CN103107253A - 一种发光二极管外延结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发光二极管（LED）外延结构，包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括一个或多个基本周期性结构，所述基本周期性结构包括相邻的宽阱和宽垒，所述宽阱包括多个耦合阱，所述多个耦合阱均为窄阱，相邻的耦合阱之间有窄垒以实现电子和空穴的隧穿耦合。本发明采用的宽窄阱复合结构同时实现了俘获大量载流子和辐射复合效率高两种效果，能够显著提高LED的发光效率，而且，通过对载流子隧穿的调制，实现了在单芯片内对多色LED波长和亮度的调节。

Description

一种发光二极管外延结构

技术领域

本发明涉及一种发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）领域，特别涉及一种高内量子效率发光二极管外延结构。

背景技术

以GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。由于外延技术的突破，在上个世纪九十年代期间有快速的发展。在近二十年的时间内，GaN半导体照明已变成全球性研究发展课题，而GaN市场中LED又占了主要份额。

现有的商品化白光LED大都采用GaN基蓝光LED激发黄色荧光粉组合而发出白光的方式。这种方式实现的白光LED存在可靠性差、显色指数低（约为60~80）、流明效率低等弊端。而解决这些问题的关键是制备完全基于半导体发光材料制作无荧光粉白光LED。目前的半导体材料，其禁带宽度已经可以覆盖整个可见光范围，为以完全半导体材料制备白光LED提供了多种选择和可能。

我们目前通常在C面蓝宝石衬底上外延GaN基LED，得到的是c面GaN，Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的空间结构不具有空间中心反演对称，并且Ⅴ族元素的原子和N原子的电负性相差很大，因此沿GaN的<0001>方向具有很强的极性。这一极化效应将产生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空间上分离，这样导致发光波长红移，更严重的后果是电子和空穴波函数交叠变少，材料的发光效率大大降低。

对于四元系LED来说，发展相对成熟很多，但是在量子阱结构方面，仍有很大的发展空间，同样需要对量子阱发光效率进行提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服上述问题，提出一种新量子阱结构的LED外延材料结构，以提高LED发光效率，并可实现集多色发光于单芯片内的LED用材料外延。

为了解决上述问题，本发明提供一种发光二极管（LED）外延结构，包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括一个或多个基本周期性结构，所述基本周期性结构包括相邻的宽阱和宽垒，所述宽阱包括多个耦合阱，所述多个耦合阱均为窄阱，相邻的耦合阱之间有窄垒以实现电子和空穴的隧穿耦合。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述多个耦合阱为2~5个耦合阱。

优选地，本发明还可具有以下特点：

当所述多个耦合阱为2个耦合阱时，所述2个耦合阱的阱宽不同，和/或，所述2个耦合阱的合金材料组分不同；

当所述多个耦合阱为3~5个耦合阱时，所述多个耦合阱的阱宽相同或不同，所述多个耦合阱的合金材料组分相同或不同，多个窄垒的垒宽相同或不同，多个窄垒的合金材料组分相同或不同；

所述宽垒具有相同的垒宽和合金材料组分，所述宽阱具有相同的周期性结构。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述多量子阱有源层还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述LED外延结构为GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构还包括衬底、成核层、不掺杂的氮化物缓冲层、N型电子注入层和P型空穴注入层；所述多量子阱有源层位于所述N型电子注入层和所述P型空穴注入层之间。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述宽垒和窄垒的材料为In_xGa_1-xN，所述多个耦合阱的材料为In_yGa_1-yN；其中，0≤x≤0.05,0<y<0.25，x<y；

所述宽垒的垒宽为10nm~30nm，所述窄垒的垒宽为1.5nm~8nm，所述耦合阱的阱宽为1nm~4nm。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述多量子阱结构有源层包括1~20个所述基本周期性结构。

优选地，本发明还可具有以下特点：所述LED外延结构为四元系AlGaInP基LED外延结构，所述四元系AlGaInP基LED外延结构还包括衬底、GaAs缓冲层、分布式布拉格反射层、N型电子注入层、P型空穴注入层和窗口层；所述多量子阱有源层位于所述N型电子注入层和所述P型空穴注入层之间。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述宽垒的材料为（Al_xGa_1-x）_1-yIn_yP，所述窄垒的材料为（Al_x1Ga_1-x1）_1-y1In_y1P，所述多个耦合阱的材料为（Al_x2Ga_1-x2）_1-y2In_y2P，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0.5≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6，0≤x2≤0.4，0.4≤y2≤0.6；

