CN102117873A

CN102117873A - 提高发光二极管发光效率的方法及其外延结构

Info

Publication number: CN102117873A
Application number: CN 201110020676
Authority: CN
Inventors: 李鸿建; 靳彩霞; 董志江
Original assignee: Diyuan Photoelectric Science & Technology Co Ltd Wuhan
Current assignee: Diyuan Photoelectric Science & Technology Co Ltd Wuhan
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-07-06

Abstract

提高发光二极管发光效率的方法及其外延结构，其特征在于：在发光二极管的外延结构中，将p型氮化镓层镶嵌到第j个量子阱层中，1≤j≤i，其中i为量子阱的数目。发光二极管的外延结构，依次包括衬底、过渡层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层，其特征在于：p型氮化镓层镶嵌到第j个量子阱层中，1≤j≤i，i为量子阱的数目。本专利结构简单、制作方便。相对传统结构，能较大地提高强LED的发光效率与饱和工作电流。

Description

提高发光二极管发光效率的方法及其外延结构

技术领域

本发明属于发光二极管技术领域，具体涉及一种具有新型外延结构的发光二极管。

背景技术

自从1993年InGaN/GaN基蓝光LED被制备出来后，GaN基LED的外延材料和器件制备技术都得到极大地改善，现在LED已开始进入照明应用领域，LED照明相对于传统照明技术的最大优势是其具有较高的发光效率及较低的输入功率。但是，LED仅是在低工作电流小具有较高的发光效率，随着工作电流的增大，发光效率会逐渐下降，这就是被称之为“Droop”效应， “Droop”效应是制约LED照明应用的一大瓶颈。

“Droop”效应主要是电子溢流所导致，空穴有效质量较大和掺杂浓度较低而使得其不能有效注入到量子阱，从而使得大量电子无法在量子阱中与空穴复合发光，传统方法是通过电子阻挡层（EBL）来减少电子的逃逸，但增加了器件的工作电压，降低了器件的饱和工作电流，如图1所示。

发明内容

针对现有技术中存在的问题（工作电压高和饱和工作电流低），本发明的目的是提供一种提高发光二极管发光效率的方法及其外延结构，提高空穴的注入效率和速率及注入深度，提高器件发光效率与饱和工作电流，降低器件的工作电压。

本发明的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于：在发光二极管的外延结构中，将p型氮化镓层镶嵌到第j个量子阱层中，1≤j≤i，其中i为量子阱层的数目。

如上所述的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于p型氮化镓层与第j个量子阱层的垒接触。

如上所述的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于p型氮化镓层与第j个量子阱层的阱接触。

如上所述的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于量子阱层i的数目1≤i≤100。

如上所述的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于量子阱i的数目1≤i≤10。

本发明的发光二极管的外延结构，依次包括衬底、过渡层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层，其特征在于： p型氮化镓层镶嵌到第j个量子阱层中，1≤j≤i，i为量子阱层的数目。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于p型氮化镓层与第j个量子阱层的垒接触。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于p型氮化镓层与第j个量子阱层的阱接触。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于：量子阱层i的数目1≤i≤100。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于：量子阱层i的数目1≤i≤10。

所述的发光二极管的外延结构，其特征在于量子阱层与p型氮化镓层之间有电子阻挡层。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于量子阱的组成为Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N（0＜x1≤1，0≤y1＜1），量子垒的组成为Al_bIn_aGa_1-a-bN（0＜a≤1，0≤b＜1）。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于电子阻挡层的组成为Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N（0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2＜1）。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于过渡层的组成为Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于 u型氮化镓层为未掺杂Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）半导体层。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于n型氮化镓层为 n型掺杂Al_y5In_x5Ga_1-x5-y5N（0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5＜1）半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10²²/cm³。

如上所述的发光二极管的外延结构，其特征在于p型氮化镓层为 p型掺杂In_x6Ga_1-x6N（0＜x6≤1）半导体层，掺杂元素为Be或Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。

本发明的原理：p型层嵌入到多量子阱中，此结构可降低空穴注入路径，增加空穴的注入方式（空穴可从侧面注入到量子阱中），增加了空穴的注入深度和注入效率，可以提高器件的发光效率和降低器件的工作电压，同时可提高器件的饱和工作电流。

