CN103094441A - 一种GaN基LED结构及提高其光电转换效率的方法 - Google Patents

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靳彩霞
董志江
艾常涛
李鸿建
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Abstract

本发明涉及光电器件领域，特别是一种GaN基LED结构，从上至下依次包括p电极、透明电极、p型GaN层、多量子阱有源区、n型GaN层、在n型GaN层上刻蚀的n电极、第一u型GaN层和衬底，并且在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入第二u型GaN层或者插入由u型AlxGa1-xN层与低掺杂n型GaN交替生长形成的超晶格层，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1。对应地，本发明还给出了一种提高GaN基LED结构光电转换效率的方法。本发明消除或减小了GaN基LED结构横向的电阻差异，使电流得到了扩展，正向电压得到降低，反向电流减小，发光区域增大，因此提高了LED的光电转换效率。

Description

一种GaN基LED结构及提高其光电转换效率的方法
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，特别是涉及一种GaN基LED结构及提高其光电转换效率的方法。
背景技术
现有的GaN基LED结构如图1所示，从下至上包括以下几个部分：在衬底上生长非掺杂的u型GaN层、n型掺杂n型GaN、在n型GaN上刻蚀出来的n电极、多量子阱有源区（Multi-Quantum Wells,MQW）、p型掺杂的p型GaN、透明电极ITO和p电极。
在上述结构中，电流分布严重不均匀。如图1所示的箭头所示，每一根电场线可以看成一个串联电阻，这样LED的剖面图可以看成许多串联电阻的并联电路，在同一外加电压下，电阻越小，电流就越大，越靠近n电极电阻越小，结果在n型GaN层平面上越靠近n电极电流密度越大，越远离n电极电流密度越小，在多量子阱有源区MQW中，远离n电极区域因电子供给不足而不能充分发光，这样一颗LED有较大部分不能充分利用，其光电转换效率大大降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GaN基LED结构及提高其光电转换效率的方法，用于解决现有GaN基LED结构的光电转换效率低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种GaN基LED结构，从上至下依次包括p电极、透明电极、p型GaN层、多量子阱有源区、n型GaN层、在n型GaN层上刻蚀的n电极、第一u型GaN层和衬底，且在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入第二u型GaN层，或者在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第二u型GaN层或所述超晶格层的厚度为100nm-300nm。
进一步，所述第二u型GaN层或所述u型AlxGa1-xN层的硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，所述低掺杂n型GaN层的硅掺杂浓度小于1×1018cm-3。
进一步，所述的GaN基LED结构通过MOCVD（Metal-organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化学气相沉积）或MBE（Molecular BeamEpitaxy，分子束外延）系统依次逐层生长。
对应上述GaN基LED结构，本发明的技术方案还给出了一种提高GaN基LED结构光电转换效率的方法，包括：
步骤1，构建传统的GaN基LED结构：从上至下依次包括p电极、透明电极、p型GaN层、多量子阱有源区、n型GaN层、在n型GaN层上刻蚀的n电极、第一u型GaN层和衬底；
步骤2，对步骤1构建的GaN基LED结构进行改进：在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入第二u型GaN层，或者在所述多量子阱有源区和所述N型GaN层之间插入由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1；
步骤3，采用MOCVD技术或MBE技术依次逐层生长步骤2中构建的GaN基LED结构。
对于上述一种提高GaN基LED结构光电转换效率的方法的技术方案，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述第二u型GaN层或所述超晶格层的厚度为100nm-300nm。
进一步，所述第二u型GaN层或所述u型AlxGa1-xN层的硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，所述低掺杂n型GaN层的硅掺杂浓度小于1×1018cm-3。
本发明的有益效果是：本发明在传统GaN基LED结构中，在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入第二u型GaN层或者由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，其主要有以下几个方面的优点：
一、使得横向的电阻差异变小，有扩展电流的作用，从而降低了GaN基LED结构的正向电压；
二、使得沿电场线方向的电阻增大，从而可减小GaN基LED结构的反向电流；
三、由于电流得到了扩展，正向电压得到降低，反向电流减小，发光区域增大，因此提高了LED的光电转换效率。
附图说明
图1为传统GaN基LED结构的示意图；
图2为本发明实施例一的第一种GaN基LED结构的示意图；
