CN103378243A - 一种GaN基紫外半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN基紫外半导体发光二极管。本发明由衬底、N型掺杂层、量子阱发光层、P型掺杂层和电极组成，其中量子阱发光层为InyGa1-yN-InxGa1-xN,其中0<y<1，0<x<1,y>x。本发明结构简单、易操作，能在提高载流子在活性区束缚能力和量子阱中电子和空穴的浓度以及均匀分布性的同时而不影响发光波长的改变，作为高亮度、高功率器件结构在开发大功率紫外发光二极管或激光二极管器件提供新的途径，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管（LED），特别是一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN基紫外半导体发光二极管。
背景技术
GaN基LED是继GaAs,InP等第二代半导体材料后出现的第三代新型半导体材料。作为新一代半导体材料，GaN具有其他半导体材料所不具备的优异性能，对于抗辐射、耐高温、高频、微波、大功率器件,尤其是利用其大的禁带宽度制作的蓝色、绿色、紫外发光器件和光探测器件,具有极大地发展空间和广阔的应用市场，已越来越受到照明设备厂商及液晶显示器厂商的广泛关注。
目前普通照明用白光LED可通过三种方式来实现：（1）LED芯片发出的蓝光去激发黄色荧光粉；（2）LED发出的紫外光去激发三基色荧光粉；（3）发出红光、绿光和蓝光的LED芯片组合。目前，市场上销售的白光LED大多使用的是是第一种方式来实现，发出的光谱中，红色光成份较弱。将白色光照射在红色物质上时会显现出微弱的橙色。但如果用紫外LED实现白光LED的话，就可以解决这些问题。不过，由于紫外LED的发光效率较使用蓝色LED的产品大约要低一半，因此提高紫外LED发光效率就成了解决该问题的关键。
对于蓝光LED发光效率，人们已经提出了很多方法来改善其芯片结构的电子注入效应，例如，采用InGaN 材料作为多量子阱的势垒材料，或对多量子阱所有的势垒进行p 型或n 型掺杂来增加量子阱区域的空穴注入效率；或者通过控制AlGaN 电子阻挡层能带结构的方法来增加对电子的限制和提高空穴的注入效率等等。但是，这些方法在解决外延制程中紫外发光二极管电子和空穴的注入效率以及辐射复合效率方面效果并不显著，主要原因是对于传统InGaN量子阱构型的紫外发光二极管来说，由于量子阱中较低的In的含量，导致能带结构中量子势阱深度很浅，量子阱区域束缚载流子的能力也自然比较低，在大的外加电流注入下，电子溢流行为非常严重，大大限制了紫外LED的输出功率和内量子发光效率。目前，世界各国的研究者们仍然在寻找不同的方法来提高GaN 基紫外半导体发光二级管在高电流下的发光效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN 基紫外半导体发光二极管。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种GaN基紫外半导体发光二极管，包括衬底、N 型掺杂层、量子阱有源层、P 型掺杂层和电极，电极分别制作在N 型掺杂层和P型掺杂层上，其特征在于量子阱有源层包括GaN势垒层和InyGa1-yN-InxGa1-xN阱层，其中0<y<1，0<x<1, y < x。
在衬底上依次设置N 型掺杂层、量子阱有源层和P 型掺杂层。其中，InyGa1-yN-InxGa1-xN阱层包括先生长的InyGa1-yN量子阱层和后生长的InxGa1-xN量子阱层。总的InyGa1-yN-InxGa1-xN阱层宽度为1.5~3.2 nm，InyGa1-yN量子阱层宽度为0.75~1.6 nm。具体阱层宽度将根据所需波长而定。
所述衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。
所述N 型掺杂层为硅掺杂的GaN 基半导体材料，掺杂浓度为1×1017 ～ 1×1020cm-3。
所述P 型掺杂层为镁掺杂的AlGaN 电子阻挡层和GaN 基半导体材料覆盖层，掺杂浓度为1×1017 ～ 1×1020cm-3。
所述的电极材料为Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn，Ti，Sn 等或它们形成的合金。
在传统的GaN 基紫外多量子阱发光二极管中，一方面，由于极化电荷的作用造成大量电子漏电流，另一方面，由于低的势阱深度导致大的电子溢流，使得注入到量子阱区域参与复合发光的电子浓度很低。为了减少漏电流和提高电子与空穴在量子阱的辐射复合效率，本发明采用新型量子阱层代替原结构中的量子阱层。能缓解量子阱生长过程中因晶格不匹配产生的应力而导致电子和空穴波函数在空间分离。这样，在高注入电流下，大量电子就会被限制在这势阱内，减少电子漏电流，增加量子阱内的电子浓度，从而提高GaN 基多量子阱发光二极管在高注入电流下的发光效率。
本发明在能在提高载流子在活性区束缚能力（例如：增加量子阱In的含量）的同时而不影响发光波长的改变，在实际生产时具有方便简单，容易操作的特点，而且还可以大幅提高GaN 基半导体发光二极管在高注入电流下的发光效率，作为高亮度、高功率器件结构在开发大功率紫外发光二极管或激光二极管器件提供新的途径，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1 为本发明结构示意图，其中包括：衬底、N型掺杂层、量子阱有源层、P型掺杂层，量子阱有源层包括InyGa1-yN a层和InxGa1-xN b层。
图2 a为传统In0.05Ga0.95N/GaN量子阱LED载流子浓度分布，图2b为本发明的In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN多量子阱LED载流子浓度分布。
图3 为传统In0.05Ga0.95N/GaN与本发明的In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN多量子阱LED电子电流密度。
图4 为传统In0.05Ga0.95N/GaN与本发明的In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN多量子阱LED 的内量子效率。
图5 a为本发明的In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN量子阱LED载流子浓度分布，图5 b为In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN量子阱LED载流子浓度分布。
图6为本发明In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN单量子阱LED量子阱和In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN
量子阱LED电子电流密度构型量子阱区域载流子辐射复合速率。
图7为本发明In0.1Ga0.9N–In0.16Ga0.84N/GaN单量子阱LED量子阱和In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN
量子阱LED 的内量子效率。
具体实施方式
以下通过实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。
实施过程一
本发明由衬底、N 型掺杂层、量子阱发光层、P 型掺杂层和电极组成，其结构如图1 所示。
所述衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。
