CN104733582A - 具有双分级电子阻挡层的氮化物led结构 - Google Patents

具有双分级电子阻挡层的氮化物led结构 Download PDF

Info

Publication number
CN104733582A
CN104733582A CN201410805979.XA CN201410805979A CN104733582A CN 104733582 A CN104733582 A CN 104733582A CN 201410805979 A CN201410805979 A CN 201410805979A CN 104733582 A CN104733582 A CN 104733582A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
electronic blocking
floor
blocking district
upgrading
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201410805979.XA
Other languages
English (en)
Inventor
马修·泽维尔·先尼
竹冈忠士
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Publication of CN104733582A publication Critical patent/CN104733582A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen

Abstract

本发明为具有双分级电子阻挡层的氮化物LED结构。基于III族氮化物的发光器件包括n型半导体层；第一p型半导体层；有源区；以及电子阻挡区，电子阻挡区包括位于有源区与第一p型半导体层之间的AlGaInN，并且至少包括升级层和降级层。电子阻挡区的升级层的铝成分从电子阻挡区的有源区侧向电子阻挡区的第一p型半导体层侧增加，并且电子阻挡区的降级层的铝成分从电子阻挡区的有源区侧向电子阻挡区的第一p型半导体层侧减小。基于氮化物的发光器件可以是发光二极管或激光二极管。

