CN103367581A - 一种具有电子阻挡层结构的发光二极管 - Google Patents

一种具有电子阻挡层结构的发光二极管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，本发明利用四元氮化物InxAlyGa1-x-yN的禁带宽度和晶格常数可以独立调节的特性，通过调节p-InxAlyGa1-x-yN中的In和Al组分来达到与二元氮化物或三元氮化物、InGaN/GaN多量子阱中的GaN以及p型GaN外延层中的GaN之间的晶格匹配，获得较高的能带间隙值以及能带偏移率，有效降低电子漏过率，又提高空穴的注入效率，从而可极大地提高LED器件的发光效率和ESD良率。

Description

一种具有电子阻挡层结构的发光二极管
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种具有电子阻挡层结构的发光二极管。
背景技术
LED是目前半导体照明领域应用最为广泛的器件，其高效、节能、环保和寿命长、低功耗等优点，使其在动态显示、工业照明领域有非常好的应用前景。
随着外延生长技术的不断提高，氮化镓基LED的光电性能得到了明显的改善。为了实现高性能的LED器件，需要进一步提高LED的ESD良率和发光效率。研究者已经在实验上（Yun Yan Zhang and Yi An Yin,“Performance enhancement of blue light-emittingdiodes with a special designed AlGaN/GaN superlattice electron-blocking layer”,Appl.Phys.Lett.85,221103(2011)，Gong Chang-Chun,Fan Guang-Han,Zhang Yun-Yan,Xu Yi-Qin,Liu Xiao-Ping,Zheng Shu-Wen,Yao Guang-Rui,and Zhou De-Tao“The inuence ofAlGaN/GaN superlattices as electron blocking layers on the performance of blue InGaNlight-emitting diodes”.Chin.Phys.B Vol.21,No.6(2012).）验证了用p型超晶格结构取代氮化镓基LED中的单层p-AlGaN电子阻挡层来提高LED的光电性能。一方面，超晶格结构中异质结界面可以减少晶体生长过程中的刃型位错从而提高晶体质量。另一方面，p型超晶格层中的极化效应会产生二维空穴气来增大电子空穴的复合发光效率(HidekiHirayama,Sachie Fujikawa,Norimichi Noguchi,Jun Norimatsu,Takayoshi Takano,KenjiTsubaki,and Norihiko Kamata,“222–282nm AlGaN and InAlGaN-based deep-UV LEDsfabricated on high-quality AlN on sapphire”,P hys.Status Solidi A206,No.6,1176–1182(2009).)。
随着注入电流的加大，有源区内载流子密度过高而导致载流子在辐射复合之前泄漏，这点被认为是引起大注入电流下效率骤降问题的重要原因（POPE I A,SMOWT ONP M,BLOOD P,et al.Carrier leakage in InGaN quantum w ell light-emitting diodesemitting[J].Appl Phys Let t,2003,82(17):2755-2757.）。为了解决这一问题,人们提出很多新结构,如p型多量子阱和npn型有源区、阱保护层、电子驻留层、AlInGaN/InGaN多量子阱及InGaN/GaN双异质结LED（GARDNER N F,MLLE R G O,SH EN Y C,et al.Blue emitting InGaN-GaN double-hetero structure light-emitting diodes reaching maximumquantum efficiency above200A/cm2[J].Appl Phys Let t,2007,91(24):243506-243508.）。人们还在InGaN/GaN LEDs结构中引入多重量子势垒阻挡层（LEES N,CHO SY,RYU H Y,et al.High-power GaN based blue-violet laser diodes with AlGaN/GaN multiquantumbarriers[J].Appl Phy s Lett,2006,88(11):111101-111103.）,置于有源区与p型层中间,代替通常的电子阻挡层,以进一步提高阻挡电子泄漏的效果。
在利用p型超晶格结构取代p-AlGaN作为电子阻挡层的研究中，超晶格结构一般选择p-AlGaN/GaN或者p-InGaN/AlGaN。
