技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
发光二极管，特别涉及一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管，属于氮化镓半导体器件设计与
外延生长领域。
背景技术
[0002] 在氮化镓基发光二极管中，由于空穴有效
质量大，导致载流子在多
量子阱中分布不均匀。通常多量子阱的发光主要来源于靠近 P型层的1-2个量子阱中。当注入
电流密度较高时，发光二极管会出现效率下降的问题。C面上生长的发光二极管量子阱内还存在一个极化势场，使得导带和
价带在阱内发生倾斜，
电子和空穴在空间上分离，降低阱内
辐射复合的效率。
[0003] 具体言之，当注入电流密度较高时，由于空穴主要分布在靠近P型层的1-2个阱中，那么这些阱中的载流子密度会随着注入电流密度的增加而增加。俄歇复合的速率与载流子密度的3次方成正比，那么高的载流子密度会导致俄歇复合迅速增加，这样
发光效率会随着注入电流密度的增加而下降。同时，电子泄露也会加剧发光效率的下降。
[0004] 请参阅图1所示即为传统的铟镓氮/氮化镓多量子阱导带示意图，阱层101使用铟镓氮，垒层102使用氮化镓。在这种结构中，由于垒对空穴的阻挡限制作用，空穴通常主要只分布在靠近P型的1-2个量子阱中。电子阻挡层103与多量子阱结果的带阶差小，对电子泄露的阻挡作用有限。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管，其通过多量子阱结构的优化，减小极化效应，降低空穴迁移的势垒，使电子和空穴更均匀地分布在多个量子阱中，减少电子的泄露，从而抑制大电流密度注入下复合效率的下降，解决发光二极管中效率下降的问题。
[0006] 为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管，包括依次层叠的N型氮化镓层、多量子阱结构层和P型氮化镓层，所述多量子阱结构层包含交替层叠的复数铟镓氮阱层和复数铟镓氮垒层，并且在所述多量子阱结构层中，沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向，各铟镓氮垒层中铟的摩尔含量逐渐递减。
[0008] 进一步的，所述多量子阱结构层包含数对量子阱结构，其中每一对量子阱结构包含沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向依次层叠设置的一铟镓氮垒层和一铟镓氮阱层。
[0009] 进一步的，所述多量子阱结构层与所述P型氮化镓层之间还设有电子阻挡层。
[0010] 作为较为优选的实施方案之一，所述具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管包括沿设定方向依次设置的低温氮化镓层、非掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱结构层、
铝镓氮电子阻挡层、P型氮化镓层和P型氮化镓
接触层。
[0011] 进一步的，所述具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管还包括衬底。
[0012] 进一步的，所述多量子阱结构层中，各铟镓氮垒层中铟的摩尔含量递减的形式包括线性的递减、抛物线型的递减、台阶式的递减或其它形式的递减。
[0013] 进一步的，所述的倾斜量子垒结构还包括其衍生结构，例如靠近N型氮化镓层的部分量子垒使用氮化镓，而靠近P型氮化镓的部分量子垒使用倾斜的结构。
[0014] 一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管的制备方法，包括：在衬底上依次生长形成N型氮化镓层、多量子阱结构层和P型氮化镓层，所述多量子阱结构层包含交替层叠的复数铟镓氮阱层和复数铟镓氮垒层，
[0015] 其中，在生长形成多量子阱结构层的过程中，还通过调节外延生长参数，使所述多量子阱结构层中各铟镓氮垒层内铟的摩尔含量沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向逐渐递减。
[0016] 进一步的，所述外延生长参数包括垒层的生长
温度、镓源流量、铟源流量、反应室压
力等能够调节铟摩尔含量的生长参数。
[0017] 进一步的，所述铟源可选自但不限于三甲基铟（TMIn）。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优点包括：利用倾斜的多量子阱结构减少极化效应，降低空穴迁移的势垒，使电子和空穴更均匀地分布在多个量子阱中，减少电子的泄露，从而抑制大电流密度注入下复合效率的下降，解决发光二极管中效率下降的问题。