技术效果：本专利结构简单、制作方便。相对传统结构，能较大地提高强LED的发光效率与饱和工作电流。

数据对比表

	传统结构	本专利结构
			工作电压（0.35 A/cm²）	3.25-3.3V	3.1-3.2V
饱和工作电流	50-100 A/cm²	>2000A/cm²
			内量子效率	≤60%	70-80%

附图说明

图1 传统外延结构示意图。

图2 实施例1结构示意图。

图3a 、图3b、图3c、图3d为刻蚀剖面形状图。

图4 a、图4b、图4c为表面结构示意图。

图5实施例2结构示意图。

图6 实施例3结构示意图。

图7实施例4结构示意图。

图8实施例5结构示意图。

图9实施例6结构示意图。

具体实施方式

图中标记的说明：1-衬底，2-过渡层，3-u型层，4-n型层，5-量子阱，51-垒层；52-阱层；53-镶嵌垒层，54-镶嵌阱层，55-最后的垒层，6-电子阻挡层，7-P型层。

实施例1：p型氮化镓层镶嵌到第3个量子阱层的垒中。

图2为实施例1结构示意图，先在MOCVD反应炉中将衬底在1200℃进行烘烤，除去衬底表面异物。在550℃，沉积25nm过渡层Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）（Buffer层），再将温度升高到1100℃，依次进行2.5μm u型层Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）（u-GaN）、2.5μm n型层Al_y5In_x5Ga_1-x5-y5N（0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5＜1）（n-GaN）的制备，在750℃下生长i个周期的量子阱的垒（Barrier）与阱（Well），并在同样的条件下生长最后的垒层（Last Barrier）。将温度降到室温后，再利用光刻或纳米压印技术从最后的垒层表面刻蚀到第j个量子阱的垒层中（1≤j≤i，i为量子阱的数目，i=5，j =3），刻蚀剖面图如图3a-3d所示的微米或纳米结构图，表面结构可呈有规律分布或者无规律分布（如图4a-4c所示）。将样品清洗后再放入MOCVD进行二次生长，在900℃下，沉积250nm的Mg掺杂p型层。温度冷却到室温后，在500℃下，氮气气氛中退火10分钟。此结构可降低空穴注入路径，增加空穴的注入方式（空穴可从侧面注入到量子阱中），提高空穴的注入速率和效率及注入深度，提高器件的发光效率，减低器件的工作电压，由于较大的提高有效空穴-电子对的复合效率，减低或消除了电子的溢流，消弱或消除“Droop”效应，可将器件的饱和工作电流提高到2000A/cm²以上。

实施例2： p型氮化镓层镶嵌到第5个量子阱层的阱中。

如图5所示，实现方法同实施例1，利用光刻或纳米压印技术从最后量子垒的表面刻蚀到第j个量子阱的阱层中（1≤j≤i，i为量子阱的数目，i=10，j =5），再利用二次生长技术形成其他外延层。

实施例3：

如图6所示，实现方法同实施例1，利用光刻或纳米压印技术将最后量子垒刻蚀成如图3a-3d所示的微米或纳米结构图，表面结构可呈有规律分布或者无规律分布（如图4a-4c所示），再利用二次生长技术形成p型层。