但是现有技术无法令人满意地解决以下技术问题：a）p型电子阻挡层对电子阻挡效果越明显，空穴注入效率下降就越大，即电子阻挡效率越高，空穴注入效率越低；b）LED器件的载流子复合效率与发光效率依然较低；c）电子阻挡层与p型GaN，InGaN/GaN量子阱之间的晶格失配较大。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有新型电子阻挡层结构的发光二极管，既能够解决现有LED电子泄漏的问题，又能提高空穴注入效率，解决复合发光效率低下的问题，同时也解决电子阻挡层与p型GaN，InGaN/GaN量子阱之间的晶格失配较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底、缓冲层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层、p型超晶格结构的电子阻挡层、p型GaN外延层和透明导电层，所述透明导电层的顶面上设置有p型电极，所述n型GaN外延层刻蚀出阶梯台面，所述阶梯台面的延伸与InGaN/GaN多量子阱的有源发光层的底面连接，所述阶梯台面上设置有n型电极，所述透明导电层的顶面上还覆盖有钝化层，所述钝化层通过一个侧边延伸至n型GaN外延层的阶梯上；所述p型超晶格结构是由四元氮化物层与氮化物层交替叠加构成若干超晶格结构周期，所述四元氮化物层的材料为四元氮化物p-InxAlyGazN，所述氮化物层的材料为AlN，GaN，InN中的任意一种二元氮化物或者AlGaN，InAlN，InGaN中的任意一种三元氮化物，其中0<x≤1，0<y≤1,0<z≤1。
所述p型超晶格结构周期数范围为1-20，每个周期的厚度为5nm-20nm；所述p型超晶格结构的掺杂剂为Mg，四元氮化物层的材料为p-InAlGaN。
本发明的一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，该二极管的电子阻挡层为p型超晶格结构，p型超晶格结构生长于InGaN/GaN量子阱上，一般情况下InGaN/GaN量子阱以GaN层结束，所述p型超晶格结构是由四元氮化物层与氮化物层交替叠加构成，所述四元氮化物层的材料为四元氮化物p-InxAlyGa1-x-yN，所述氮化物层的材料为AlN，GaN，InN中的任意一种二元氮化物或者AlGaN，InAlN，InGaN中的任意一种三元氮化物，所以一般的叠加顺序为先四元氮化物层后氮化物层，其中四元氮化物InxAlyGa1-x-yN的禁带宽度和晶格常数可以独立调节，也就是说可以采用调节p-InxAlyGa1-x-yN中的In和Al组分来达到与二元氮化物或三元氮化物、InGaN/GaN多量子阱中的GaN以及p型GaN外延层中的GaN之间的晶格匹配，获得希望的能带间隙值和能带偏移率，从而能有效的降低电子漏过率，提高空穴的注入率，进一步提高了LED的ESD良率和发光效率。
有益效果：本发明利用四元氮化物InxAlyGa1-x-yN的禁带宽度和晶格常数可以独立调节的特性，通过调节p-InxAlyGa1-x-yN中的In和Al组分来达到与二元氮化物或三元氮化物、InGaN/GaN多量子阱中的GaN以及p型GaN外延层中的GaN之间的晶格匹配，获得较高的能带间隙值以及能带偏移率，有效降低电子漏过率，又提高空穴的注入效率，从而可极大地提高LED器件的发光效率和ESD良率。
附图说明
图1为具p-InAlGaN/GaN电子阻挡层结构的LED的侧视图。
图2为现有技术制备的带有普通电子阻挡层结构的LED的侧视图。
图3为常见的p-AlGaN电子阻挡层能带偏移示意图。
图4为p-InAlGaN/GaN电子阻挡层能带偏移示意图。
图5为p-InAlGaN/GaN电子阻挡层制作的LED器件能带示意图。
图6为使用常见的p-AlGaN电子阻挡层与使用p-InAlGaN/GaN电子阻挡层制作的LED器件的输出功率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示：一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，包括从下至上依次设置的衬底101、缓冲层102、n型GaN外延层103、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层105、p-InAlGaN/GaN电子阻挡层、p型GaN外延层107和透明导电层108，所述透明导电层108的顶面上设置有p型电极110，所述n型GaN外延层103刻蚀出阶梯状台面，所述阶梯台面的延伸与InGaN/GaN多量子阱的有源发光层105的底面连接，所述阶梯台面上设置有n型电极104，所述透明导电层108的顶面上还覆盖有钝化层109，所述钝化层109通过一个侧边延伸至n型GaN外延层103的阶梯上。
所述p-InAlGaN/GaN的掺杂剂为Mg，所述p-InAlGaN/GaN是由四元氮化物层与氮化物层交替叠加构成若干超晶格结构周期，所述四元氮化物层的材料为四元氮化物InAlGaN，所述氮化物层的材料为GaN。所述p-InAlGaN/GaN周期数范围为1-20，每个周期的厚度为5nm-20nm。
