CN103594573B - 一种高亮度发光二极管的多量子阱结构 - Google Patents

一种高亮度发光二极管的多量子阱结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高亮度发光二极管的多量子阱结构，以实现器件整体性能的提升。该多量子阱结构的四个多量子阱层中，第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小，第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大，第三和第四多量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层与第二多量子阱层的量子阱禁带宽度之间；第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四量子阱层的量子阱禁带宽度。本发明的多量子阱结构设计对于各方面的优化结果对于电子空穴的注入效率，迁移速度，浓度分布和复合位置等均有明显改善，进而对器件的整体性能有了较大的提升效果。

Description

一种高亮度发光二极管的多量子阱结构
技术领域
本发明属于光电器件设计领域，具体涉及一种发光二极管的多量子阱结构设计。
背景技术
目前发光二极管结构的量子阱结构部分主要为多量子阱的结构设计，但是，各种多量子阱结构设计中均没有很好地解决电子和空穴的平衡问题。在目前的发光二极管结构内，N层内电子浓度远远高于P层内空穴的浓度而且电子的迁移速度远远高于空穴，如此，传统的结构设计会导致空穴和电子在量子阱结构内的浓度分布不均匀，导致空穴主要集中在靠近P层附近的量子阱内，而靠近N层内的量子阱内的空穴浓度较低，而电子的浓度分布则更多集中于靠近N型层附近的量子阱内，如此在电子空穴的复合效率上和浓度的空间分布上均不合理。传统的设计会导致发光层主要集中在最后的一到两个量子阱内，发光效率较低，而且存在电子和空穴浓度的不对称分布导致复合效率的进一步降低。
为了提高量子阱内电子和空穴复合效率以及提高电子空穴的空间浓度分布，大家对于多量子阱的结构设计进行了大量的研究。如中国专利申请200910051657.X(用于光电器件的多量子阱结构及其制造方法)中提出，靠近N型半导体层的势阱层的厚度大于靠近P型半导体层的势阱层的厚度可提升光电器件的内量子效率，同时提高反向电压和抗静电性能，降低发光谱峰的半宽提高发光纯度；中国专利申请201110008922.3（多量子阱结构及其制造方法）中提出，发光二极管多个有源层的能量带隙从中间向两侧逐渐减小，其中，多个有源层的能量带隙均在1.59eV至3.17eV之间；可有效地防止载流子逃逸，提高电子和空穴的复合机率，提高发光二极管的内量子效率。
但是目前的LED结构均只考虑单一因素对结构的影响，而没有整体考虑应力释放和电子空穴注入速率平衡，电子空穴的注入浓度平衡等因素进行设计，因而整体效率的提升潜力有限。
发明内容
为改善传统多量子设计的不足之处，提供一种高亮度发光二极管的多量子阱结构，以实现器件整体性能的提升。
本发明提供的技术方案如下：
一种高亮度发光二极管的多量子阱结构，依次包括第一多量子阱层，第二多量子阱层，第三多量子阱层和第四多量子阱层，其中的第一多量子阱层靠近N型层一侧，第四多量子阱靠近P型层一侧；其特殊之处在于：在这四个多量子阱层中，第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小，第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大，第三和第四多量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层与第二多量子阱层的量子阱禁带宽度之间；第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四量子阱层的量子阱禁带宽度。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：
在P型层和第四多量子阱层之间设置有插入层，其材料的禁带宽度大于第四多量子阱层的阱层材料。
各个多量子阱层结构内的层数为1‐20层。
各个多量子阱层结构内的量子阱的厚度为0.5‐3nm，量子垒的厚度为5‐45nm。
根据电压调制的需要，在一个或多个多量子阱层中的垒层内添加N型或者P型掺杂剂，或者在一个或多个多量子阱层中的阱层内添加N型或者P型掺杂剂。
本发明具有以下技术效果：
本发明的结构设计理念主要是从电子和空穴在量子阱内的浓度分布来提高电子和空穴的有效复合效率。通过第一多量子阱的深阱结构设计尽可能地降低电子的迁移速度；通过第一多量子阱和第二多量子阱的结构设计来降低第三、第四多量子阱层内的应力；通过适当降低第四多量子阱层内量子垒的禁带宽度来提高P层空穴的迁移效率，让尽可能多的空穴能够有效的向N层一侧的量子阱内注入。另外，还设计P层插入层，可以有效地进一步减少电子进入P层从而最大可能地提高电子空穴的复合效率。
综合以上的整体性调配的多量子阱结构设计对于各方面的优化结果对于电子空穴的注入效率，迁移速度，浓度分布和复合位置等均有明显改善，进而对器件的整体性能有了较大的提升效果。
附图说明
图1为本发明的多量子阱结构示意图。图中：
NGaN：N型GaN材料，提供量子阱结构生长的基础和作为电子注入层与N电极接触；
MQW1：第一多量子阱层，其靠近N型层一侧进行生长，包括多组的交替的量子垒和量子阱层，在这四个多量子阱层中第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小；
MQW2：第二多量子阱层，其在第一多量子阱层结构上进行生长，包括多组的交替的量子垒和量子阱层，在这四个多量子阱层中第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大；
