CN101390214A - 高效发光二极管 - Google Patents

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Abstract

通过利用直接带隙AlGaInNSbAsP材料系统来生产的高效率LED直接在GaP衬底上生长。

Description

高效发光二极管
技术领域
本发明涉及直接在GaP衬底上生长的高效发光二极管。
背景技术
带有发光二极管(LED)的固态照明设备已经成为研究和商业中最令人感兴趣的对象之一。这些LED的应用包括，全色显示，信号发送，交通灯，汽车灯和蜂窝电话的背光。为了替代白炽灯或荧光灯以便于通用照明，白色的LED是最终的目标。有三种主要的方式产生白光：(1)蓝色LED和黄色荧光体，(2)紫外LED和三色荧光体，以及(3)来自红、绿和蓝LED的三色混合(RGB方式)。RGB方式被认为是三种中最有效的一种。最佳的三色混合的三个波长是460nm、540nm和610nm。前两个波长，460nm和540nm，可由AlGaInN LED产生，最后一个610nm，可由在GaP衬底上生长的AlGaInP-LED产生。对于目前使用的基于黄-红AlGaInP的LED来说，存在若干个问题。第一个问题是由于较差的电子限制造成在黄-红范围内的内部量子效率低且温度稳定性差。第二个问题是去除光吸收GaAs衬底的过程和对载体上的透明GaP衬底或反射层进行晶片键合的过程复杂且成本高。
发明内容
本发明包括将直接在GaP(100)衬底上生长的直接带隙AlGaInNSbAsP材料系统用作黄-红LED的有源区域。仅0.4％的氮与GaP的结合就可将该材料从间接带隙转变成直接带隙，并且将发射波长改变到黄光谱的范围中。通过采用在透明GaP(100)衬底上的一步生长，芯片工艺可更加简化。
附图说明
图1是本发明的LED的结构的描述；
图2是图1的LED结构的能带图的示意图；
图3(a)描述基于InGaNP/GaP的LED的导带偏移；
图3(b)描述基于AlInGaP/AlGaP的LED的导带偏移；
图4(a)是嵌入式电流扩展/阻挡层的示意性能带图；
图4(b)是电流扩展穿过没有电流扩展/阻挡层的结构的图；
图5描述在GaP势垒里的InGaNP量子阱的退火光致发光属性的效应；
图6(a)描述基于InGaNP的裸LED芯片的电致发光光谱；以及
图6(b)描述商用的基于AlInGaP的裸LED芯片的发射波长对驱动电流的依赖性。
具体实施方式
图1表示本发明的LED的层结构，图2表示图1中的LED结构的一种可能的能带图的示意图。参考图1和图2：
在GaP衬底上生长的第一层是AlxGa1-xP缓冲层，当为了获得用于器件结构的后来生长的平滑表面而开始在衬底上的生长的时候，该缓冲层是必要的。
第二层是AlyGa1-yP防止空穴泄漏层，它的目的是将空穴限制在该结构的有源区域内，并且防止它们自有源区域泄漏。这一层只限制空穴，因为它与下一个AlzGa1-zP势垒层形成了一种类型II(“阶梯状”)的异质结。如果AlP材料被用作防止空穴泄漏层，并且GaP材料用作势垒层，那么最大的价带偏移就能达到。在这种情况下的价带偏移大约为500meV，这足以对在有源区的空穴提供较强的限制。因为在AlzGa1-zP势垒层和AlnInmGa1-m-nNcAsvSbkP1-c-v-k有源层之间的导带偏移足够大(基于AlInGaP的传统LED的3倍，如在图3中所示)从而能够提供良好的电子限制，所以不要求像基于AlInGaP的LED的一样，在有源区域的外面要有额外的电子限制层。
图3表示(a)GaP/InGaNP/GaP和(b)Al0.5In0.5P/(AlGa)0.5In0.5P/Al0.5In0.5P异质结构的导带图。因为GaP和Al0.5In0.5P是间接带隙材料，所以它们的电子位于其中的导带最小是在某个有限的电子动量的X谷处，如虚线所示。InGaNP和(AlGa)0.5In0.5P是直接带隙材料，所以它们的电子位于其中的导带最小(它们的空穴位于其中的价带最大)是在Г谷处或零动量处，如实线所示。在这样的异质结构中，电子位于较低能级的InGaNP或(AlGa)0.5In0.5P有源区，并且它们分别被较高能级的GaP或Al0.5In0.5P势垒限制。在高温下，被限制在较浅的势阱内的电子能获得足够的热能来越过势垒并且消失在有源区域，从而来自电子-空穴复合的光发射会衰减。因此，势垒越大，电子受限就越大，并且器件的高温特性就越好。
第三层是由多个AlzGa1-zP势垒层/AlnInmGa1-m-nNcAsvSbkP1-c-v-k有源层组成的有源区域。有源层是直接带隙材料层。这个区域是实际的光发射器。载流子辐射复合过程在由势垒层分隔开的有源区域内进行。为了使由注入该结构的载流子产生的光最大化，多个这种层是必要的。
最后一层是InwAlsGa1-s-wP覆盖/接触层。这一层用于为器件形成外部电极接触，并且它将有源区域与表面分离开来，从而提供更好的电流扩展。将铟加入合金内有助于减少在半导体和用于电极的金属之间的肖特基势垒，从而提供较低的接触电阻。
一个可选实施例利用与图1相同的结构，但是在InwAlsGa1-s-wP覆盖/接触层之前，之中或之后，具有AltGa1-tP(n-或p-型或不掺杂型)电流扩展/阻挡层，其中s≤t。
另外一个可选的实施例利用与图1相同的结构，但是在AlxGa1-xP缓冲层之前，之中或之后，具有AltGa1-tP(n-或p-型或不掺杂型)电流扩展/阻挡层，其中x≤t。