所述宽垒的垒宽为7nm~30nm，所述窄垒的垒宽为1nm~4nm，所述多个耦合阱的阱宽为3nm~10nm。

优选地，本发明还可具有以下特点：

所述多量子阱结构有源层包括5~40个所述基本周期性结构。

本发明采用调控量子阱结构和量子阱有源区结构结合，通过能带工程，在量子阱有源区增大了电子和空穴波函数的交叠，并且由于调控量子阱区的电子隧穿进入有源区量子阱，提高了电子浓度，进一步提高了LED的内量子发光效率。此外，本发明采用调控量子阱结构，可以通过精确控制耦合量子阱中每个窄阱和窄阱的合金组分、宽度，完成了对载流子耦合隧穿作用的调控，实现了在单芯片内对多色发光二极管波长和亮度的调节。

附图说明

图1为本发明实施例的多量子阱有源层的宽窄阱复合结构示意图；

图2为本发明实施例的氮化物LED外延材料结构的剖面图；

图3为本发明实施例的四元系InGaAlP LED外延材料结构的剖面图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

现在的LED通常采用单一量子阱宽设计，或者宽阱，或者窄阱。窄阱的电子－空穴复合能力大于宽阱，但窄阱对载流子的俘获能力小于宽阱。另外，蓝、绿光GaN基LED与红黄光InGaAlP四元系LED相比，还各自有其特殊性。

对于蓝、绿光GaN基LED而言，目前通常在C面蓝宝石衬底上外延GaN基LED,得到的是c面GaN,Ⅴ族元素的原子和N原子的电负性相差很大,因此沿GaN的<0001>方向具有很强的极性。这一极化效应将在InGaN量子阱中产生强度较高的内建电场，使正负载流子在空间上分离，导致发光波长红移，电子和空穴波函数交叠变少，材料的发光效率大大降低，阱越宽问题越严重。

窄阱的电子－空穴波函数交叠大于宽阱，复合效率高，但窄阱对载流子的俘获能力小于宽阱。本发明将宽阱和窄阱两者优势结合起来，通过复合式宽窄阱结构，同时具备载流子俘获效率高的InGaN宽阱和复合效率高的InGaN窄阱。由于宽阱中间有一个很窄的垒，载流子可以在窄垒两侧比较自由的隧穿，实现了宽阱的优势；同时宽阱中间增加的很窄的垒，可以起到势垒层的作用，将量子阱的能级提高，起到对载流子的限制作用，增大复合几率。因此，宽窄阱复合结构同时实现了俘获大量载流子和辐射复合效率高两种效果。

对于InGaAlP四元系LED而言，没有极化效应的困扰，但是为了调控波长，通常在量子阱InGaAlP材料中具有一定的Al组分，尤其对具有中短波长的黄光、黄绿光外延材料而言，量子阱中Al组分比较高。Al是活性较高的元素，容易和氧等结合，产生大量深能级中心，降低辐射复合效率。因此，在LED量子阱结构中，需要尽量降低Al组分。对于窄阱而言，由于量子效应，能级提高，可以部分降低Al组分，提高载流子辐射复合效率。但是窄阱对载流子的限制作用小，对载流子俘获效率低。同样的，这里的宽窄阱复合结构同时实现了俘获大量载流子和辐射复合效率高两种效果。

另外，量子阱采用不同的合金材料组分和阱宽会产生不同颜色的光，本发明中，通过2种或2种以上颜色叠加的方式，可产生普通LED无法产生的彩色光以及白光。

本发明提供了一种采用复合量子阱结构来增强有源区载流子的隧穿作用，增加电子和空穴波函数的空间交叠，减弱有源区极化效应的高内量子效率单色或多色发光二极管芯片用外延材料。

本发明实施例的LED外延结构，包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括一个或多个基本周期性结构，所述基本周期性结构包括相邻的宽阱和宽垒，所述宽阱包括多个耦合阱，所述多个耦合阱均为窄阱，相邻的耦合阱之间有窄垒以实现电子和空穴的隧穿耦合。

在本发明中，所述多量子阱结构有源层中的基本周期性结构为复合式宽窄阱结构，即在常规的单一宽垒宽阱结构中增加一个或多个窄垒，将宽阱变为窄阱相连的多个窄阱，如图1所示。

其中，多个耦合阱通常为2~5个耦合阱。

多个耦合阱的阱宽（厚度）可以相同或不同，所述多个耦合阱的合金材料组分可以相同或不同。

多个窄垒的垒宽（厚度）可以相同或不同，多个窄垒的合金材料组分可以相同或不同。

宽垒具有相同的垒宽（厚度）和合金材料组分，宽阱具有相同的周期性结构。

另外，所述多量子阱有源层还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

基本多量子阱结构/基本超晶格结构可位于所述基本周期性结构之上或之下。

其中，基本多量子阱结构、基本超晶格结构是指普通LED采用的具有周期性的单一的阱和垒的结构。

本发明中，可通过多个耦合阱的阱宽不同/耦合阱的合金材料组分不同；多个窄垒的垒宽不同/多个窄垒的合金材料组分不同；以及所述基本周期性结构和基本多量子阱结构、基本超晶格结构组合的方式，产生多色光以及白光。