Description

具有双分级电子阻挡层的氮化物LED结构
技术领域
本发明涉及发光器件的领域，更具体地，涉及发光器件的光输出效率的提高。
背景技术
发光二极管(LED)是广泛应用的关键组件，所述广泛应用包括液晶显示器的背光单元、汽车的车前灯、或者一般的照明设备。例如，基于III族氮化物半导体的蓝和绿发光LED广泛地应用于这些应用中。然而，这些LED仍然在本领域中通常称作“效率下降”的现象引起的高电流注入时遭受性能下降。
标准的LED结构包括电子供给层(例如，通常n型半导体)、空穴供给层(例如，p型半导体)和有源区(例如，可以包括单个或多个量子阱的发光区域)。多量子阱结构包括量子阱和量子势垒。在文献中已经公布了效率下降的一个可能原因可能是由于所注入的电子泄露到有源区之外。为了限制该现象，由氮化铝镓(AlGaN)制成的电子阻挡层(EBL)通常被置于有源区与空穴供给层之间。从而，优选具有大能带隙的EBL，以便尽可能地限制电子泄露到有源区之外。然而，由于GaN与AlGaN之间的晶格失配，制造具有大能带隙(即，具有高铝成分)的EBL难以使用高质量材料生长。此外，由于在c平面氮化物异质结处(特别是有源区的最后一个量子势垒与EBL之间的界面处以及在EBL与空穴供给层之间的界面处)(如图1所示)的内部极化场，具有高铝成分的EBL将导致严重的能带弯曲。从而，这些界面处的价带呈现尖峰，这阻止了空穴被有效地注入有源区中。
因此，期望在EBL中具有高铝成分的同时减小内部极化场对空穴注入的影响并且提高材料质量，从而提高III族氮化物LED的光输出功率。
用于减小内部极化场在有源区与EBL之间的界面处的影响的已知方法是对EBL的成分进行分级并且减小价带中的尖峰。在(2012年11月28日发布的)日本专利5083817中描述了该方法。该专利教导了对来自EBL的有源区侧的铝成分的连续或离散分级导致价带中的尖峰的减小，从而提高了空穴注入。然而，在该专利中，EBL直接在有源区的最有一个量子阱的顶部生长。在该特殊情况下，即使价带中的尖峰存在于最后一个量子阱与EBL之间的界面处，该尖峰也将处于量子阱中，因此空穴将在该量子阱中累积。
然后，该价带尖峰对载流子重组合的效率的影响受到限制。此外，由于在量子阱与EBL层之间生长条件(例如，生长温度)存在差别，因此难以在有源区的最后一个量子阱的顶部直接生长EBL。使这种EBL层与量子阱直接接触的结果是该量子阱的铟成分将受到很大影响。从而，推荐在使得有源区的最后一个量子阱与EBL之间具有势垒层的同时，移除EBL的有源区侧价带中的尖峰。用于提高LED的有源区中的空穴注入的另一种已知的方法(尽管存在电子阻挡层)是对EBL的p型层侧的EBL的成分进行分级。在(2006年7月20日公布的)WO专利申请2006/074916 A1中描述了该方法。该专利申请教导了对来自EBL的p型空穴供给层侧的铝成分的连续分级可能引起极化掺杂，因此与当仅使用镁掺杂相比，实现了更高的空穴浓度。备选地，极化掺杂可以替换镁掺杂以产生空穴。
然而，为了经由极化掺杂产生空穴，EBL的厚度必须较大，通常大于100nm(如该专利申请中所描述的)。由于GaN材料和AlGaN材料之间的晶格失配，因此在标准LED结构中生长这种较大的EBL而并不由于应变松弛引起晶体质量下降是富有挑战的。这就是推荐在EBL成分中加入铟以避免应变松弛的原因。然而，在EBL中加入铟将需要使用比通常用于在商用近紫外、蓝和绿LED中生长典型的AlGaN EBL的温度更低的温度。更低的EBL生长温度将导致更低的晶体质量，这将最终影响LED性能。因此，仅加入铟不适于制造商业级的近紫外、蓝和绿LED。
发明内容
鉴于传统LED的上述缺陷，本发明的目的是通过提供具有高效率的LED来解决上述问题，其中，EBL具有高铝成分，因此在不牺牲空穴注入效率的情况下减少了电子泄露。
本发明试图通过减少注入的电子从有源区的泄露来提高半导体LED的内部效率。
本发明描述了一种发光二极管，该发光二极管包括多量子阱有源区和电子阻挡层，其中，在电子阻挡层的两侧对电子阻挡层的铝成分进行分级。
根据本发明的一个方面，在(Al，In，Ga)N材料系统中构造了发光二极管。
根据本发明的另一方面，电子阻挡层可以是例如AlxGal-xN或InxAlyGal-x-yN。
附图说明
图1示出了参考LED的能带结构。
图2是根据本发明的示例性实施例的发光器件的横截面图。
图3是根据本发明的示例性实施例的图2的电子阻挡区的横截面图。
图4是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的参考LED和图4中所示的电子阻挡区的第一示例的能带结构。
图6A图示了根据本发明的示例性实施例的参考发光器件的IV特性和具有图4中所示的电子阻挡区的发光器件的IV特性。
图6B图示了根据本发明的示例性实施例的参考发光器件的内部量子效率和具有图4中所示的电子阻挡区的发光器件的内部量子效率。
图7图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区中的最大铝成分比率(fraction)的不同值的在电流密度50A/cm2条件下的归一化内部量子效率。
图8图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区中的升级(upgraded)层的不同厚度的在电流密度50A/cm2条件下的归一化内部量子效率。
图9A图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区的升级层和降级(downgraded)层的不同厚度的在电流密度50A/cm2条件下的归一化内部量子效率。
图9B示出了根据本发明的示例性实施例的针对图8A中所示的电子阻挡层的能带结构。
图10图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区的升级层和中间层的不同厚度的在电流密度50A/cm2条件下的工作电压。
图11是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
图12是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