附图说明
[0019] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1为传统铟镓氮/氮化镓多量子阱能带示意图；
[0021] 图2为本发明中一种典型的具有倾斜量子垒结构的氮化镓发光二极管的结构示意图；
[0022] 图3为本发明中一种典型的倾斜量子垒结构的多量子阱能带示意图，量子垒中铟的摩尔含量变化形式为台阶式；
[0023] 图4为本发明中一种典型的倾斜量子垒结构的多量子阱能带示意图，量子垒中铟的摩尔含量变化形式为线性变化；
[0024] 图5为本发明一典型实施方案之中利用MOCVD生长倾斜量子垒结构的温度及TMIn流量控制示意图。
具体实施方式
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
[0026] 在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0027] 如前所述，鉴于现有氮化镓半导体发光二极管的
缺陷，本案
发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是通过使用渐变组份的铟镓氮作为量子垒，将铟镓氮多量子阱的能带设计为倾斜的结构，降低量子阱内极化效应产生的极化
电场，增加电子空穴在量子阱中的复合效率，降低空穴迁移的势垒，使电子和空穴更均匀地分布在多个量子阱中，减少电子的泄露，从而实现氮化镓半导体发光二极管在大电流密度下的高效发光，解决发光二极管中效率下降的问题。
[0028] 具体的讲，本发明的一个方面提供了一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管，包括依次层叠的N型氮化镓层、多量子阱结构层和P型氮化镓层，所述多量子阱结构层包含交替层叠的复数铟镓氮阱层和复数铟镓氮垒层，并且在所述多量子阱结构层中，沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向，各铟镓氮垒层中铟的摩尔含量逐渐递减。
[0029] 进一步的，所述多量子阱结构层包含数对量子阱结构，其中每一对量子阱结构包含沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向依次层叠设置的一铟镓氮垒层和一铟镓氮阱层。
[0030] 本发明的另一个方面提供了一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管的制备方法，包括：在衬底上依次生长形成N型氮化镓层、多量子阱结构层和P型氮化镓层，所述多量子阱结构层包含交替层叠的复数铟镓氮阱层（以下简称“阱层”）和复数铟镓氮垒层（以下简称“垒层”）；
[0031] 并且，在生长形成多量子阱结构层的过程中，还通过调节外延生长参数，使所述多量子阱结构层中各铟镓氮垒层内铟的摩尔含量沿着由P型氮化镓层指向N型氮化镓层的方向逐渐递减。
[0032] 其中，在各各铟镓氮垒层内，铟组分含量的递减具有多种不同的方式，包括线性的递减、抛物线型的递减、台阶式的递减，及其它形式的递减。
[0033] 进一步的，所述的倾斜量子垒结构还包括其衍生结构，例如靠近N型氮化镓层的部分量子垒使用氮化镓，而靠近P型氮化镓的部分量子垒使用倾斜的结构。
[0034] 进一步的，所述铟组分含量的递减，可以通过外延技术手段来实现的，如阱内生长温度的调节，三甲基铟流量，流速及反应室压力的调节等，但不局限于某种特定的方法。
[0035] 作为本发明的一典型实施方案，其中一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管的外延结构从下向上依次为：一层低温氮化镓层、一层非掺杂氮化镓层、一层N型氮化镓层、数对铟镓氮和氮化镓组成的多量子阱结构、一层铝镓氮电子阻挡层、一层P型氮化镓层、一层P型氮化镓接触层；所述铟镓氮组成的多量子阱结构中，量子阱中铟的摩尔含量不变，量子垒中铟镓氮的铟摩尔含量从靠近P型层的量子垒向靠近N型层的量子垒逐渐递减。
[0036] 参阅图2-图4，在一更具体的实施案例中，一种具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管可基于蓝
宝石衬底201而形成，其中，在蓝宝石衬底201上生长一层低温氮化镓层202，其厚度约为20-30 nm，用以缓解晶格失配带来的
应力。低温氮化镓层202上生长一层非掺杂的氮化镓层203，厚度为1000-2500nm；非掺杂氮化镓层203上生长一层N型氮化镓层204，掺单质