其中，可以有很多方式产生白光，比如，蓝光（波长460nm）、绿光(波长537nm)、红光（波长608nm）按照强度1:1:1的比例就可以形成白光；又比如蓝光（波长450nm）、黄绿光（570nm）按照强度1∶1的比例混合液可以形成白光，等等。

这样，LED就可以直接产生白光，无需使用蓝光LED激发黄色荧光粉的形式。

实施例一

所述LED外延结构为GaN基LED外延结构，如图2所示，该GaN基LED外延材料结构包括衬底1、在所述衬底上依次形成的成核层2、不掺杂的氮化物缓冲层3、N型电子注入层4、多量子阱有源层5、以及P型空穴注入层6。

其中，衬底1包括但不限于Si衬底，SiC衬底，蓝宝石衬底。

可选的，所述成核层2的材料为GaN或Al_xGa_1-xN(0≤x≤0.2)组成，或两者的组合。

可选的，所述不掺杂的氮化物缓冲层3的材料为GaN、Al_xGa_1-xN、In_xGa_1-xN中的一种或多种，0≤x≤0.2。

可选的，所述N型电子注入层4的材料为N型掺杂的GaN、Al_xGa_1-xN、In_xGa_1-xN中的一种或多种，0≤x≤0.2。

该GaN基LED外延结构，其中的多量子阱结构有源层5中基本周期性结构为复合式宽窄阱结构，即在常规的单一宽垒宽阱结构中增加一个或多个窄垒，将宽阱变为1个或多个窄垒相连的多个窄阱。

多个耦合阱的阱宽（厚度）可以相同或不同，所述多个耦合阱的合金材料组分可以相同或不同。

多个窄垒的垒宽（厚度）可以相同或不同，多个窄垒的合金材料组分可以相同或不同。

宽垒具有相同的垒宽和合金材料组分，宽阱具有相同的周期性结构。

另外，所述多量子阱有源层还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

可选的，该GaN基LED外延结构，所述宽垒和窄垒的材料为In_xGa_1-xN，所述多个耦合阱的材料为In_yGa_1-yN；其中，0≤x≤0.05，0<y<0.25,x<y。

可选的，该GaN基LED复合式宽窄阱结构中，宽垒的垒宽为10nm~30nm，所述窄垒的垒宽为1.5nm~8nm，所述耦合阱的阱宽为1nm~4nm。

可选的，该GaN基LED外延结构，其中的多量子阱结构有源层可由1~20个所述基本周期性结构组成。

可选的，该GaN基LED外延结构，所述多量子阱有源层5还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

可选的，所述P型空穴注入层6的材料是P型掺杂的GaN、Al_xGa_1-xN、In_xGa_1-xN中的一种或多种，0≤x≤0.2。

下面表格的形式，以两个应用实例进一步说明具体结构参数：

实施例二

所述LED外延结构为四元系AlGaInP基LED。如图3所示，该四元系AlGaInP基LED外延结构包括衬底P1、在所述衬底上依次形成的GaAs缓冲层P2、分布式布拉格反射层P3、N型电子注入层P4、多量子阱有源层P5、P型空穴注入层P6、以及窗口层P7。

可选的，衬底P1为厚100-300微米的N型GaAs衬底。

可选的，衬底P1上的N型GaAs缓冲层P2，其掺杂浓度为5E17~5E19cm^-3，厚度为0.1~0.5微米。

可选的，分布式布拉格反射层P3为N型掺杂的Al_xGa_1-xAs/Al_yGa_1-yAs,其中，0.5≤x≤1，0.3≤y≤0.7，或为（Al_xGa_1-x）_0.5In_0.5P/（Al_x1Ga_1-x1）_0.5In_0.5P其中，0.5≤x≤1，0≤x1≤0.6，x>x1,或上述两者的不同周期性组合，

可选的，淀积于分布式布拉格反射层P3上的N型电子注入层P4，该层由0.1~2微米厚的N型（Al_xGa_1-x）_0.5In_0.5P构成，其中0.5≤x≤1，掺杂浓度为5E17~5E20cm^-3。