所述N 型掺杂层为硅掺杂的GaN 基半导体材料，掺杂浓度为1×1017 ～ 1×1020cm-3。
所述量子阱InGaN-InGaN/GaN有源层包括GaN垒层InyGa1-yN-InxGa1-xN阱层，其中0<y<1，0<x<1, y < x。
所述P 型掺杂层为镁掺杂的AlGaN 电子阻挡层和GaN 基半导体材料覆盖层构成，掺杂浓度为1×1017 ～ 1×1020cm-3。
所述的电极材料为Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn，Ti，Sn中的一种或由它们形成的合金。
在实际生产工艺过程中，上述结构可以按照MOCVD 实际生产工艺进行生长。在生长多量子阱区域时，通过控制反应物种类、流速可生长出新型势阱层。控制反应物流速，就是控制III族MO源和V族源占载体气流的比例。例如:如果想得到In含量较高的量子阱，就是提高用于生长InGaN的金属有机源TEGa和TMIn在载体气流的比例。
效果情况：
作为一种比较，分别就发光波长在380nm使用传统的In0.05Ga0.95N/GaN多量子阱LED 和采用本专利设计的新型In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN 多量子阱LED 进行对比，具体对这两种发光二级管的载流子浓度分布、量子阱中电子电流密度图和内量子效率进行了模拟计算，结果如图2，3，4，所示。由图2 可知，In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN构型量子阱中电子与空穴浓度明显较原始结构要高，而且分布更加均匀，表明新型量子阱有更强的载流子束缚能力。由图3可知，相对于传统的In0.05Ga0.95N/GaN多量子阱LED，在新型In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN 多量子阱LED 中的电子溢流显著减小。在60mA电流注入下，新型 In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN构型量子阱电子溢流降低了将近20%。由图4 可知，新型 In0.12Ga0.88N –In0.05Ga0.95N/GaN量子阱构型内量子效率，在高注入电流下显著增加，在内量子效率上较传统构型量子阱提高了2.75 倍。由此可见，本发明提出的结构显著增强了GaN 基紫外半导体发光二极管在高注入电流下的发光效率。
作为一种比较，分别就本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN单量子阱LED量子阱和In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN单量子阱发光波长在紫外（370nm～380nm）LED单量子阱进行对比，具体对这两种发光二级管的载流子浓度分布、量子阱区域载流子辐射复合速率和内量子效率进行了模拟计算，结果如图5，6，7所示。
由图5 可知，就两种构型的量子阱区域电子浓度分布图上来看，两种构型的量子阱皆具有较高的电子浓度。而由5（a）中显示的量子阱区域空穴分布图来看，采用本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN构型量子阱将使量子阱中空穴的浓度较In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN构型量子阱的要高。表明In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN构型量子阱具有更强的空穴束缚能力。
图6给出采用本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN构型量子阱和In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN构型量子阱自发辐射复合速率比较图。与In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN构型量子阱相比，采用本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN构型量子阱有助于增加量子阱内载流子的结合。在室温300 K，30 mA外加电流注入下，In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN构型量子阱自发辐射复合速率积分强度为1.080×1019cm-2.s-1, 而In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN量子阱自发辐射复合速率积分强度达到1.244×1019cm-2.s-1。量子阱区域内大的自发辐射复合速率积分强度暗示着采用本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN构型的量子阱单位面积和单位时间内有较多的光子数产生。同时我们也注意到In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN构型量子阱在靠近n-GaN量子阱垒层的部分也存在着较大的载流子结合的现象，表明空穴溢流现象比较严重，而使用采用本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN构型量子阱能有效减少空穴溢流行为，进而提高了量子阱区域载流子的结合能力。由图7 可知，采用本专利设计In0.1Ga0.9N –In0.16Ga0.84N/GaN量子阱构型内量子效率，在高注入电流下显著增加，在内量子效率上较In0.16Ga0.84N -In0.1Ga0.9N/GaN构型量子阱提高了1.69 倍。由此可见，本发明提出的结构显著增强了GaN 基紫外半导体发光二极管在高注入电流下的发光效率。
以上所述的实施例仅为了说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本专利的范围并不仅局限于上述具体实施例，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍涵盖在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种GaN基紫外半导体发光二极管，包括衬底、N 型掺杂层、量子阱有源层、P 型掺杂层和电极，电极分别制作在N 型掺杂层和P型掺杂层上，其特征在于量子阱有源层包括GaN势垒层和InyGa1-yN-InxGa1-xN阱层，其中0<y<1，0<x<1, y < x。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。
3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述N 型掺杂层为硅掺杂的GaN 基半导体材料，掺杂浓度为1×1017 ～ 1×1020cm-3。
4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的P 型掺杂层为镁掺杂的AlGaN 电子阻挡层和GaN 基半导体材料覆盖层构成，掺杂浓度为1×1017 ～ 1×1020cm-3。
5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于所述的电极材料为Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn，Ti，Sn 中的一种或由它们形成的合金。
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