AltGa1-tP电流扩展/阻挡层用于加强该结构的电、光属性。AltGa1-tP电流扩展/阻挡层(图4a)是相对于InwAlsGa1-s-wP覆盖/接触层或AlxGa1-xP缓冲层具有较大价带偏移(达到0.5eV)的较薄的一层。它被安置在有源区域的相对于AlyGa1-yP防止空穴泄漏层的相对的一面上。这一层为注入的空穴(图4a)提供势垒，以便于空穴能横向地沿着AltGa1-tP电流扩展/阻挡层移动并且越过这个势垒，从而为了更均匀地将载流子注入有源区域，提供来自p-型电流接触/电极的电流扩展。图4b表示在没有电流扩展/阻挡层的结构中的电流。在这种情况下，电流以“喷头型”的方式流进有源区域，即提供了不均匀的注入。图4c表示在有电流扩展/阻挡层的结构中的电流。正如在这个图中所表示的，电流扩展/阻挡层允许扩展电流并提供均匀的注入。AltGa1-tP电流扩展/阻挡层足够厚，以便提供电流扩展，但也足够薄以提供二极管令人满意的电流-电压特性。接触焊盘的尺寸必须尽可能地小，以便于它不会覆盖LED的表面，从而防止光从器件中发出。另一方面，减小接触焊盘的尺寸可能导致载流子注入到LED有源区域的较小面积内，从而减小光输出。存在一种使得来自LED芯片的光输出最大的最佳接触焊盘尺寸。在接触焊盘下面的电流扩展的加强是极其重要，因为它在保持均匀的载流子注入的同时，允许减小接触焊盘的尺寸，因此增加了光输出。
另外的一个实施例是图1中LED结构的变化，它采用了沉积在指定层之间的界面上或指定层内的任何地方的n-和p-型delta掺杂层。这些掺杂层加强了二极管的电流-电压特性。delta掺杂也被叫作“原子平面掺杂”，其中，掺杂的原子沉积在生长中断的表面。delta掺杂局部地提供高掺杂浓度。delta掺杂层的采用在异质结的界面处为载流子减少或消除了势垒，因此，加强了电流-电压特性。
上面描述的所有结构和指定结构中的各分离层或层中的部分，都可以利用超晶格或“数字合金”技术而不是无序合金(random alloy)技术进行生长。在无序合金AxB1-xC中，其中，A和B原子占据一个次晶格并且C原子占据另外一个次晶格，A和B原子被随意地散布在次晶格中。在由交替的薄层AC/BC/AC/BC组成的“数字合金”中，通过调整AC和BC的相对厚度，可使得A的平均成份与无序合金中的平均成份相同。这些层足够薄，以致于电子能够与在无序合金中一样穿过这些层，从而数字合金的一些宏观属性与无序合金的相似。例如，多个AlP/GaP薄层(数字合金)，而不是厚的AlGaP层(无序合金)，可能更受欢迎，因为前者能够在GaP层内终结，防止易起反应的铝与空气接触。
另外一个实施例包括通过在生长过程中或生长之后使用退火来加强结构的光学属性，其中，退火是将衬底加热到高于用于生长的最大温度的温度。在LED芯片的有源区域中可出现若干种复合过程：导致发射光子的辐射复合，以及将在反应中释放的能量转换成光子或热量的非辐射复合过程(例如，通过深能级，通过Auger过程)。一般而言，希望尽可能地减少器件中的非辐射复合事件。非辐射复合事件的最普通的原因是在结构上的缺陷，例如深能级，或非辐射复合中心。这是因为所有的缺陷具有与替代的半导体原子不同的能级结构。缺陷包括本征缺陷(例如，空位)、位错、杂质(外来原子)和这些的合成。
因为氮原子的尺寸比在有源区域中使用的其它原子的尺寸小，所以氮原子的并入产生了大量的点缺陷，这些点缺陷趋向于使载流子落入陷阱作为非辐射复合中心。因此，这些点缺陷降低了该结构的光学属性。退火有助于减少在该结构里，特别是在包含氮的有源区域内的点缺陷的数量，因此加强了它的辐射效率。图5表示退火怎样增加样品的光致发光强度，该样品具有夹在GaP势垒之间的7nm厚的InGaNP有源层。这里，退火是在生长之后立即在荧光体的超压力下在本位(在生长空间内)完成的。退火的温度为700℃，并且退火时间为2分钟。
能带偏移
异质结构的器件的最重要的一个参数是在有源层和势垒层之间的能带偏移(ΔEc和ΔEv)。通常，较大的ΔEc会导致更好的器件性能。较大的能带偏移增加最大效率并改善器件的温度稳定性。在这里描述的LED结构的导带偏移大约是传统的基于AlInGaP的LED结构的3倍。
例如，在GaP势垒里带有InGaNP有源层且在610nm处发射出光的LED结构，拥有ΔEc＝225meV(图3a)。目前正在生产的基于AlGaInP的LED，对于相同的波长带有ΔEc＝75meV(图3b)。这个较大的能带偏移将会使这种结构具有比目前使用结构更好的温度稳定性，例如，LED芯片能够在不降低发光性能的前提下，在更高的温度下运转。因为电子能量的一部分转变为热量，所以增加通过该器件的驱动电流可导致LED管芯的加热。因此，周围的连接处的温度增加，这样就导致了电子热能的增加。载流子(电子和空穴)复合发生的有源区域，实际上是载流子的势井。由于加热引起的电子热能的增加导致高能级电子的数量的增加，这些高能级电子有充足的能量越过势垒，并且离开有源区域。离开有源区域的电子没有参加辐射复合。这就导致了在较高的运转温度下的LED芯片的发光性能下降。因此，期望尽可能高的势垒高度，以便在有源区域内提供较好的电子限制。与传统的AlInGaP材料系统(见图3)相比，我们已经为我们的材料系统演示了3倍高的导带偏移，而这也导致了LED芯片在较高的驱动电流密度或在较高温度下更好的发光性能。
我们的材料系统的另外一个优点是相比于AlInGaP材料系统而言，有源区域的能带隙对温度的依赖性较弱，而这也导致更好的发射波长的温度稳定性。如上面解释的一样，更高的驱动电流导致增加周围连接处的温度。当晶体温度增加时，材料的带隙减小。这导致了发射峰值波长的红移，也就是，当在更高的驱动电流下运转时，LED芯片改变了光发射颜色。这个效应必须被最小化或避免，从而获得稳定颜色的LEDs。实验数据已经示出在达到60mA的驱动电流时的无变化的发射波长(图6a)。当驱动电流从10mA增加到60mA时，商用的基于AlInGaP的裸LED芯片表现出13nm的红移(图6b)。
工业适用性
这些LED的应用包括全色显示、信号发送、交通灯，汽车灯和手机的背光。

