CN102437262B - 一种氮化物发光二极管结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物发光二极管结构，它包括衬底，在衬底上设有缓冲层，在缓冲层上设有n型层和p型层，其特征在于：n型层由从下向上依次叠加的n-GaN、n型层内量子阱层和AlxInyGa(1-x-y)N:Si电子注入层构成，p型层由从下向上依次叠加的p型层内发光阱层和p-AlxInyGa(1-x-y)N构成；在n型层和p型层之间设有主发光阱层；n型层内量子阱层的禁带宽度大于或等于主发光阱层的禁带宽度，p型层内发光阱层的禁带宽度等于或接近主发光阱层的禁带宽度。n型层内量子阱层和p型层内量子阱层具有减缓主发光阱层应力、减缓能带弯曲的作用，同时p型层内发光阱层还能使从主发光阱层溢出的电子在其内复合发光，从而提高内量子效率，达到大幅降低发光二极管的制造成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种族（化学元素周期表中的族元素）的氮化物发光二极管结构，即AlInGaN材料体系的发光二极管结构。
背景技术
随着近年来 
族氮化物发光材料生长与器件制造技术的不断成熟，发光二极管（LED）已经在照明领域变得非常有竞争力。目前，InGaN/GaN基功率型LED已广泛应用于各种特种照明市场，然而在通用照明市场的应用仍相对较少。其中最重要的一个原因是目前LED灯具的成本偏高。从LED本身来看，降低成本的方法有很多，其中一个重要方法就是提高单位芯片面积的工作电流（即电流密度），这样一个芯片可以当多个芯片使用，成本自然会下降。但目前InGaN/GaN基LED芯片在较大电流密度时，随着电流密度的升高，发光效率会明显下降，这就是所谓的发光效率衰退效应（即Droop效应）。
目前对Droop效应的成因众说纷纭，主要有缺陷引起的非辐射复合、俄歇复合、载流子溢出等。载流子溢出（一般指电子溢出量子阱）是一个普遍被大家所接受的导致Droop效应的重要因素，研究者已经从实验以及理论上证明了它对发光效率下降的影响，也不断在研究解决载流子溢出从而减缓Droop效应的方法。载流子溢出是由于量子阱内的应力引起的能带弯曲以及电子与空穴的分布不匹配等因素引起的。因此，要减缓Droop效应，我们必须要通过控制量子阱内的应力，减少能带弯曲，并优化载流子（电子和空穴）在量子阱中的分布来减少载流子溢出的几率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减缓Droop效应、提高内量子效率、降低制造成本的氮化物发光二极管结构。
本发明的目的是这样实现的：
一种氮化物发光二极管结构，包括衬底 101，在衬底 101上设有缓冲层 201，在缓冲层 201上设有n型层300和p型层800，特征是：所述n型层300由从下向上依次叠加的n-GaN 301、n型层内量子阱层400和AlxInyGa(1-x-y)N:Si电子注入层 501构成，其中0≤x≤1, 0≤y≤1，Si掺杂浓度为1×1018─1×1019 cm-3所述p型层800由从下向上依次叠加的p型层内发光阱层700和 p-AlxInyGa(1-x-y)N 801构成，其中0≤x≤1, 0≤y≤1；在n型层300和p型层800之间设有主发光阱层600。
n型层内量子阱层400是由从下向上依次叠加的InxGa(1-x)N量子阱401和AlxInyGa(1-x-y)N势垒402组成的周期结构，周期数为k,其中0≤x≤1, 0≤y≤1, 1≤k≤20。
p型层内发光阱层700是由从下向上依次叠加的p-AlxInyGa(1-x-y)N空穴注入层701、第一AlxInyGa(1-x-y)N杂质扩散阻挡层702、InxGa(1-x)N量子阱703和第二AlxInyGa(1-x-y)N杂质扩散阻挡层704组成的周期结构，周期数为m, 其中0≤x≤1, 0≤y≤1, 1≤m≤10，p-AlxInyGa(1-x-y)N空穴注入层内掺Mg浓度为1×1019─2×1020cm-3。
主发光阱层600由InxGa(1-x)N量子阱601和AlxInyGa(1-x-y)N势垒602组成的周期结构，周期数为n,其中0≤x≤1, 0≤y≤1, 1≤n≤20，
在n型层内量子阱层400中，InxGa(1-x)N量子阱401中的In含量小于或等于主发光阱层600中的InxGa(1-x)N量子阱601中的In含量；在p型层内发光阱层700中，InxGa(1-x)N量子阱703中的In含量与主发光阱层600中的InxGa(1-x)N量子阱601中的In含量相等或相差±10%以内。
n型层内量子阱层400的禁带宽度大于或等于主发光阱层600的禁带宽度，p型层内发光阱层700的禁带宽度等于或接近主发光阱层600的禁带宽度。
所述衬底101为Al2O3、SiC、Si或GaN或其它能够生长GaN单晶的材料中的一种。