如图2所示：为现有技术制备的带有普通电子阻挡层结构的LED的侧视图。其构成要素包括：从下至上依次设置的衬底201、缓冲层202、n型GaN外延层203、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层205、p-AlGaN电子阻挡层206、p型GaN外延层207和透明导电层208，所述透明导电层208的顶面上设置有p型电极210，所述n型GaN外延层203刻蚀出阶梯状台面，所述阶梯台面的延伸与与InGaN/GaN多量子阱的有源发光层205的底面连接，所述阶梯台面上设置有n型电极204，所述透明导电层208的顶面上还覆盖有钝化层209，所述钝化层209通过一个侧边延伸至n型GaN外延层203的阶梯上。
在相邻两个不同的半导体材料的接触面上，由于能带间隙值的不同，造成的接触面能带不连续的差值叫做能带偏移（band offset）。能带偏移在双异质结接触面上扮演者不可或缺的角色，能带偏移可以用来判断半导体结构对载流子的局限能力。具体又可以分为导带偏移（conduction band offset）和价带偏移（valence band offset），并且将导带偏移和价带偏移的比值称为能带偏移率（band offset ratio）。
如图3所示：为常见的p-AlGaN电子阻挡层能带偏移示意图，其中ΔEC与ΔEV分別代表导带偏移和价带偏移，EA和EB分别为不同材料的能带间隙值。图4为p-InAlGaN/GaN电子阻挡层能带偏移示意图，相比较于p-AlGaN电子阻挡层，p-InAlGaN/Ga N电子阻挡层的导带偏移比较大，因此在阻挡电子向p型区域泄漏时效果会更明显，从而提高器件的抗静电能力或ESD良率；同时价带偏移率较小，有利于空穴注入，从而提高载流子的复合效率，使器件的发光效率大幅提高。
使用加拿大crosslight公司的APSYS(Advanced Physical Models of SemiconductorDevices)软件对本发明提供的电子阻挡层结构进行仿真模拟，结果显示p-InAlGaN/GaN超晶格电子阻挡层导带偏移率（band offset ratio）可达到90%，高于常见的p-AlGaN电子阻挡层结构70%的导带偏移率。同时模拟结果显示量子效率降低现象有所缓解，电子泄漏被有效抑制。
如图5所示：使用APSYS软件模拟得出p-InAlGaN/GaN电子阻挡层制作的LED器件能带示意图。可以看到在p-InAlGaN/GaN电子阻挡部分，极化现象大大降低，这有利于获得较高的晶体质量，减小LED的开启电压；同时，较高的导带偏移率也显示出本发明所提供的电子阻挡层能很好地起到阻挡电子，防止电子泄漏的作用，而较低的价带偏移率有利于提高空穴的注入效率，从而可显著提高LED的电子空穴复合发光效率。
如图6所示：为使用常见的p-AlGaN/GaN电子阻挡层与使用本发明的p-InAlGaN/GaN电子阻挡层制作的LED器件的输出功率图。模拟结果显示：与使用常见的p-AlGaN/GaN电子阻挡层结构的LED相比，采用本发明所提供的p-InAlGaN/GaN结构电子阻挡层大幅度地（200%）提高了LED的输出功率，尤其是在大注入电流的条件下，输出功率可以达到300mW。
必须指出的是：本发明不仅适用于同侧结构的GaN基LED，对于垂直结构以及正、倒装结构的GaN基LED结构也同样适用。
本发明所述的p型超晶格结构的电子阻挡层106还包括p-InAlGaN/AlN电子阻挡层、p-InAlGaN/InN电子阻挡层、p-InAlGaN/AlGaN电子阻挡层、p-InAlGaN/InAlN电子阻挡层和p-InAlGaN/InGaN电子阻挡层，其中任意一种与p-InAlGaN/GaN电子阻挡层无实质区别，产生的效果类似。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，其特征在于：包括从下至上依次设置的衬底（101）、缓冲层（102）、n型GaN外延层（103）、InGaN/GaN多量子阱的有源发光层（105）、p型超晶格结构的电子阻挡层（106）、p型GaN外延层（107）和透明导电层（108），所述透明导电层（108）的顶面上设置有p型电极（110），所述n型GaN外延层（103）刻蚀出阶梯台面，所述阶梯台面的延伸与InGaN/GaN多量子阱的有源发光层（105）的底面连接，所述阶梯台面上设置有n型电极（104），所述透明导电层（108）的顶面上还覆盖有钝化层（109），所述钝化层（109）通过一个侧边延伸至n型GaN外延层（103）的阶梯上；
所述p型超晶格结构是由四元氮化物层与氮化物层交替叠加构成若干超晶格结构周期，所述四元氮化物层的材料为四元氮化物p-InxAlyGazN，所述氮化物层的材料为AlN，GaN，InN中的任意一种二元氮化物或者AlGaN，InAlN，InGaN中的任意一种三元氮化物，其中0<x≤1，0<y≤1,0<z≤1。
2.根据权利要求1所述的一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，其特征在于：所述p型超晶格结构周期数范围为1-20，每个周期的厚度为5nm-20nm。
3.根据权利要求1所述的一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，其特征在于：所述p型超晶格结构的掺杂剂为Mg。
4.根据权利要求1所述的一种具有电子阻挡层结构的发光二极管，其特征在于：所述四元氮化物层的材料为p-InAlGaN。
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