硅，掺杂浓度约为1el8-le20每立方厘米，厚度为1000-2500nm，提供电子注入。N型氮化镓层204上为若干对由铟镓氮构成的量子阱结构205，其中阱的厚度约为2.5-3nm，垒的厚度约为3-15nm，均不掺杂。量子阱结构205上为P型铝镓氮电子阻挡层206，掺金属镁，浓度约为1el9-le21每立方厘米，厚度约20-40nm，用以阻挡高注入下量子阱内的溢出电子。P型电子阻挡层206之上为P型氮化镓层207，掺金属镁，掺杂浓度约为le19-le20每立方厘米，厚度约为100-200nm，用以提供空穴注入。P型氮化镓层207之上为一氮化镓接触层
208，亦为P型，掺金属镁，掺杂浓度为le20每立方厘米，厚度为10-30nm，其作用提供高的空穴浓度，以便形成P型的
欧姆接触。
[0037] 所述多量子阱结构内，阱层为铟镓氮，垒层也为铟镓氮，从P型层到N型层，垒层中铟的摩尔含量由低到高。在能带结构上，形成一个倾斜的多量子阱结构，靠近N型区，垒的禁带宽度较宽，靠近P型区，垒的禁带宽度较窄。最后一垒层的铟摩尔含量应根据阱层的铟摩尔含量适当设计，使得量子阱有足够的限制。比如，对蓝光LED而言，阱内铟的摩尔含量为0.16（如下若非特别说明，均指百分比含量），那么最后一个垒层的铟摩尔含量可设计为
0.1。
[0038] 请继续参阅图3所示为本实施案例中一种5对倾斜多量子阱的能带示意图，从靠近P型到靠近N型，垒层的编号依次为301、302、303、304、305，306为阱层，307为电子阻挡层。量子垒中铟的摩尔含量变化方式为台阶式。应当理解的是，本实施例仅仅用以说明各个垒中铟摩尔含量变化的一个特定的方式，本发明并不局限于本实施例。
[0039] 请继续参阅图4所示为本实施案例中另一种5对倾斜多量子阱的能带示意图，从靠近P型到靠近N型，垒层的编号依次为401、402、403、404、405，406为阱层，407为电子阻挡层。量子垒中铟的摩尔含量变化方式为线性变化。应当理解的是，本实施例仅仅用以说明各个垒中铟摩尔含量变化的一个特定的方式，本发明并不局限于本实施例。
[0040] 藉由本发明的技术方案，不但能降低量子阱内极化效应产生的极化电场，能增加电子空穴在量子阱中的复合效率，降低空穴迁移的势垒，使电子和空穴更均匀地分布在多个量子阱中，还能有效减少电子的泄露，从而提高发光二极管在大电流密度下的发光效率，解决发光二极管中效率下降的问题。
[0041] 本实施案例中具有倾斜量子垒结构的氮化镓半导体发光二极管可以多种外延方法形成，以下将以金属有机化合物沉积生长外延层的方案为例说明该发光二极管的制备过程，其可以包括：
[0042] I) 在蓝宝石衬底201上生长厚度约为25nm的低温氮化镓层202，生长
温度控制在500-550摄氏度之间，生长压力在300-700mbar之间；
[0043] 2) 在低温氮化镓层202上生长厚度为1500nm的非掺杂氮化镓层203，生长温度控制在1000-1100摄氏度，生长压力在200-500mbar之间；
[0044] 3) 在非掺杂氮化镓层203上生长厚度为2000nm的N型氮化镓层204，生长温度控制在1000-1200摄氏度，生长压力在100-500Torr之间，掺杂杂质为单质硅，掺杂浓度为5el8每立方厘米；
[0045] 4)在N型的氮化镓层204上生长由铟镓氮构成的五对量子阱205，其中铟镓氮阱层的厚度为2.5 nm，铟镓氮垒层的厚度为5 nm，垒层301、302、303、304、305中铟的摩尔含量分别为0.1、0.08、0.06、0.04、0.02；
[0046] 其中，铟摩尔组分含量的变化通过三甲基铟的流量控制来改变，实现垒层中铟含量的变化。请参阅图5所示，501为量子阱（阱层）生长过程中三甲基铟的流量的变化，502为量子垒（垒层）生长过程中三甲基铟流量的变化；
[0047] 5)在量子阱205上生长P型的铝镓氮层206，厚度为20nm，掺金属镁，掺杂浓度为3e19每立方厘米，铝的摩尔含量为0.2，生长温度为950-1000摄氏度之间，生长压力为150-
400mbar之间；
[0048] 6)在铝镓氮层206上生长P型的氮化镓层207，厚度为100nm，掺金属镁，掺杂浓度为3e19每立方厘米，生长温度为900-1000摄氏度，生长压力为100-500mbar之间；
[0049] 7)在P型的氮化镓层207上生长接触层氮化镓208,厚度为20nm,掺金属镁,掺杂浓度为le20每立方厘米，生长温度为800-900摄氏度之间，生长压力为100-400mbar之间。
[0050] 需要指出的是，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
