CN104538518A - 氮化物发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物发光二极管，氮化物发光二极管，依次包括：n型氮化物层，发光层、p型氮化物层，所述发光层为垒层和阱层构成的多量子阱结构，其中在靠近n型氮化层的至少一个阱层内插入AlGaN电子隧穿层，其势垒高度大于所述垒层的势垒高度，所述AlGaN电子隧穿层与所述阱层的势垒足够高，使得电子较难以热电子发射方向跃迁，而主要以隧穿的方式在InGaN的阱层中进行跃迁，以限制电子的迁移速率和调节电子的分布，降低电子溢至p型氮化物层的机率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料技术领域，特别是一种氮化物发光二极管。
背景技术
GaN 基发光二极管在日常生活中被广泛的应用，与传统光源相比，LED 具有寿命长，光效高，能耗低，体积小的优良特性，是现代照明发展的一个重要趋势。
传统GaN 基LED的发光层普遍使用InGaN/GaN多量子阱（Multiple Quantum Wells，简称MQW）结构，一方面由于电子的迁移率较空穴快，且自由电子的浓度较自由空穴的浓度高，容易导致MQW中的电子和空穴分布不均匀，电子集中距n型较近的MQW层中，而空穴集中在距p型层较近的MQW中，往n型方向逐渐衰减不利于电子和空穴的复合；另一方面，由于电子浓度高、迁移快，导致电子容易溢至p型层中，与离化的空穴在p型层复合，降低空穴的离化效率，并产生非辐射复合，降低空穴的注入效率和引起效率骤降效应（Efficiency Droop）。
请参看附图1，目前一般采用高Al组分AlGaN（Al组分一般为0.2~0.5）电子阻挡层来阻挡电子的溢出，高Al组分可限制部分电子溢出至P型层，但AlGaN随着Al组分的上升， Mg的离化能迅速升高和晶体质量会显著下降，导致空穴离化效率和浓度急剧下降，进而引起亮度和效率的下降；另外，在大电流注入的条件下，高Al组分的AlGaN EBL结构仍有大量的电子会溢出至P型层，引起Efficiency droop效应、老化和光衰等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种氮化物发光二极管，其在靠近n型氮化物层的至少一个阱层内插入AlGaN电子隧穿层，使阱层与AlGaN插入层形成较高的势垒差，电子很难采用热电子发射的方式在阱层的插入层间跃迁，大部分采用隧穿的方式进行跃迁，从而可限制电子的迁移速率和调节电子的分布，降低电子溢至P型氮化物层的机率，提升发光效率和降低Efficiency droop。
本发明的技术方案为：氮化物发光二极管，依次包括：n型氮化物层，发光层、p型氮化物层，所述发光层为垒层和阱层构成的多量子阱结构，其中在靠近n型氮化物层的至少一个阱层内插入AlGaN电子隧穿层，其势垒高度大于所述垒层的势垒高度，且所述阱层与所述AlGaN电子隧穿层的势垒足够高，使得电子较难以热电子发射方向跃迁，而主要以隧穿的方式在InGaN的阱层中进行跃迁，从而限制电子的迁移速率和调节电子的分布，降低电子溢至p型氮化物层的机率。
优选地，所述垒层为GaN层，所述阱层为InGaN。
优选地，在发光层靠近n型氮化物层的前M对量子阱的阱层内中间插入所述AlGaN电子隧穿层，其中20＞M≥1。
优选地，在发光层靠近n型氮化物层的前M对量子阱的阱层内插入单层或多层AlGaN电子隧穿层。
优选地，电子隧穿层的周期为2对。
优选地，所述AlGaN电子隧穿层中Al组分x的取值范围为：1＞x≥0.3。
优选地，所述AlGaN电子隧穿层的厚度为1埃~50埃。
优选地，所述AlGaN电子隧穿层具有Si掺杂，其杂浓度为1.0×1019 ~ 2.0×1020，掺入较高的Si以降低电阻。在具体实施例中，所述Si掺杂可以为平均掺杂，也可以为非均匀掺杂，如采用delta掺杂。
优选地，所述氮化物发光二极管还包括一p型AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层，其中0.2＞x＞0。在高Al组分AlGaN材料中，Mg掺杂较难且激活效率低，而Si掺杂相对Mg容易，因此采用AlGaN电子隧穿层，先在多量子阱前端降低电子的浓度和迁移速率，从而在P型层可以使用较传统LED较低Al组分的电子阻挡层，从而增加P型AlxInyGa1-x-yN层的Mg掺杂浓度和离化效率，提升空穴注入效率和发光效率。在一些实施例中，所述p型AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层的掺Mg浓度为5×1018 ~ 5×1020，优选5×1019。
本发明的发光区在MQW前端（靠近n型氮化物层的一端）阱层内插入AlGaN电子隧穿层，由于Al组分x较高（较佳的，x≥0.3），阱层与AlGaN间的势垒差很大，电子较难通过热电子发射方式跃迁超过势垒，而是主要通过隧穿方式运动，该AlGaN电子隧穿层的作用如减速带，可降低大电流条件下的电子迁移速率，减少电子溢至P型层的机率，提升空穴注入效率和电子-空穴复合效率，从而提升发光效率和降低效率骤降Efficiency droop效应。
