CN103050595A - 氮化物发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有局部掺杂p型限制结构的氮化物发光二极管，包括由氮化物半导体形成的n型层、活性层和p型层，在p型层与活性层之间还设置有p型限制结构，其特征在于：所述p型限制结构为多层结构，其与活性层接触的端部为氮化铝铟镓材料层，所述氮化铝铟镓材料层为局部掺杂，且与活性层的接触面未掺杂。其可提高发光效率并且具有更低的电压与较佳的老化特性。

Description

氮化物发光二极管
技术领域
本发明涉及一种具有p型限制结构的氮化物发光二极管组件，具体的说是一种在活性层与p型层之间形成一局部掺杂p型限制结构的氮化物发光二极管。
背景技术
随着功率型氮化镓基发光二极管的效率不断提升，用氮化镓基发光二极管半导体灯替代现有的照明光源将成为势不可挡的趋势。然而半导体照明要进入千家万户，还有许多问题需要解决，其中最核心的问题包括发光效率和可靠性。
发明内容
本发明提出一种具有局部掺杂p型限制结构的氮化物发光二极管，其可提高发光效率并且具有更低的电压与较佳的老化特性。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：氮化物发光二极管， 包括由氮化物半导体形成的n型层、活性层和p型层，在p型层与活性层之间还设置有p型限制结构，其特征在于：所述p型限制结构为多层结构，其与活性层接触的端部为氮化铝铟镓材料层，所述氮化铝铟镓材料层为局部掺杂，且与活性层的接触面未掺杂。
优选地，所述p型限制结构的厚度为50埃～3000埃，其中与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层的厚度为5埃～150埃。
优选地，所述氮化铝铟镓材料层为局部掺杂Mg，其掺杂浓度大于1×1017cm-3。在本发明的一些实施例中，所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，Mg掺杂的位置为此端部氮化铝铟镓材料层中间处或后半段处。本发明的一些实施例中，所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，Mg掺杂呈高斯分布，其中与活性层的接触面未掺杂。本发明的一些实施例中，所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，所述具有Mg掺杂的氮化铝铟镓材料层厚度小于所述氮化铝铟镓材料层的1/2。
在本发明的一些实施例中，所述P型限制结构还包括：氮化铟镓和第二氮化铝铟镓叠层，其沉积在所述端部氮化铝铟镓材料层上。其中，与活性层接触的端部的第一氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN膜厚为5埃~150埃，0<x<0.3，0≦y<0.3，Mg掺杂为局部掺杂。优选地，第一氮化铝铟镓的厚度为60埃～120埃，0.05≦x≦0.2，0≦y≦0.15，从第一氮化铝铟镓中间处开始均匀掺杂Mg，掺杂厚度为第一氮化铝铟镓膜厚的1/3，掺杂浓度大于5×1018cm-3。氮化铟镓InzGa1-zN膜厚为10埃～800埃，0<z<0.4，优选氮化铟镓膜厚50埃～600埃，0.2≦z≦0.3。第二氮化铝铟镓AlxInyGa1-x-yN膜厚为35埃～2050埃，0<x<0.3，0≦y<0.3，优先选择第二氮化铝铟镓膜厚为100埃～600埃，0.05≦x≦0.2，0≦y≦0.15。
在本发明的p型限制结构中，局部掺杂的第一氮化铝铟镓层Mg掺杂的位置、厚度、数量要求适中，进而阻挡Mg的扩散、增加空穴的有效注入的同时，兼顾氮化物发光二极管组件的发光效率、正向电压与老化特性，因此本发明能够应用于发光效率与老化特性要求更高的用途中。
附图说明
图1是本发明实施方式的氮化物发光二极管组件的模式剖面图。
图2是本发明实施方式1的氮化物发光二极管组件Mg掺杂浓度的示意图。
图3是本发明实施方式2的氮化物发光二极管组件Mg掺杂浓度的示意图。
图4是本发明实施方式3的氮化物发光二极管组件Mg掺杂浓度的示意图。
图5是本发明实施例1的发光输出功率的曲线图。
图6是本发明实施例1的正向电流-正向电压的曲线图。
图7是本发明实施例1的长期老化光衰曲线图。
图8是本发明实施例1的长期老化漏电流曲线图。
图9是本发明实施例2的发光输出功率的曲线图。
图10是本发明实施例2的正向电流-正向电压的曲线图。
图11是本发明实施例2的长期老化光衰曲线图。
图12是本发明实施例2的长期老化漏电流曲线图。
图13是本发明实施例3的发光输出功率的曲线图。
图14是本发明实施例3的正向电流-正向电压的曲线图。
图15是本发明实施例3的长期老化光衰曲线图。
图16是本发明实施例3的长期老化漏电流曲线图。
图中：
100.蓝宝石衬底；
101.缓冲层；
102.n型层；
103.活性层；
104.p型限制结构；
104a.第一氮化铝铟镓；
104b.氮化铟镓；
104c.第二氮化铝铟镓；
105.p型层；
106.p型接触层；
107.p欧姆电极；
108.n欧姆电极；
109.p焊接区(pad)电极。
具体实施方式
下面各实施例公开了一种具有p型限制结构的氮化物发光二极管，其中p型限制结构位于活性层与p型层之间，为多层结构，且与活性层接触的一端为氮化铝铟镓材料层，该氮化铝铟镓材料层局部掺杂，且与活性层的接触面未掺杂。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出本发明一实施方式的氮化物发光二极管组件(LED组件)的结构的模式剖面图,本实施方式的氮化物发光二极管组件具有在蓝宝石衬底100上依次叠层下述各层的结构：
