CN101859825A

CN101859825A - 具有载子提供层的多层量子阱氮化物发光二极管

Info

Publication number: CN101859825A
Application number: CN200910057040A
Authority: CN
Inventors: 武良文; 简奉任
Original assignee: SHANDONG CANYUAN OPTO-ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANDONG CANYUAN OPTO-ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-10-13

Abstract

本发明公开了一种多层量子阱发光二极管结构，其在发光层的一侧设置有一载子提供层，以提供额外的载子给发光层参与重新结合，该载子提供层包含有多层交替堆栈的阱层和势垒层，这些阱层和势垒层各具有5-300的厚度，载子提供层总厚度为1nm-500nm。阱层和势垒层都是由掺杂Si或Ge的Al_pIn_qGa_1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)化合物半导体所制成，但各具有不同的组成，其中势垒层具有高于井层的能带隙。载子提供层的电子浓度是在1×10¹⁷-5×10²¹/cm³之间。本发明的多层量子阱发光二极管结构可以避免/降低发光层内杂质的使用。

Description

具有载子提供层的多层量子阱氮化物发光二极管

技术领域

本发明涉及一种氮化物多层量子阱发光二极管，特别涉及一种具有载子提供层的多层量子阱氮化物发光二极管。

背景技术

为了提高氮化镓(GaN)系发光二极管(LED)的亮度，美国专利No.5,578,839揭示了一种发光层(或称主动层)掺杂有n型杂质(例如Si)和/或p型杂质(例如Mg或Zn等)的In_xGa_1-xN(0＜x＜1)化合物半导体所制成的LED结构。此LED结构的发光层，是夹在n型GaN系化合物半导体制成的第一包覆层(clad layer)与p型GaN系化合物半导体制成的第二包覆层中间。LED结构在亮度上的提升，是由于上述发光层内所掺杂的杂质提高了载子(即，电子和空穴)的密度，因此有更多载子参与重新结合(recombination)所致。

相比之下，使用多层量子阱(multi quantum-well，MQW)技术的高亮度LED，通常在其发光层内是采未加掺杂的阱层(well layer)。一般MQW LED的发光层是包含有多层阱层，阱层的厚度是小于半导体材料中载子的德布洛依(deBroglie)波长，致使电子和空穴被局限在阱层内，而可达成更佳的重新结合效率。阱层通常是未加掺杂，因为阱层内的杂质会导致非辐射性(non-radiative)的重新结合，进而造成发光效率的降低和过多热量的产生。另一方面，在2002年五月电机工程师协会量子电子学期刊(IEEE Journal of Quantum Electronics)第38册第5期里，Wu等人在Influence of Si doping on the Characteristics of InGaN-GaN Multiple Quantum-Well Blue Light Emitting Diode(Si搀杂对InGaN-GaN多层量子阱发光二极管之特性方面的影响)一文中建议，InGaN-GaN MQW LED的发光强度和操作电压，可借由在MQW发光层的GaN势垒层(barrier layer)内加入Si搀杂，而得到显著的改善。然而，势垒层内的杂质密度应维持在适当的位准下，否则该LED的结晶(crystal line)便会受到影响。

在LED之发光层搀杂杂质，确实有助于提高载子重新结合效率，但此种改善是要付出代价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多层量子阱氮化物发光二极管结构，能够使二极管有较高的内部量子效率与较高亮度。

为解决上述技术问题，本发明多层量子阱氮化物发光二极管结构的技术方案是，至少包含：

一个基板；

一个第一接触层，位于基板上方，并且第一接触层是由具有第一导电型的GaN系材料制成；

一个载子提供层，位于第一接触层的上方，载子提供层由至少两层阱层与至少两层势垒层交替堆栈而成，阱层与势垒层各由掺杂有n型杂质的GaN系材料制成，势垒层具有高于该阱层的能带隙；