MQW3：第三多量子阱层，其在第二多量子阱层结构上进行生长，包括多组的交替的量子垒和量子阱层，在这四个多量子阱层中第三量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层与第二多量子阱层的量子阱禁带宽度之间；
MQW4：第四多量子阱层，其靠近P型层一侧进行生长，包括多组的交替的量子垒和量子阱层，第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四量子阱层的量子阱禁带宽度；
Insert：插入层，位置在多量子阱和PGaN之间，其材料的禁带宽度大于第四多量子阱层的阱层材料；
PGaN：P型GaN材料，作为空穴注入层并跟P电极形成良好的欧姆接触。
具体实施方式
首先制作一般的LED结构作为对比结构，采用与实施例中相同的N型和P型材料结构，其量子阱结构采用标准的2.5nm量子阱和12.5nm量子垒的结构，周期为20层；制作成芯片测试亮度为50mcd。
实施例1：
该多量子阱结构依次包括第一多量子阱层，第二多量子阱层，第三多量子阱层和第四多量子阱层。其中第一多量子阱层靠近N型层一侧，第四多量子阱靠近P型层一侧；第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小，第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大，第三和第四多量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层和第二多量子阱层的量子阱禁带宽度；第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四量子阱层的量子阱禁带宽度；第一多量子阱层结构内的层数为3层，量子阱厚度为3nm，量子垒厚度为8nm；第二多量子阱层结构内的层数为4层，量子阱厚度为1nm，量子垒厚度为45nm；第三多量子阱层结构内的层数为3层，量子阱厚度为2.5nm，量子垒厚度为13nm；第四多量子阱层结构内的层数为10层，量子阱厚度为2nm，量子垒厚度为13nm；其中第一、三多量子阱层在垒层添加N型掺杂剂，掺杂浓度为5E17，第四多量子阱层在阱层添加N型掺杂剂，掺杂浓度2E18；在P型层和第四多量子阱层之间存在插入层，其材料的禁带宽度大于第四多量子阱层的阱层材料。
制作成为芯片之后亮度为85mcd，亮度比传统LED结构提高70%；
实施例2：
该多量子阱结构依次包括第一多量子阱层，第二多量子阱层，第三多量子阱层和第四多量子阱层。其中第一多量子阱层靠近N型层一侧，第四多量子阱靠近P型层一侧；第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小，第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大，第三和第四多量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层和第二多量子阱层的量子阱禁带宽度；第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四量子阱层的量子阱禁带宽度；第一多量子阱层结构内的层数为2层，量子阱厚度为3nm，量子垒厚度为15nm；第二多量子阱层结构内的层数为3层，量子阱厚度为2nm，量子垒厚度为30nm；第三多量子阱层结构内的层数为4层，量子阱厚度为2.5nm，量子垒厚度为13nm；第四多量子阱层结构内的层数为10层，量子阱厚度为3nm，量子垒厚度为8nm；其中第一、三多量子阱层在垒层添加N型掺杂剂，第四多量子阱层在阱层添加N型掺杂剂；在P型层和第四多量子阱层之间存在插入层，其材料的禁带宽度大于第四多量子阱层的阱层材料。
制作成为芯片之后亮度为93mcd，亮度比传统LED结构提高86%；
实施例3：
该多量子阱结构依次包括第一多量子阱层，第二多量子阱层，第三多量子阱层和第四多量子阱层。其中第一多量子阱层靠近N型层一侧，第四多量子阱靠近P型层一侧；第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小，第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大，第三和第四多量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层和第二多量子阱层的量子阱禁带宽度；第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四量子阱层的量子阱禁带宽度；第一多量子阱层结构内的层数为2层，量子阱厚度为3nm，量子垒厚度为15nm；第二多量子阱层结构内的层数为3层，量子阱厚度为2nm，量子垒厚度为30nm；第三多量子阱层结构内的层数为4层，量子阱厚度为2.5nm，量子垒厚度为13nm；第四多量子阱层结构内的层数为10层，量子阱厚度为3nm，量子垒厚度为8nm；其中第一、三多量子阱层在垒层添加N型掺杂剂，掺杂浓度为5E17，第四多量子阱层在阱层添加N型掺杂剂，掺杂浓度为2E18。
制作成为芯片之后亮度为75mcd，亮度比传统LED结构提高50%；
本发明中，根据电压调制的需要，量子阱层结构内的垒层可以进行掺杂以降低电压，靠近N型的一层掺杂N型掺杂剂，靠近P型的一侧掺杂P型掺杂剂，但要确认不会扩散到量子阱内部破坏量子阱；在量子阱内也可以考虑掺杂以改变材料性质，减少非辐射复合中心的缺陷形成。
多量子阱结构内的层数根据应力和电子空穴的平衡注入进行调制选择，量子阱的厚度主要根据实际材料的应力状况和测试波长蓝移情况进行优化，量子垒的厚度靠近N型一侧相对较厚以降低电子的迁移速率，而靠近P型一侧可以考虑较薄以增加空穴的扩散距离。