(1)由氮化镓(GaN)、氮化铝（AlN）或氮化镓铝（GaAlN）构成的缓冲层101，其膜厚为200埃～500埃；
(2)由Si掺杂GaN构成的n型层102，其膜厚为20000埃～40000埃间；
(3)以InGaN层作为阱层、GaN层作为势垒层的多量子阱结构的活性层103，其中阱层的膜厚为18埃～30埃，势垒层的膜厚为80埃～200埃；
(4)由掺杂了Mg的氮化铝铟镓(AlInGaN)、氮化铟镓(InGaN)组合构成的局部掺杂p型限制结构104，其膜厚为50埃～3000埃；其掺杂方式可透过MOCVD外延成长法形成；
(5)由氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化镓系之一构成的p型层105与p型接触层106，其中p型层105的膜厚为1000埃～3000埃间，p型接触层106的膜厚为50埃～200埃间。
可按下述方法形成p侧及n侧的电极，由此构成氮化物发光二极管组件。首先，在组件的角部中用刻蚀法从p型接触层106到n型层102的部分除去，使n型层102的一部分露出，在露出的n型层102上形成n欧姆电极108；接着制作作p侧的电极，具体为在p型接触层106的几乎整个面上形成p欧姆电极107、在该p欧姆电极107上的一部分上形成p焊接区(pad)电极109。
本实施方式的氮化物发光二极管组件的特征是由掺杂了Mg的氮化铝铟镓(AlxInyGa1-x-yN)、氮化铟镓(InzGa1-zN)所组合构成的局部掺杂p型限制结构104，由此能够提高氮化物发光二极管的发光效率、降低正向电压与具有极佳的老化特性。
在本实施方式中，局部掺杂p型限制结构104包括：第一氮化铝铟镓层104a、氮化铟镓104b和第二氮化铝铟镓104c。其中，第一氮化铝铟镓层（AlxInyGa1-x-yN，0.05≦x≦0.2，0≦y≦0.15）104a的设计为局部掺杂，厚度可以为5埃～150埃（较佳取值范围为60埃～120埃），直接与活性层103接触的一侧不掺杂，其目的是阻挡Mg原子从高掺Mg的p型氮化铟镓扩散到活性层，且由于其膜厚很薄，因而可以让电洞载子(Hole carrier)穿遂(tunneling)通过，可兼顾氮化物发光二极管组件的发光效率、正向电压与老化特性。在第一氮化铝铟镓层104a中，Mg的掺杂位置、厚度和数量将影响本发明的实施效果，可按下面进行设计：1）Mg掺杂的位置可以为第一氮化铝铟镓材料层中间处或后半段处，均匀掺杂，掺杂浓度大于5×1018cm-3，其较佳的厚度为小于所述氮化铝铟镓材料层的1/2，可取第一氮化铝铟镓膜厚的1/3；2）Mg掺杂的位置还可以是呈高斯分布，与活性层接触的面掺杂浓度最低（小于1×1016cm-3）基本不掺杂，并渐变至高掺杂1×1019cm-3。氮化铟镓104b的设计为高掺Mg的p型氮化铟镓(InzGa1-zN, 0.2≦z≦0.3)，此层强调Mg的掺杂量大于1×1019cm-3，其目的是藉由掺杂高浓度的Mg原子来提供高浓度的电洞载子(Hole carrier)，因而可以提高氮化物发光二极管组件的发光效率，比现有产品增加20%～40%的亮度，并可降低本身的能障高度（Barrier height）进而降低其电阻值，增加其导电性，降低发光二极管的正向电压。
图2~图4是本发明实施方式的氮化物发光二极管组件Mg掺杂浓度的示意图，参考图2~4更有助于对本发明结构的清楚说明。
以下，使用实施例更具体地说明本发明。
实施例1
首先，作为实施例1，针对本发明工艺、传统的工艺(即有无本发明工艺的局部掺杂p型限制结构)，制作2种样品，分别评价其发光输出功率、正向电压与老化特性。其中本实施例的样品中，104a的掺杂位置呈图2所示分布。
 在本实施例中，按表1所示那样设定各半导体层的膜厚。
表1
Figure 710044DEST_PATH_IMAGE001
图5、图6、图7、图8示出了它的评价结果。
如图5所示的本发明实施例1的各样品的发光输出功率的曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在相同正向电流下，其发光输出功率高于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图6所示的本发明实施例1的各样品的正向电流-正向电压的曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在相同正向电流下，其正向电压低于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图7所示的本发明实施例1的各样品的长期老化光衰曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在长时间老化下，其光衰值优于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图8所示的本发明实施例1的各样品的长期老化漏电流曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在长时间老化下，其漏电流值优于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
实施例2
作为实施例2，针对本发明工艺、传统的工艺(即有无本发明工艺的局部掺杂p型限制结构)，制作2种样品，分别评价其发光输出功率、正向电压与老化特性。
在本实施例中，按表2所示那样设定各半导体层的膜厚。
表2
Figure 779500DEST_PATH_IMAGE002
图9、图10、图11、图12示出了它的评价结果。
