搀杂浓度为1×1018/cm3。
本例缓冲插入层6的另一个周期中，P型氮化镓搀杂层61，厚度为20nm，搀入镁Mg，搀杂浓度为10×1017/cm3；P型氮化铟镓搀杂层62，厚度为10nm,搀入镁Mg，搀杂浓度为10×1018/cm3；N型氮化镓搀杂层63，厚度为40nm,搀入硅Si，搀杂浓度为10×1018/cm3。
本例2个周期的缓冲插入层6总厚度为105nm。
实施例2
为了便于比较，本例的衬底1、氮化镓二维晶体层2、非掺杂的氮化镓层3、N型氮化镓搀杂层4及P型氮化镓搀杂层8与实施例1相同。
本例的下量子阱结构5为4个周期，每个周期包括一个氮化镓垒层51和一个氮化铟镓阱层52，上量子阱结构7为1个周期，与下量子阱结构的一个周期相同。
本例的缓冲插入层6为1个周期，包括一个P型氮化镓搀杂层61、一个P型氮化铟镓搀杂层62和一个N型氮化镓搀杂层63。
其中P型氮化镓搀杂层61，厚度为50nm，搀入镁Mg，搀杂浓度为50×1017/cm3；
本例缓冲插入层6的一个P型氮化铟镓搀杂层62，厚度为15nm,搀入镁Mg，搀杂浓度为50×1018/cm3；
本例缓冲插入层6的一个N型氮化镓搀杂层63，厚度为70nm,搀入硅Si，搀杂浓度为10×1018/cm3。
本例1个周期的缓冲插入层6总厚度为135nm。
实施例3
本例的衬底1、氮化镓二维晶体层2、非掺杂的氮化镓层3、N型氮化镓搀杂层4及P型氮化镓搀杂层8与实施例1相同。
本例的下量子阱结构5为10个周期，每个周期包括一个氮化镓垒层51和一个氮化铟镓阱层52，上量子阱结构7为8个周期，每个周期与下量子阱结构5的一个周期相同。
本例的缓冲插入层6为3个周期，每个周期包括一个P型氮化镓搀杂层61、一个P型氮化铟镓搀杂层62和一个N型氮化镓搀杂层63。缓冲插入层6的各周期均相同。
其中P型氮化镓搀杂层61，厚度为30nm，搀入镁Mg，搀杂浓度为30×1017/cm3；
本例缓冲插入层6的一个P型氮化铟镓搀杂层62，厚度为7nm,搀入镁Mg，搀杂浓度为10×1018/cm3；
本例缓冲插入层6的一个N型氮化镓搀杂层63，厚度为35nm,搀入硅 Si，搀杂浓度为5×1018/cm3。
本例3个周期的缓冲插入层6总厚度为226nm。
实施例4
本例的衬底1、氮化镓二维晶体层2、非掺杂的氮化镓层3、N型氮化镓搀杂层4及P型氮化镓搀杂层8与实施例1相同。
本例的下量子阱结构5为8个周期，每个周期包括一个氮化镓垒层51和一个氮化铟镓阱层52，上量子阱结构7为3个周期，每个周期与下量子阱结构5的一个周期相同。
本例的缓冲插入层6为5个周期，每个周期包括一个P型氮化镓搀杂层61、一个P型氮化铟镓搀杂层62和一个N型氮化镓搀杂层63。
其中P型氮化镓搀杂层61，厚度为45nm，搀入镁Mg，搀杂浓度为20×1017/cm3；
本例缓冲插入层6的一个P型氮化铟镓搀杂层62，厚度为10nm,搀入镁Mg，搀杂浓度为8×1018/cm3；
本例缓冲插入层6的一个N型氮化镓搀杂层63，厚度为50nm,搀入硅Si，搀杂浓度为9×1018/cm3。
本例5个周期的缓冲插入层总厚度为525nm。
对比例
本氮化镓发光二极管的外延结构对比例衬底1、氮化镓二维晶体层2、非掺杂的氮化镓层3、N型氮化镓搀杂层4及P型氮化镓搀杂层8与实施例1相同。有9个周期的量子阱结构，且每一个周期的量子阱结构与实施例1的下量子阱结构5或上量子阱结构7的一个周期相同。但是对比例没有缓冲插入层。
为了比较本发明实施例的效果，上述实施例1至4和对比例制作成350μm×350μm的发光二极管芯片，工作电压为3.12V，通入电流密度由20mA逐渐增加至350mA，其发光效率的变化曲线如图4所示，图4的横坐标为电流密度，单位为mA，纵坐标为发光效率， 单位为％，图中实施例1所得曲线用◆的连线表示，对比例所得曲线用■连线表示。由图4可见，本发明实施例1在电流密度由20mA增至350mA的过程中，发光效率持续提高，电流密度达350mA时发光效率超过55％。而没有缓冲插入层的对比例在电流密度达到250mA时发光效率最高为42％，电流密度继续增加时，发光效率降低，电流密度达350mA时，其发光效率降至38％，显著低于本发明实施例1。实施例2至4所得外延结构的使用情况与实施例1相似。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。