一个发光层，位于载子提供层上方，发光层是具有由多层的阱层与势垒层所构成的MQW结构，阱层与势垒层各由GaN系材料制成；以及

一个第二接触层，位于发光层上方，第二接触层是由具有与第一导电型相反的第二导电型的GaN系材料制成；

载子提供层的阱层具有高于发光层的阱层能带隙。

作为本发明的进一步改进是，至少包含：

一个基板；

一个缓冲层，位于该基板上方，缓冲层以AlaGabIn1-a-bN(0≤a，b＜1，a+b≤1)制成；

一个第一接触层，位于缓冲层上方，第一接触层由具有第一导电型的GaN系材料制成；

一载子提供层，位于第一接触层的上方并覆盖第一接触层的部分上表面，载子提供层是由至少两层阱层与至少两层势垒层交替堆栈而成，阱层与势垒层各由掺杂有n型杂质的AlpInqGa1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)制成，势垒层具有高于阱层的能带隙；

一个第一电极，位于第一接触层未被载子提供层覆盖的上表面；

一个发光层，位于载子提供层上方，发光层是具有由多层阱层与势垒层构成的一个MQW结构，该阱层与该势垒层各由AlxInyGa1-x-yN(x，y≥0，0≤x+y≤1)制成；以及

一个透明导电层，位于第二接触层的至少一部份上表面，透明导电层是金属导电层与透明氧化物层二者之一；以及

一个第二电极，是位于透明导电层之上，或位于第二接触层未被该透明导电层覆盖的上表面；

该载子提供层的该阱层具有高于该发光层的该阱层的能带隙。

本发明通过其在发光层的一侧设置有一载子提供层，以提供额外的载子给发光层参与重新结合，避免/降低发光层内杂质的使用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明的第一实施例的氮化物MQW LED结构的示意图；

图2为发明的第二实施例的氮化物MQW LED结构的示意图；

图3为图1的LED结构在经过芯片程序后的LED装置的示意图。

图中附图标记说明：

10为基板，20缓冲层，30为第一接触层，40为载子提供层，41为阱层，42为势垒层，50为发光层，51为阱层，52为势垒层，60为第二接触层，70为空穴阻隔层，80为透明导电层，91为第一电极，92为第二电极。

具体实施方式

图1所示是依据本发明的第一实施例的氮化物MQW LED结构的示意图。本说明书是使用“LED结构”一词来指称一个LED的外延结构，另外以“LED装置”一词来指称一个LED结构形成之后，再经过后续的芯片程序(chip process)在LED结构上形成电极后所得的半导体装置。

如图1所示，在上述LED结构的底部，基板10通常是以氧化铝单晶(蓝宝石)或是具有与LED结构的外延层接近的晶格常数的氧化物单晶制成。该基板10也可由SiC(6H-SiC或4H-SiC)、Si、ZnO、GaAs、或MgAl204来制成。通常，上述基板10最常见的材料为蓝宝石或SiC。在基板10的上表面，接着形成一由AlaGabIn1-a-bN(0≤a，b＜1，a+b≤1)制成的缓冲层(buffer layer)20。在一些实施例中，缓冲层20也可省略。而且，由于在形成本发明的LED结构的外延层中应用的，大多为本领域一般技术的人员所熟知的半导体制造方法，为简化起见，本说明书中将这些方法的细节予以省略，除非某些特定的重要制造条件，才明白指出。

在上述缓冲层20的上表面，形成以第一导电型GaN系材料制成的第一接触层(contact layer)30。在本实施例中，第一接触层30是以一种n型GaN系材料制成。在某些其他实施例中，第一接触层30也可以一种p型GaN系材料制成。设置第一接触层30的目的，是为了在后续的芯片程序中，提供所形成的n型电极所需的欧姆接触(ohmic contact)，以及为其它后续成长的外延层提供较佳的成长条件。

接着，在上述第一接触层30的上表面，形成载子提供层40。载子提供层40是由至少两层阱层41和至少两层势垒层(barrier)42交替堆栈形成。载子提供层40的总厚度是在1nm与500nm之间，而每一个阱层41和势垒层42的厚度是在

与

之间。这些阱层41和势垒层42均是由掺杂有Si或Ge的AlpInqGa1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)化合物半导体制成，而具有在1×1017/cm3与5×1021/cm3之间的电子浓度。这些阱层41和势垒层42具有独立的组成，但势垒层42具有较阱层41高的能带隙(Eg)。阱层41和势垒层42均是在600℃与1200℃之间的成长温度下形成，但势垒层42有较高的成长温度。