图3为本发明实施例一的第二种GaN基LED结构的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、p电极，2、透明电极，3、p型GaN层，4、多量子阱有源区，5、n电极，6、n型GaN层，7、第一u型GaN层，8、衬底，9、第二u型GaN层，10、超晶格层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图2所示，本实施例给出了一种GaN基LED结构，从上至下依次包括p电极1、透明电极2、p型GaN层3、多量子阱有源区4、n型GaN层5、n电极6、第一u型GaN层7和衬底8，且在所述多量子阱有源区4和所述n型GaN层5中插入第二u型GaN层9。
如图3所示，本实施例还有另外一种改进，即在所述多量子阱有源区4和所述n型GaN层5中插入超晶格层10，且所述超晶格层10是由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层10，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1。
在本实施例中，透明电极可采用铟锡氧化物透明电极。
对应上述GaN基LED结构，本实施例还给出了一种提高GaN基LED结构光电转换效率的方法，包括：
步骤1，构建传统的GaN基LED结构：从上至下依次包括p电极、透明电极、p型GaN层、多量子阱有源区、n型GaN层、在n型GaN层上刻蚀的n电极、第一u型GaN层和衬底；
步骤2，对步骤1构建的GaN基LED结构进行改进：在所述多量子阱有源区和所述N型GaN层之间插入第二u型GaN层或者插入由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1；
步骤3，采用MOCVD技术或MBE技术依次逐层生长步骤2中构建的GaN基LED结构。
对于上述的LED结构及相应方法，其中，所述第二u型GaN层或所述超晶格层的厚度为100nm-300nm，所述第二u型GaN层或所述u型AlxGa1-xN层的硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，所述低掺杂n型GaN层的硅掺杂浓度小于1×1018cm-3。
本实施例的工作原理如下所述：
如图2和图3中的虚线箭头所示，在现有结构中的n型GaN层与多量子阱缓冲区MQW之间插入一个u型GaN层或者插入由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，相当于沿电场线方向增加了一个电阻较大的串联电阻，使得沿电场线方向串联电阻的差值变小，这样电流密度分布严重不均匀的缺点得到消除或改善。另外，在多量子阱有源区MQW中，远离N电极区域电子供给更加充分，这样一颗LED的光电转换效率大大提高。
同时，本领域人员易知，电压与电流的关系为：
V=I×R
其中，V为电压，I为电流，R为电阻。在本实施例的LED结构中电阻R虽然增大，但电流密度I分布均匀，即平均电流I较小，正向电压V不会上升，反而下降。并且，由于增大了电阻，反向电流也会比传统结构的更小。因此，可证明上述理论分析的正确性。
综上所述，本实施例所述的两种LED结构使得横向的电阻差异变小，有扩展电流的作用，从而降低了GaN基LED正向电压；同时，使得沿电场线方向的电阻增大，从而可减小GaN基LED反向电流。因此，由于电流得到了扩展，正向电压得到降低，反向电流减小，发光区域增大，所述能提高LED的光电转换效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种GaN基LED结构，从上至下依次包括p电极、透明电极、p型GaN层、多量子阱有源区、n型GaN层、在n型GaN层上刻蚀的n电极、第一u型GaN层和衬底，其特征在于，在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入第二u型GaN层，或者插入由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED结构，其特征在于，所述第二u型GaN层或所述超晶格层的厚度为100nm-300nm。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED结构，其特征在于，所述第二u型GaN层或所述u型AlxGa1-xN层的硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，所述低掺杂n型GaN层的硅掺杂浓度小于1×1018cm-3。
4.根据权利要求1至3中任一所述的GaN基LED结构，其特征在于，所述的GaN基LED结构通过金属有机化学气相沉积或分子束外延系统依次逐层生长。
5.一种提高GaN基LED结构光电转换效率的方法，其特征在于，包括：
步骤1，构建传统的GaN基LED结构：从上至下依次包括p电极、透明电极、p型GaN层、多量子阱有源区、n型GaN层、在n型GaN层上刻蚀的n电极、第一u型GaN层和衬底；
步骤2，对步骤1构建的GaN基LED结构进行改进：在所述多量子阱有源区和所述n型GaN层之间插入第二u型GaN层，或者插入由u型AlxGa1-xN层和低掺杂n型GaN层交替生长形成的超晶格层，其中x表示AlxGa1-xN中铝的成分，且x的取值范围为0≤x≤1。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的第二u型GaN层或所述超晶格层的厚度为100nm-300nm。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2中第二u型GaN层或所述u型AlxGa1-xN层的硅掺杂浓度小于5×1017cm-3，所述低掺杂n型GaN层的硅掺杂浓度小于1×1018cm-3。
8.根据权利要求5至7中任一所述的方法，其特征在于，所述提高GaN基LED结构光电转换效率的方法还包括：
步骤3，采用金属化学有机物气相沉积技术或分子束外延技术依次逐层生长步骤2中构建的GaN基LED结构。
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