具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管及其制法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，特別涉及一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管，屬于氮化鎵半導(dǎo)體器件設(shè)計與外延生長領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在氮化鎵基發(fā)光二極管中，由于空穴有效質(zhì)量大，導(dǎo)致載流子在多量子阱中分布不均勻。通常多量子阱的發(fā)光主要來源于靠近P型層的1-2個量子阱中。當(dāng)注入電流密度較高時，發(fā)光二極管會出現(xiàn)效率下降的問題。C面上生長的發(fā)光二極管量子阱內(nèi)還存在一個極化勢場，使得導(dǎo)帶和價帶在阱內(nèi)發(fā)生傾斜，電子和空穴在空間上分離，降低阱內(nèi)輻射復(fù)合的效率。
[0003]具體言之，當(dāng)注入電流密度較高時，由于空穴主要分布在靠近P型層的1-2個阱中，那么這些阱中的載流子密度會隨著注入電流密度的增加而增加。俄歇復(fù)合的速率與載流子密度的3次方成正比，那么高的載流子密度會導(dǎo)致俄歇復(fù)合迅速增加，這樣發(fā)光效率會隨著注入電流密度的增加而下降。同時，電子泄露也會加劇發(fā)光效率的下降。
[0004]請參閱圖1所示即為傳統(tǒng)的銦鎵氮/氮化鎵多量子阱導(dǎo)帶示意圖，阱層101使用銦鎵氮，壘層102使用氮化鎵。在這種結(jié)構(gòu)中，由于壘對空穴的阻擋限制作用，空穴通常主要只分布在靠近P型的1-2個量子阱中。電子阻擋層103與多量子阱結(jié)果的帶階差小，對電子泄露的阻擋作用有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其通過多量子阱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減小極化效應(yīng)，降低空穴遷移的勢壘，使電子和空穴更均勻地分布在多個量子阱中，減少電子的泄露，從而抑制大電流密度注入下復(fù)合效率的下降，解決發(fā)光二極管中效率下降的問題。
[0006]為實現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括依次層疊的N型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)層和P型氮化鎵層，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層包含交替層疊的復(fù)數(shù)銦鎵氮阱層和復(fù)數(shù)銦鎵氮壘層，并且在所述多量子阱結(jié)構(gòu)層中，沿著由P型氮化鎵層指向N型氮化鎵層的方向，各銦鎵氮壘層中銦的摩爾含量逐漸遞減。
[0007]進一步的，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層包含數(shù)對量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一對量子阱結(jié)構(gòu)包含沿著由P型氮化鎵層指向N型氮化鎵層的方向依次層疊設(shè)置的一銦鎵氮壘層和一銦鎵氮阱層。
[0008]進一步的，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層與所述P型氮化鎵層之間還設(shè)有電子阻擋層。
[0009]作為較為優(yōu)選的實施方案之一，所述具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管包括沿設(shè)定方向依次設(shè)置的低溫氮化鎵層、非摻雜氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)層、鋁鎵氮電子阻擋層、P型氮化鎵層和P型氮化鎵接觸層。
[0010]進一步的，所述具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管還包括襯底。
[0011]進一步的，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層中，各銦鎵氮壘層中銦的摩爾含量遞減的形式包括線性的遞減、拋物線型的遞減、臺階式的遞減或其它形式的遞減。
[0012]進一步的，所述的傾斜量子壘結(jié)構(gòu)還包括其衍生結(jié)構(gòu)，例如靠近N型氮化鎵層的部分量子壘使用氮化鎵，而靠近P型氮化鎵的部分量子壘使用傾斜的結(jié)構(gòu)。
[0013]一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制備方法，包括:在襯底上依次生長形成N型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)層和P型氮化鎵層，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層包含交替層疊的復(fù)數(shù)銦鎵氮阱層和復(fù)數(shù)銦鎵氮壘層，
其中，在生長形成多量子阱結(jié)構(gòu)層的過程中，還通過調(diào)節(jié)外延生長參數(shù)，使所述多量子阱結(jié)構(gòu)層中各銦鎵氮壘層內(nèi)銦的摩爾含量沿著由P型氮化鎵層指向N型氮化鎵層的方向逐漸遞減。
[0014]進一步的，所述外延生長參數(shù)包括壘層的生長溫度、鎵源流量、銦源流量、反應(yīng)室壓力等能夠調(diào)節(jié)銦摩爾含量的生長參數(shù)。