本发明所提供氮化物发光二极管结构的最大特点在于：具有三套量子阱周期结构，第一套为位于电子注入层501和空穴注入层701之间的主发光阱层600的量子阱周期结构，第二套为位于p型层800内的p型层内发光阱层700的量子阱周期结构，第三套为位于n型层300内的n型层内量子阱层400的量子阱周期结构。以上三套量子阱周期结构各自作用如下：
(1)主发光阱层600的主要作用是发光，即将电转换为光。
(2) n型层内量子阱层400的主要作用在于：首先，它可以缓冲n-GaN301与主发光阱层600之间的应力，使量子阱所受应力减少，从而减缓量子阱内由于应力带来的能带弯曲，有利于减缓Droop效应；其次，它可以起到电流扩展的作用，使电子在量子阱中分布更加均匀，有利于辐射复合的发生，从而减缓Droop效应。
(3)p型层内发光阱层700主要作用在于：首先，它可以缓冲p-AlxInyGa(1-x-y)N 801与主发光阱层600之间的应力，使主发光量子阱所受应力减少，从而减缓主发光量子阱内由于应力带来的能带弯曲，有利于减缓Droop效应；其次，大电流密度下从主发光阱层600中溢出的电子可以在p型层内发光阱层700内与空穴进行复合发光，提高了大电流密度下的内量子效率，从而减缓Droop效应。
附图说明
图1为本发明的剖面图。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
衬底 101采用硅衬底，缓冲层201为AlN, n型层内量子阱层400为5个周期的InxGa(1-x)N/AlxInyGa(1-x-y)N周期结构；主发光阱层600为1个周期的InxGa(1-x)N/AlxInyGa(1-x-y)N结构；p型层内发光阱层700为1个周期的InxGa(1-x)N/AlxInyGa(1-x-y)N结构。
实施例2：
衬底 101采用Al2O3衬底，缓冲层201为低温GaN, n型层内量子阱层400为1个周期的InxGa(1-x)N/AlxInyGa(1-x-y)N周期结构；主发光阱层600为5个周期的InxGa(1-x)N/AlxInyGa(1-x-y)N结构；p型层内发光阱层700为3个周期的InxGa(1-x)N/AlxInyGa(1-x-y)N结构。
Claims (7)
1.一种氮化物发光二极管结构，包括衬底，在衬底 上设有缓冲层，在缓冲层上设有n型层和p型层，其特征在于：所述n型层由从下向上依次叠加的n-GaN 、n型层内量子阱层和AlxInyGa(1-x-y)N:Si电子注入层构成，其中0≤x≤1, 0≤y≤1，Si掺杂浓度为1×1018─1×1019 cm-3，所述p型层由从下向上依次叠加的p型层内发光阱层和 p-AlxInyGa(1-x-y)N构成，其中0≤x≤1, 0≤y≤1；在n型层和p型层之间设有主发光阱层；所述p型层内发光阱层是由从下向上依次叠加的p-AlxInyGa(1-x-y)N空穴注入层、第一AlxInyGa(1-x-y)N杂质扩散阻挡层、InxGa(1-x)N量子阱和第二AlxInyGa(1-x-y)N杂质扩散阻挡层组成的周期结构，周期数为m, 其中0≤x≤1, 0≤y≤1, 1≤m≤10，p-AlxInyGa(1-x-y)N空穴注入层内掺Mg浓度为1×1019─2×1020cm-3。
2.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管结构，其特征在于：所述n型层内量子阱层是由从下向上依次叠加的InxGa(1-x)N量子阱和AlxInyGa(1-x-y)N势垒组成的周期结构，周期数为k,其中0≤x≤1, 0≤y≤1, 1≤k≤20。
3.根据权利要求1或2所述的氮化物发光二极管结构，其特征在于：所述主发光阱层由InxGa(1-x)N量子阱和AlxInyGa(1-x-y)N势垒组成的周期结构，周期数为n,其中0≤x≤1, 0≤y≤1, 1≤n≤20。
4.根据权利要求3所述的氮化物发光二极管结构，其特征在于：在n型层内量子阱层中，InxGa(1-x)N量子阱中的In含量小于或等于主发光阱层中的InxGa(1-x)N量子阱中的In含量。
5.根据权利要求4所述的氮化物发光二极管结构，其特征在于：在p型层内发光阱层中，InxGa(1-x)N量子阱中的In含量与主发光阱层中的InxGa(1-x)N量子阱中的In含量相等或相差±10%以内。
6.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管结构，其特征在于：n型层内量子阱层的禁带宽度大于或等于主发光阱层的禁带宽度，p型层内发光阱层的禁带宽度等于或接近主发光阱层的禁带宽度。
7.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管结构，其特征在于：所述衬底为Al2O3、SiC、Si或GaN或其它能够生长GaN单晶的材料中的一种。
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