Claims (5)

1.一种高亮度发光二极管的多量子阱结构，依次包括第一多量子阱层，第二多量子阱层，第三多量子阱层和第四多量子阱层，其中的第一多量子阱层靠近N型层一侧，第四多量子阱层靠近P型层一侧；其特征在于：在这四个多量子阱层中，第一多量子阱层的量子阱禁带宽度最小，第二多量子阱层的量子阱禁带宽度最大，第三和第四多量子阱层的量子阱禁带宽度介于第一多量子阱层与第二多量子阱层的量子阱禁带宽度之间；第四多量子阱层的量子垒禁带宽度比其他多量子阱层的量子垒禁带宽度小但大于第四多量子阱层的量子阱禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的高亮度发光二极管的多量子阱结构，其特征在于：在P型层和第四多量子阱层之间设置有插入层，其材料的禁带宽度大于第四多量子阱层的阱层材料。
3.根据权利要求1或2所述的高亮度发光二极管的多量子阱结构，其特征在于：各个多量子阱层结构内的层数为1-20层。
4.根据权利要求1或2所述的高亮度发光二极管的多量子阱结构，其特征在于：各个多量子阱层结构内的量子阱的厚度为0.5-3nm，量子垒的厚度为5-45nm。
5.根据权利要求1或2所述的高亮度发光二极管的多量子阱结构，其特征在于：根据电压调制的需要，在一个或多个多量子阱层中的垒层内添加N型或者P型掺杂剂，或者在一个或多个多量子阱层中的阱层内添加N型或者P型掺杂剂。
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