接着，在载子提供层40的上表面，形成本实施例的MQW发光层50。MQW发光层50是由多数的阱层51和多数的势垒层52交替堆栈形成。阱层51和势垒层52都是由未加掺杂的AlxInyGa1-x-yN(x，y≥0，0≤x+y≤1)化合物半导体制成，但各具有独立的组成，该势垒层52具有较阱层51者高的能带隙(Eg)。这些阱层51和势垒层52也是在600℃与1200℃之间的不同成长温度下形成，但势垒层52有较高的成长温度。载子提供层40的阱层41，是由具有适当的AlpInqGa1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)组成，而使其能带隙大于发光层50的阱层51的AlxInyGa1-x-yN(x，y ≥0，0≤x+y≤1)。请注意到，本实施例的发光层50结构仅属例示，本发明的并不限定发光层50需要一个特定的MQW结构。

载子提供层40的作用是提供额外电子进入MQW发光层50内，以便与空穴(hole)重新结合，而使本发明的LED结构达成较高的内部量子效率并进而达成较高亮度。此外，由于电子的移动性已知是大于空穴，载子提供层40的设置也可使电子减速，使其有较高的机会与空穴重新结合，因而可达成较高的重新结合效率。更进一步的是，搀杂进载子提供层40内的Si或Ge可使本发明的LED结构，在不掺杂发光层50的情形下同样能有效地降低操作电压，此外，载子提供层40还可促使后续成长的发光层50具有更好的结晶。

最后，在发光层50的上表面，以和第一导电型相反的第二导电型GaN系材料形成第二接触层60。因此，在本实施例中，第二接触层60是以一种p型GaN系材料制成(以相对于第一接触层30的n型GaN系材料)。在某些其它实施例中，第二接触层60也可以n型GaN系材料制成。设置第二接触层60的目的是为了在后续的芯片程序中，提供后续形成的p型电极所需的奥姆接触。

图2所示是依据本发明的第二实施例的氮化物MQW LED结构的示意图。本实施例在结构上与第一实施例相类似，唯一不同的是载子提供层40与发光层50之间设置有一层空穴阻隔层70。提供空穴阻隔层70的两个最重要的理由是：(1)避免发光层50的空穴逃逸至载子提供层40并在该处与电子以非发光方式重新结合；(2)在载子提供层40成长之后，使其表面上所形成的V形瑕疵平滑化，而使后续成长的发光层50可以达成较佳的结晶。

空穴阻隔层70是在600℃与1200℃之间的成长温度下，以未加掺杂、或Si掺杂、或In掺杂、或In/Si共同掺杂的GaN系材料，形成在载子提供层40的上表面，而具有

-0.5μm之间的厚度。空穴阻隔层70的材料具有大于发光层50的能带隙，以避免空穴逃逸进入载子提供层40内。具有In掺杂的目的是进一步提升载子提供层40的表面平滑性，以有效地避免发光层50的瑕疵和堆栈层错。根据实验证明，空穴阻隔层70的存在尚具有其它优点，诸如使本发明的LED结构的击穿电压(Vb)增加，以及使其反向漏电流(Ir)降低。

传统上，图1和图2所示的LED结构，接着需经过芯片程序以形成LED对外电气连结的电极、以及制备该LED以利封装。图3所示是图1的LED结构在经过该芯片程序后的LED装置的示意图。相同的芯片程序同样可应用至图2所示的LED结构，但为简化起见，下文是以图1的LED结构作为范例。

首先，LED结构被适当地加以蚀刻，以暴露出第一接触层30的一部份上表面。接着，在第一接触层30被暴露区域的上表面，以适当的金属材料形成第一电极91。另一方面，在第二接触层60的上表面，形成透明导电层(transparent conductive layer)80。此透明导电层80可为金属导电层(metallic conductive layer)或透明氧化物层(transparent oxide layer)。该金属导电层由下列材料、但不仅限于这些材料所制成：Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Cr/Au合金、Ni/Au/Be合金、Ni/Cr/Au合金、Ni/Pt/Au合金、和Ni/Pd/Au合金。另一方面，透明氧化物层由下列材料、但不仅限于这些材料所制成：ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa2O4、SnO2:Sb、Ga2O3-:Sn、AgInO2:Sn、In2O3:Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2、和SrCu2O2。接下来，在透明导电层80的上表面、或如图3所示的在透明性导电层80的侧边，形成第二电极92。第二电极92由下列材料、但不仅限于这些材料所制成：Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx(x≥0)、和WSiy(y≥0)。