实施例4：增加电子阻挡层

图7为实施例4结构示意图，先在MOCVD反应炉中将衬底在1200℃进行烘烤，除去衬底表面异物。在550℃，沉积25nm过渡层Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）（Buffer层），再将温度升高到1100℃，依次进行2.5μm u型层Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）（u-GaN）、2.5μm n型层Al_y5In_x5Ga_1-x5-y5N（0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5＜1）（n-GaN）的制备，在750℃下生长个i周期的量子阱的垒（Barrier）与阱（Well），并在同样的条件下生长最后的垒层（Last Barrier）。将温度降到室温后，再利用光刻或纳米压印技术从最后量子垒的表面刻蚀到第j个量子阱的垒层中（1≤j≤i，i为量子阱的数目，i=5，j =3），刻蚀剖面图如图3a-3d所示的微米或纳米结构图，表面结构可呈有规律分布或者无规律分布（如图4a-4c所示）。将样品清洗后再放入MOCVD进行二次生长，再850℃下生长15nm的电子阻挡层Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N（0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2＜1）（EBL），在900℃下，沉积250nm的Mg掺杂p型层。温度冷却到室温后，在500℃下，氮气气氛中退火10分钟。此结构可降低空穴注入路径，增加空穴的注入方式（空穴可从侧面注入到量子阱中），提高空穴的注入速率和效率及注入深度，提高器件的发光效率，减低器件的工作电压，由于较大的提高有效空穴-电子对的复合效率，减低或消除了电子的溢流，同时，电子阻挡层也起到抑制电子溢流的作用，这将消弱或消除“Droop”效应，可将器件的饱和工作电流提高到2000A/cm²以上。

实施例5：增加电子阻挡层

如图8所示，实现方法同实施例4，利用光刻或纳米压印技术从最后量子垒的表面刻蚀到第j个量子阱的阱层中（1≤j≤i，i为量子阱的数目，i=8，j=5），再利用二次生长技术形成其他外延层。

实施例6：增加电子阻挡层

如图9所示，实现方法同实施例3，利用光刻或纳米压印技术将最后量子垒刻蚀成如图3a-3d所示的微米或纳米结构图，表面结构可呈有规律分布或者无规律分布（如图4a-4c所示），再利用二次生长技术形成电子阻挡层、p型层。（比实施例3多增加了一层电子阻挡层）。

Claims

1.提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于：在发光二极管的外延结构中，将p型氮化镓层镶嵌到第j个量子阱层中，1≤j≤i，其中i为量子阱层的数目。

2.如权利要求1所述的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于p型氮化镓层与第j个量子阱层的垒接触，或p型氮化镓层与第j个量子阱层的阱接触。

3.如权利要求2所述的提高发光二极管发光效率的方法，其特征在于量子阱层i的数目1≤i≤100。

4.发光二极管的外延结构，依次包括衬底、过渡层、u型氮化镓层、n型氮化镓层、量子阱层、p型氮化镓层，其特征在于： p型氮化镓层镶嵌到第j个量子阱层中，1≤j≤i，i为量子阱层的数目。

5.如权利要求所4所述的发光二极管的外延结构，其特征在于p型氮化镓层与第j个量子阱层的垒接触，或p型氮化镓层与第j个量子阱层的阱接触。

6.如权利要求5所述的发光二极管的外延结构，其特征在于：量子阱层i的数目1≤i≤100。

7.如权利要求5所述的发光二极管的外延结构，其特征在于量子阱层与p型氮化镓层之间有电子阻挡层。

8.如权利要求5所述的发光二极管的外延结构，其特征在于量子阱的组成为Al_y1In_x1Ga_1-x1-y1N（0＜x1≤1，0≤y1＜1），量子垒的组成为 Al_bIn_aGa_1-a-bN（0＜a≤1，0≤b＜1）。

9.如权利要求5所述的发光二极管的外延结构，其特征在于电子阻挡层的组成为Al_y2In_x2Ga_1-x2-y2N（0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤x2+y2＜1）。

10.如权利要求5所述的发光二极管的外延结构，其特征在于过渡层的组成为Al_y3In_x3Ga_1-x3-y3N（0≤x3≤1，0≤y3≤1，0≤x3+y3＜1）；

u型氮化镓层为未掺杂Al_y4In_x4Ga_1-x4-y4N（0≤x4≤1，0≤y4≤1，0≤x4+y4＜1）半导体层；

n型氮化镓层为n型掺杂Al_y5In_x5Ga_1-x5-y5N（0≤x5≤1，0≤y5≤1，0≤x5+y5＜1）半导体层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10²²/cm³；

p型氮化镓层为p型掺杂In_x6Ga_1-x6N（0＜x6≤1）半导体层，掺杂元素为Be或Mg，掺杂浓度为5×10¹⁷/cm³～9×10²³/cm³。