[0015]進一步的，所述銦源可選自但不限于三甲基銦(TMIn)。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括:利用傾斜的多量子阱結(jié)構(gòu)減少極化效應(yīng)，降低空穴遷移的勢壘，使電子和空穴更均勻地分布在多個量子阱中，減少電子的泄露，從而抑制大電流密度注入下復(fù)合效率的下降，解決發(fā)光二極管中效率下降的問題。
【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0018]圖1為傳統(tǒng)銦鎵氮/氮化鎵多量子阱能帶示意圖；
圖2為本發(fā)明中一種典型的具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中一種典型的傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的多量子阱能帶示意圖，量子壘中銦的摩爾含量變化形式為臺階式；
圖4為本發(fā)明中一種典型的傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的多量子阱能帶示意圖，量子壘中銦的摩爾含量變化形式為線性變化；
圖5為本發(fā)明一典型實施方案之中利用M0CVD生長傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的溫度及TMIn流量控制示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。這些優(yōu)選實施方式的示例在附圖中進行了例示。附圖中所示和根據(jù)附圖描述的本發(fā)明的實施方式僅僅是示例性的，并且本發(fā)明并不限于這些實施方式。
[0020]在此，還需要說明的是，為了避免因不必要的細節(jié)而模糊了本發(fā)明，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關(guān)系不大的其他細節(jié)。
[0021]如前所述，鑒于現(xiàn)有氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管的缺陷，本案發(fā)明人經(jīng)長期研究和大量實踐，得以提出本發(fā)明的技術(shù)方案，其主要是通過使用漸變組份的銦鎵氮作為量子壘，將銦鎵氮多量子阱的能帶設(shè)計為傾斜的結(jié)構(gòu)，降低量子阱內(nèi)極化效應(yīng)產(chǎn)生的極化電場，增加電子空穴在量子阱中的復(fù)合效率，降低空穴遷移的勢壘，使電子和空穴更均勻地分布在多個量子阱中，減少電子的泄露，從而實現(xiàn)氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管在大電流密度下的高效發(fā)光，解決發(fā)光二極管中效率下降的問題。
[0022]具體的講，本發(fā)明的一個方面提供了一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管，包括依次層疊的N型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)層和P型氮化鎵層，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層包含交替層疊的復(fù)數(shù)銦鎵氮阱層和復(fù)數(shù)銦鎵氮壘層，并且在所述多量子阱結(jié)構(gòu)層中，沿著由P型氮化鎵層指向N型氮化鎵層的方向，各銦鎵氮壘層中銦的摩爾含量逐漸遞減。
[0023]進一步的，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層包含數(shù)對量子阱結(jié)構(gòu)，其中每一對量子阱結(jié)構(gòu)包含沿著由P型氮化鎵層指向N型氮化鎵層的方向依次層疊設(shè)置的一銦鎵氮壘層和一銦鎵氮阱層。
[0024]本發(fā)明的另一個方面提供了一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制備方法，包括:在襯底上依次生長形成N型氮化鎵層、多量子阱結(jié)構(gòu)層和P型氮化鎵層，所述多量子阱結(jié)構(gòu)層包含交替層疊的復(fù)數(shù)銦鎵氮阱層(以下簡稱“阱層”)和復(fù)數(shù)銦鎵氮壘層(以下簡稱“壘層”)；
并且，在生長形成多量子阱結(jié)構(gòu)層的過程中，還通過調(diào)節(jié)外延生長參數(shù)，使所述多量子阱結(jié)構(gòu)層中各銦鎵氮壘層內(nèi)銦的摩爾含量沿著由P型氮化鎵層指向N型氮化鎵層的方向逐漸遞減。
[0025]其中，在各各銦鎵氮壘層內(nèi)，銦組分含量的遞減具有多種不同的方式，包括線性的遞減、拋物線型的遞減、臺階式的遞減，及其它形式的遞減。
[0026]進一步的，所述的傾斜量子壘結(jié)構(gòu)還包括其衍生結(jié)構(gòu)，例如靠近N型氮化鎵層的部分量子壘使用氮化鎵，而靠近P型氮化鎵的部分量子壘使用傾斜的結(jié)構(gòu)。
[0027]進一步的，所述銦組分含量的遞減，可以通過外延技術(shù)手段來實現(xiàn)的，如阱內(nèi)生長溫度的調(diào)節(jié)，三甲基銦流量，流速及反應(yīng)室壓力的調(diào)節(jié)等，但不局限于某種特定的方法。
[0028]作為本發(fā)明的一典型實施方案，其中一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)從下向上依次為:一層低溫氮化鎵層、一層非摻雜氮化鎵層、一層N型氮化鎵層、數(shù)對銦鎵氮和氮化鎵組成的多量子阱結(jié)構(gòu)、一層鋁鎵氮電子阻擋層、一層P型氮化鎵層、一層P型氮化鎵接觸層；所述銦鎵氮組成的多量子阱結(jié)構(gòu)中，量子阱中銦的摩爾含量不變，量子壘中銦鎵氮的銦摩爾含量從靠近P型層的量子壘向靠近N型層的量子壘逐漸遞減。
[0029]參閱圖2-圖4，在一更具體的實施案例中，一種具有傾斜量子壘結(jié)構(gòu)的氮化鎵半導(dǎo)體發(fā)光二極管可基于藍寶石襯底201而形成，