以上通过实施例，对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可以做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多层量子阱氮化物发光二极管结构，至少包含：

一个基板；

其特征是：载子提供层的阱层具有高于发光层的阱层能带隙。

2.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：进一步包含一个缓冲层，位于基板与第一接触层之间，缓冲层以GaN系材料制成。

3.根据权利要求2所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：缓冲层的GaN系材料是Al_aGa_bIn_1-a-bN(0≤a，b＜1，a+b≤1)。

4.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：载子提供层的阱层与势垒层的n型杂质是Si与Ge二者之一。

5.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：载子提供层的阱层与势垒层各具有

的厚度。

6.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：载子提供层具有1nm-500nm的厚度。

7.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：载子提供层具有1×10¹⁷/cm³～5×10²¹/cm³的电子浓度。

8.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：发光层的阱层与势垒层的GaN系材料是Al_xIn_yGa_1-x-yN(x，y≥0，0≤x+y≤1)。

9.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：发光层的阱层与势垒层的GaN系材料未加掺杂。

10.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：发光层的阱层与势垒层的GaN系材料是Al_pIn_qGa_1-p-qN(p，q≥0，0≤p+q≤1)。

11.根据权利要求1所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：进一步包含位于载子提供层与发光层之间的一个空穴阻隔层，空穴阻隔层由具有高于发光层的能带隙的GaN系材料制成。

12.根据权利要求11所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：空穴阻隔层具有

-0.5μm的厚度。

13.根据权利要求11所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：空穴阻隔层的GaN系材料未加掺杂。

14.根据权利要求11所述的多层量子阱氮化物发光二极管结构，其特征是：空穴阻隔层的GaN系材料掺杂有杂质，该杂质是Si、In、与Si/In三者之一。

15.一种多层量子阱氮化物发光二极管装置，至少包含：

一个基板；

其特征是：该载子提供层的该阱层具有高于该发光层的该阱层的能带隙。

16.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：载子提供层的阱层与势垒层的n型杂质是Si与Ge二者之一。

17.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：载子提供层的阱层与势垒层，各具有

的厚度。

18.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：载子提供层具有1nm-500nm的厚度。

19.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：载子提供层具有1×1017/cm³-5×1021/cm³的电子浓度。

20.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：发光层的阱层与势垒层的GaN系材料未加掺杂。

21.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：进一步包含位于载子提供层与发光层之间的一个空穴阻隔层，空穴阻隔层是由具有高于发光层的能带隙的GaN系材料制成。

22.根据权利要求21所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：空穴阻隔层是具有

-0.5μm的厚度。

23.根据权利要求21所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：空穴阻隔层的GaN系材料未加掺杂。

24.根据权利要求21所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：空穴阻隔层的GaN系材料掺杂有杂质，该杂质是Si、In、与Si/In三者之一。

25.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：金属导电层是由下列集合之一材料所构成：Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Cr/Au合金、Ni/Au/Be合金、Ni/Cr/Au合金、Ni/Pt/Au合金以及Ni/Pd/Au合金。

26.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：透明氧化物层由下列材料之一所构成：ITO、CTO、ZnO:Al、ZnGa2O4、SnO2:Sb、Ga2O3:Sn、AgInO2:Sn、In2O3:Zn、CuAlO2、LaCuOS、NiO、CuGaO2以及SrCu2O2。

27.根据权利要求15所述的多层量子阱氮化物发光二极管装置，其特征是：第二电极由下列材料之一构成：Ni/Au合金、Ni/Pt合金、Ni/Pd合金、Ni/Co合金、Pd/Au合金、Pt/Au合金、Ti/Au合金、Cr/Au合金、Sn/Au合金、Ta/Au合金、TiN、TiWNx(x≥0)以及WSiy(y≥0)。