进一步地，因AlGaN势垒与阱层的势垒高度差异大，电子难以热电子发射方式跃过AlGaN势垒，除了采用电子隧穿方式的跃迁的电子外，其余电子被限制在阱层被迫进行横向迁移，可提升电子横向扩展能力，提升平面内的电流均匀性，减少电极位置电流浓度高而芯片边缘电流浓度低的问题，提升LED面内电流和亮度的均匀性，改善其抗静电击穿ESD能力。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为传统采用高Al组分AlGaN电子阻挡层的氮化物发光二极管之MQW与EBL的带隙分布图。
图2为根据本发明实施的一种氮化物发光二极管的侧面剖视图。
图3为图2所示氮化物发光二极管发光区的局部放大图。
图4为根据本发明实施的一种氮化物发光二极管的MQW与EBL的带隙分布图。
图5显示了根据本发明实施的一种氮化物发光二极管中电子穿过量子阱的运动方式。
图6为根据本发明实施的另一种氮化物发光二极管的局部量子阱的带隙分布图。
图7为根据本发明实施的氮化物发光二极管的发光输出功率与图1所示传统发光二极管的发光输出功能的对比图。
图8为根据本发明实施的氮化物发光二极管的外量子效率与图1所示传统发光二极管的外量子效率的对比图。
图示说明：
101：衬底；102：缓冲层；103：n型氮化物层；104a：前M对量子阱；104b：后n对量子阱；105：p型电子阻挡层；106：p型氮化镓层；107：p型接触层；104a-1：GaN垒层；104a-2：InGaN阱层；104a-3：AlGaN电子隧穿层；104a-4：InGaN阱层；104a-5：AlGaN电子隧穿层，104a-6：InGaN阱层；104a-7GaN垒层。。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的具体实施作详细说明。
图2公开了根据本发明实施的一种氮化物发光二极管，其结构包括：衬底101、缓冲层102、n型氮化物层103、发光层104、P型电子阻挡层105、p型氮化镓层106和p型接触层107。其中，衬底101优选使用蓝宝石衬底，也可以选用氮化镓衬底、硅衬底或其他衬底；缓冲层102为基于Ⅲ族氮化物的材料，优选采用氮化镓，还可以采用氮化铝材料或者铝镓氮材料；n型氮化物层103优选为氮化镓，也可采用铝镓氮材料，硅掺杂优选浓度为1×1019cm-3；发光层104为多量子阱结构，较佳的为具有5~50对量子阱构成；p型电子阻挡层105紧临发光层104，用于阻挡电子进入p型层与空穴复合，优选采用P型AlxInyGa1-x-yN(0＜x＜1，0≤y＜1，x+y＜1)；p型氮化镓层106采用镁掺杂，掺杂浓度为1×1019~5×1021 cm-3，优选厚度为100nm至800nm之间；p型接触层107的厚度优选5nm至20nm之间。
下面结合附图3~6对发光层104做详细说明。具体的，发光层104采用InGaN/GaN多量子阱结构，其中量子阱的对数较佳为14对以上，在本实施例中，多量子阱结构分为前M对量子阱104a和后N对量子阱104b，前M对量子阱104a邻近n型氮化物层103，其阱层内插入AlGaN电子隧穿层，后N对量子阱104b邻近p型电子阻挡层105，其中M和N的较佳取值范围如下：1≤M<20，8≤N≤50，在一个较佳实施例中M可取4，N可取10。
请参看附图3，显示了前M对插入的量子阱结构，包括GaN垒层104a-1、InGaN阱层104a-2、AlGaN电子隧穿层104a-3、InGaN阱层104a-4、AlGaN电子隧穿层层104a-5、InGaN阱层104a-6、GaN垒层104a-7。其中AlGaN电子隧穿层104a-3和104a-5具有较高的势垒(大于GaN垒层104a-1的势垒)，因此需要较高Al组分，较佳的Al组分x的取值范围为：1＞x≥0.3，在一个较佳实施例中，x可取0.3；为保证量子阱的晶格，较佳的，AlGaN电子隧穿层采用薄层结构，其厚度以1埃~50埃为佳，优选10埃；在一些较佳实施例中，该AlGaN电子隧穿层104a-3和104a-5具有Si掺杂，其杂浓度为1.0×1019 ~ 2.0×1020，可以为平均掺杂，也可以为非均匀掺杂（如采用delta掺杂），掺入较高的Si以降低电阻，以均匀掺杂为例，优选Si掺杂浓度为1.5×1019。
图4显示了根据本发明实施的一种氮化物发光二极管的MQW与EBL的带隙分布图。从图中可看出，在前M对量子阱的阱层内插入较高带隙的AlGaN电子隧穿层，电子要跃过AlGaN的势垒高度或隧穿才能往下跃迁，因InGaN阱和AlGaN电子隧穿层之间的势垒高度很大，电子采用热电子发射的机率可从势垒发射（爬过去）的机率可通过控制Al组分，改变势垒的高度来实现，隧穿的机率可通过控制AlGaN插入层的厚度来控制，从而可有效并精确地控制电子波函数的分布，最大地提升电子和空穴波函数在发光MQW量子阱区的复合机率，有效率地提升发光效率和亮度。
图5显示了根据本发明实施的一种氮化物发光二极管中电子穿过量子阱的运动方式，在该实施例中，在阱层内插入高势垒E1的AlGaN电子隧穿层104a-3和104a-5，电子很难跃迁过E1，而是被迫作隧穿，最后再以热电子发射方式越过势垒E2跃迁至下一个量子阱中，可起到降低电子迁移的作用，改善电子在MQW分布的均匀性。