Claims (11)

1、一种LED结构，包括下列各层：
a)n型GaP衬底
b)n-型或不掺杂型，AlxGa1-xP缓冲层
c)n-型或不掺杂型，AlyGa1-yP防止空穴泄漏层，
d)多个以下层：
n-型或p-型或不掺杂型，AlzGa1-zP势垒
/AlnInmGa1-m-nNcAsvSbkP1-c-v-k有源层，以及
e)p-型或不掺杂型InwAlsGa1-s-wP覆盖/接触层。
2、如权利要求1所述的LED结构，具有成份x，y，z，n，m，c，v，s，w，k，使得0≤x≤y≤1，0≤z，n，m，c，v，s，w，k≤1。
3、一种LED结构，包括下列各层：
a)p-型GaP衬底
b)p型或不掺杂型，AlxGa1-xP缓冲层
c)多个以下层：
n-型或p-型或不掺杂型，AlzGa1-zP势垒
/AlnInmGa1-m-nNcAsvSbkP1-c-v-k有源层
d)n-型或不掺杂型AlyGa1-yP防止空穴泄漏层，
e)n-型或不掺杂型InwAlsGa1-s-wP覆盖/接触层。
4、如权利要求1所述的LED结构，其中所述n-型或p-型或不掺杂型的AltGa1-tP电流扩展/阻挡层位于所述InwAlsGa1-s-wP覆盖/接触层之前、之中或之后。
5、如权利要求3所述的LED结构，其中所述n-型或p-型或不掺杂型AltGa1-tP的电流扩展/阻挡层位于所述AlxGa1-xP缓冲层之前、之中或之后。
6、如权利要求1所述的LED结构，还包括沉积在所述各层之间的界面上或在指定层内的任何位置的n-型或p-型delta掺杂层。
7、如权利要求3所述的LED结构，还包括沉积在所述各层之间的界面上或在指定层内的任何位置的n-型或p-型delta掺杂层。
8、如权利要求4所述的LED结构，还包括沉积在所述各层之间的界面上或在指定层内的任何位置的n-型或p-型delta掺杂层。
9、如权利要求5所述的LED结构，包括沉积在所述各层之间的界面上或在指定层内的任何位置的n-型或p-型delta掺杂层。
10、如权利要求1、3、4或5所述的LED结构，其中，所述各层、或各层的部分利用超晶格或“数字合金”技术生长。
11、如权利要求1、3、4或5所述的LED结构，其中，通过在生长过程中或之后，在比所用的最高生长温度高的退火温度下，对该结构进行退火来实现光学性能的改善。
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