如图9所示的本发明实施例2的各样品的发光输出功率的曲线图,使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在相同正向电流下，其发光输出功率高于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图10所示的本发明实施例2的各样品的正向电流-正向电压的曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在相同正向电流下，其正向电压低于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图11所示的本发明实施例的各样品的长期老化光衰曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在长时间老化下，其光衰值优于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图12所示的本发明实施例的各样品的长期老化漏电流曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在长时间老化下，其漏电流值优于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
实施例3
作为实施例3，针对本发明工艺、传统的工艺(即有无本发明工艺的局部掺杂p型限制结构)，制作2种样品，分别评价其发光输出功率、正向电压与老化特性。
在本实施例中，按表3所示那样设定各半导体层的膜厚。
表3
Figure 259548DEST_PATH_IMAGE003
图13、图14、图15、图16示出了它的评价结果。
如图13所示的本发明实施例的各样品的发光输出功率的曲线图,使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在相同正向电流下，其发光输出功率高于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图14 所示的本发明实施例的各样品的正向电流-正向电压的曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在相同正向电流下其正向电压低于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图15所示的本发明实施例的各样品的长期老化光衰曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在长时间老化下，其光衰值优于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
如图16所示的本发明实施例的各样品的长期老化漏电流曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在长时间老化下，其漏电流值优于传统工艺的氮化物发光二极管组件样品。
上述各实施例中氮化物发光二极管组件由于上述局部掺杂p型限制结构104内能够提供高浓度的电洞载子(Hole carrier)，因而可以提高氮化物发光二极管组件的发光效率，并且降低了其本身的能障高度（Barrier height），进而降低其电阻值，增加其导电性，降低氮化物发光二极管组件的正向电压；而局部掺杂的第一氮化铝铟镓层Mg掺杂的位置、厚度、浓度要求适中, 既要阻挡Mg的扩散, 而且要增加空穴的有效注入，如此可兼顾氮化物发光二极管组件的发光效率、正向电压与老化特性，因此本发明能够应用于发光效率与老化特性要求更高的用途中。

Claims (10)

1.氮化物发光二极管， 包括由氮化物半导体形成的n型层、活性层和p型层，在p型层与活性层之间还设置有p型限制结构，其特征在于：所述p型限制结构为多层结构，其与活性层接触的端部为氮化铝铟镓材料层，所述氮化铝铟镓材料层局部掺杂，且与活性层的接触面未掺杂。
2.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征是：所述p型限制结构的厚度为50埃～3000埃。
3.根据权利要求2所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层的厚度为5埃～150埃。
4.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铝铟镓材料层为局部掺杂Mg。
5.根据权利要求4所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，Mg掺杂的位置为此端部氮化铝铟镓材料层中间处或后半段处。
6.根据权利要求4所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，Mg掺杂呈高斯分布，其中与活性层的接触面未掺杂。
7.根据权利要求4所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，所述具有Mg掺杂的氮化铝铟镓材料层厚度小于所述氮化铝铟镓材料层的1/2。
8.根据权利要求4所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述与活性层接触的端部氮化铝铟镓材料层中，局部Mg的掺杂浓度大于1×1017cm-3。
9.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述P型限制结构还包括：氮化铟镓和第二氮化铝铟镓叠层，其沉积在所述端部氮化铝铟镓材料层上。
10.根据权利要求9所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述氮化铟镓InzGa1-zN膜厚为10埃～800埃，0<z<0.4。
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