N型电子注入层P4上的多量子阱结构有源层P5中基本周期性结构为复合式宽窄阱结构，即在常规的单一宽垒宽阱结构中增加一个或多个窄垒，将宽阱变为窄阱相连的多个窄阱。

多个耦合阱的阱宽（厚度）可以相同或不同，所述多个耦合阱的合金材料组分可以相同或不同。

多个窄垒的垒宽（厚度）可以相同或不同，多个窄垒的合金材料组分可以相同或不同。

宽垒具有相同的垒宽和合金材料组分，宽阱具有相同的周期性结构。

另外，所述多量子阱有源层还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

可选的，该四元系AlGaInP基LED，所述宽垒的材料为（Al_xGa_1-x）_1-yIn_yP，所述窄垒的材料为（Al_x1Ga_1-x1）_1-y1In_y1P，所述多个耦合阱的材料为（Al_x2Ga_1-x2）_1-y2In_y2P，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0.5≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6,0≤x2≤0.4，0.4≤y2≤0.6。

可选的，该四元系AlGaInP基LED复合式宽窄阱结构中，宽垒的垒宽为7nm~30nm，所述窄垒的垒宽为1nm~4nm，所述多个耦合阱的阱宽为3nm~10nm。

可选的，该四元系AlGaInP基LED外延结构，其中的多量子阱结构有源层可由5-40个所述基本周期性结构组成。

可选的，该四元系AlGaInP基LED，多量子阱结构有源层P5之上为0.5~1.5微米厚的P型空穴注入层P6，该层由P型（Al_xGa_1-x）_0.5In_0.5P构成，其中0.5≤x≤1，掺杂浓度为1E17~3E18cm^-3。

可选的，该四元系AlGaInP基LED外延材料结构，P型空穴注入层P6之上为小于50微米的窗口层P7，该层由P型In_xGa_1-xP构成，其中0≤x≤0.1，掺杂浓度为5E17~5E20cm^-3。

下面表格的形式，以应用实例3进一步说明具体结构参数：

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种发光二极管（LED）外延结构，其特征在于，包括多量子阱有源层，所述多量子阱有源层包括一个或多个基本周期性结构，所述基本周期性结构包括相邻的宽阱和宽垒，所述宽阱包括多个耦合阱，所述多个耦合阱均为窄阱，相邻的耦合阱之间有窄垒以实现电子和空穴的隧穿耦合。

2.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，

所述多个耦合阱为2~5个耦合阱。

3.如权利要求2所述的LED外延结构，其特征在于，

当所述多个耦合阱为2个耦合阱时，所述2个耦合阱的阱宽不同，和/或，所述2个耦合阱的合金材料组分不同；

当所述多个耦合阱为3~5个耦合阱时，所述多个耦合阱的阱宽相同或不同，所述多个耦合阱的合金材料组分相同或不同，多个窄垒的垒宽相同或不同，多个窄垒的合金材料组分相同或不同；

所述宽垒具有相同的垒宽和合金材料组分，所述宽阱具有相同的周期性结构。

4.如权利要求1所述的LED外延结构，其特征在于，

所述多量子阱有源层还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的LED外延结构，其特征在于，

所述LED外延结构为GaN基LED外延结构，所述GaN基LED外延结构还包括衬底、成核层、不掺杂的氮化物缓冲层、N型电子注入层和P型空穴注入层；所述多量子阱有源层位于所述N型电子注入层和所述P型空穴注入层之间。

6.如权利要求5所述LED的外延结构，其特征在于：

所述宽垒和窄垒的材料为In_xGa_1-xN，所述多个耦合阱的材料为In_yGa_1-yN；其中，0≤x≤0.05,0<y＜0.25，x<y；

所述宽垒的垒宽为10nm~30nm，所述窄垒的垒宽为1.5nm~8nm，所述耦合阱的阱宽为1nm~4nm。

7.如权利要求5或6中所述的LED外延材料结构，其特征在于，

所述多量子阱结构有源层包括1~20个所述基本周期性结构。

8.如权利要求1～4中任意一项所述的LED外延材料结构，其特征在于：

所述LED外延结构为四元系AlGaInP基LED外延结构，所述四元系AlGaInP基LED外延结构还包括衬底、GaAs缓冲层、分布式布拉格反射层、N型电子注入层、P型空穴注入层和窗口层；所述多量子阱有源层位于所述N型电子注入层和所述P型空穴注入层之间。

9.如权利要求8所述的LED外延材料结构，其特征在于：

所述宽垒的材料为（Al_xGa_1-x）_1-yIn_yP，所述窄垒的材料为（Al_x1Ga_1-x1）_1-y1In_y1P，所述多个耦合阱的材料为（Al_x2Ga_1-x2）_1-y2In_y2P，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0.5≤x1≤1，0.4≤y1≤0.6，0≤x2≤0.4，0.4≤y2≤0.6；

所述宽垒的垒宽为7nm~30nm，所述窄垒的垒宽为1nm~4nm，所述多个耦合阱的阱宽为3nm~10nm。

10.如权利要求8或9所述的LED外延材料结构，其特征在于，

所述多量子阱结构有源层包括5~40个所述基本周期性结构。

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