由于在MQW的前端阱层内插入AlGaN层，可控制电子的迁移率和电子在发光量子阱区的分布，在MQW之后可使用较低Al组分的AlGaN 电子阻挡层即可达到相同的电子阻挡作用。因此在一些较佳实施例中，采用较低Al组分的p型AlGaN作为电子阻挡层105，其中Al组分x较佳取值为：0.2＞x＞0（优选0.1）。由于采用较低Al组分的AlGaN，可以增加电子阻挡层中的Mg掺浓度和离化效率，提高空穴浓度，降低电子阻挡层的电阻。在较佳实施例中，该p型AlGaN电子阻挡层105的掺Mg浓度为5×1018 ~ 5×1020，优选5×1019。
在发光层的前M对量子阱104a的阱层内可以插入单层或多层AlGaN电子隧穿层，图6所示的实施例中阱层内插入双层AlGaN电子层。
下面分别制作两种样品，样品一为根据本发明实施的一种氮化物发光二极管，样品二为图1所示传统氮化物发光二极管，并分别测试两样品的发光输出功率和外量子效率。具体的，样品一和样品二采用相同的衬底、缓冲层、n型氮化物层、p型氮化镓层、p型接触层（具体参照前面对各层的表述进行选择），样品一的发光层采用14对InGaN/GaN量子阱结构，其中在前4对的阱层内入一层10埃厚的掺Si的AlGaN层（Al组分为0.3，Si掺杂浓度为1.5×1019），p型电子阻挡层采用低Al组分的p型AlGaN（Al组分为0.1），样品二的发光层采用14对InGaN/GaN量子阱结构，其各对量子阱的结构均相同，p型电子阻挡层采用高Al组分的p型AlGaN（Al组分为0.4）。图7显示了两样品的发光输出功率与正向电流的关系图，图8显示了两样品在不同电流下测得的外量子效率，用于表征Efficiency droop的程度。
从图7可看出，不同电流条件下的电致发光强度，样品一的电致发光强度明显高于传统LED，特别在大电流3000mA的电流条件下，样品一的发光强度较传统LED提升约50%。
从图8可看出，样品一在不同电流条件下的Efficiency droop性能明显优于传统LED，外量子效率随电流的衰减程度较传统LED低约20~40%，进一步证明本发明可有效改善Efficiency droop的性能，降低非辐射复合，有利于LED在大电流条件下的使用。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。
Claims (11)
1.氮化物发光二极管，依次包括：n型氮化物层，发光层、p型氮化物层，其特征在于：所述发光层为垒层和阱层构成的多量子阱结构，其中在靠近n型氮化物层的至少一个阱层内插入AlGaN电子隧穿层，其势垒高度大于所述垒层的势垒高度，且所述阱层与所述AlGaN电子隧穿层的势垒足够高，使得电子较难以热电子发射方向跃迁，而主要以隧穿的方式在InGaN的阱层中进行跃迁。
2.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：在所述发光层靠近n型氮化物层的前M对量子阱的阱层内中间插入所述AlGaN电子隧穿层，其中20＞M≥1。
3.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：在发光层靠近n型氮化物层的前M对量子阱的阱层内插入单层或多层AlGaN电子隧穿层。
4.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述多量子阱结构中的阱层为InGaN。
5.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述AlGaN电子隧穿层中Al组分x的取值范围为：1＞x≥0.3。
6.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述AlGaN电子隧穿层的厚度为1埃~50埃。
7.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述AlGaN电子隧穿层具有Si掺杂。
8.根据权利要求7所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述AlGaN电子隧穿层中Si掺杂浓度为1.0×1019 ~ 2.0×1020。
9.根据权利要求7所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述AlGaN电子隧穿层中Si掺杂采用delta掺杂。
10.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：还包括一p型AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层，0.2＞x＞0。
11.根据权利要求10所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述p型AlxInyGa1-x-yN电子阻挡层的掺Mg浓度为5×1018 ~ 5×1020。
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