图13是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
图14是根据本发明的示例性实施例的发光二极管的平面图和横截面图。
图15是根据本发明的示例性实施例的发光二极管的能带示意图。
具体实施方式
将参照附图描述本发明的优选实施例。
可以通过任意适当的方式并且在本领域公知的任意适当的衬底上生长本发明的器件，衬底包括但不限于：蓝宝石(例如，c-平面、a-平面、m-平面、r-平面和其他面)、硅(例如，(111)平面和(100)平面)、GaN(例如，c-平面、a-平面、m-平面、r-平面和其他面)、或SiC的各个面。可以使用斜(off-angled)衬底(例如，相对于c-平面蓝宝石倾斜0.35度或者相对于c-平面GaN倾斜2度)。衬底的面可以是平的或有图案的。
将参照图2描述本发明的示例性实施例。图2示出了在(Al，In，Ga)N材料系统中制造的发光二极管的示意图，并且可以包含蓝宝石衬底201、置于蓝宝石衬底201顶部的n型(Al，In，Ga)N层202、置于n型层202顶部的发光区203、置于发光区203顶部的(Al，In，Ga)N电子阻挡层204、以及第一p型(Al，In，Ga)N层205。
如本文所使用的，发光器件的发光区是指多数电载流子和少数电载流子(例如，空穴和电子)重组以发光的区域。通常，有源区可以包括量子阱结构，其中，量子阱的总数至少为1，并且更优选地，大于2，更优选地，大于6，优选地，小于20，并且更优选地，小于14，并且量子阱层是在(Al，In，Ga)N材料系统中构造的。
电子阻挡层204可以是非掺杂的，但是优选地用镁掺杂，例如，它是p型的。
通常，本发明的一个方面是基于III族氮化物的发光器件。在示例性实施例中，器件包括n型半导体层；第一p型半导体层；有源区；电子阻挡区，该电子阻挡区包括位于有源区与第一p型半导体层之间的AlGaInN，并且至少包括升级层和降级层。电子阻挡区的升级层的铝成分从有源区侧向电子阻挡区的第一p型半导体层侧增加，并且电子阻挡区的降级层的铝成分从有源区侧向电子阻挡区的第一p型半导体层侧减小。基于氮化物的发光器件可以是发光二极管或激光二极管。基于氮化物的发光器件可以是发光二极管或激光二极管。
图3中示出了根据本发明的第一实施例具有3个层的电子阻挡区204的示例，并且可以包含：升级层301、置于升级层301上的中间层302、以及置于中间层302顶部的降级层303。由于存在中间层302，因此大量生产的电子阻挡区的最大铝成分是稳定的。
在该示例中，电子阻挡区204的三个层301、302和303包括但不限于AlxInyGal-x-yN，其中0＜x≤1且0≤y＜1。具体地，较小的In成分(例如，0≤y＜0.05)是优选的，以维持宽带隙，并且在该情况下，Al成分x可以表示层的带隙。此外，在该示例中，电子阻挡区204的三个层301、302和303均具有相同的厚度。然而，三个层301、302和303可以具有不同的厚度。
将参照图3和图3的铝成分剖面(profile)304来描述根据本发明的第一实施例的电子阻挡区204的每一个层的成分。
升级层301由AlxInyGal-x-yN制成，其中，升级层301的铝成分比率x沿着生长方向从发光区203与电子阻挡区204的升级层301之间的界面处的最小值线性地变化到升级层301与电子阻挡层204的中间层302之间的界面处的最大值。
中间层302由AlxInyGal-x-yN制成，其中，中间层302的铝成分比率x是恒定的或近似恒定的。在本发明的该第一实施例中，中间层302的铝成分比率值与升级层301的最大铝成分比率值相同。
最后，降级层303由AlxInyGal-x-yN制成，其中，降级层303的铝成分比率x沿着生长方向从中间层302与电子阻挡区204的降级层303之间的界面处的最大值线性地变化到电子阻挡层204的降级层303与第一p型(Al，In，Ga)N层205之间的界面处的最小值。在本发明的该第一实施例中，降级层303的最大铝成分比率值与中间层302的铝成分比率值相同。
为了进一步说明每一个层中的铝成分的成分变化，图3还示出了电子阻挡区204中的铝成分304的剖面。
在本发明的第二实施例中，电子阻挡区204的中间层302的厚度为0nm，即，电子阻挡区仅包括两个层301和303。电子阻挡区204的两个层301和303中的铝成分与第一实施例中所述的相同。在图4中示出了第二实施例的电子阻挡区结构204及其相应铝成分剖面401。
电子阻挡区204的每一个层中的这种成分剖面对导带和价带剖面具有影响。图5将来自与图2类似的参考LED结构的仿真结果(其中，电子阻挡区204由单层AlxGal-xN制成)与具有该第二实施例中所述并且在图4中所示的电子阻挡层的LED结构进行比较。在该示例中，参考LED的电子阻挡区的铝成分比率恒为0.22，并且电子阻挡区的厚度为18nm。此外，在该示例(但不限制本发明的范围)中，从0至0.3对与本发明有关的LED的电子阻挡区204的升级层301的铝成分比率进行线性分级，并且从0.3至0对电子阻挡区的降级层303的铝成分比率进行线性分级。两个层的厚度均为9nm，使得与本发明有关的LED的电子阻挡区的总厚度为18nm。针对图5中给出的仿真结果，参考LED和与本发明有关的LED两者的其他LED结构参数是例如：第一p型层205由80nm的p型掺杂物浓度为3.00×1019cm-3的GaN制成；电子阻挡区204具有1.0×1019cm-3的掺杂物浓度；并且有源区203包括由4nm厚的GaN势垒层分隔开的八个3.5nm厚的In0.15Ga0.85N量子阱。在该特定的示例中，来自参考LED和与本发明有关的LED的发射波长约为450nm。
更具体地，参照图5的底部。图5的底部表示标准LED的价带503和空穴费米能级504以及该第二实施例的LED结构(如图4所示)的价带507和空穴费米能级508。与标准LED的电子阻挡层204有关的价带503分别在有源区203的最后一个GaN势垒与电子阻挡层204之间和电子阻挡层204与LED的第一p型GaN层205之间的界面处呈现两个尖峰509和510。这两个尖峰是由AlGaN电子阻挡层与GaN层之间的极化场的差别引起的。
在与效率下降体制中的电流相对应的50A/cm2的类似注入电流条件下，尽管铝成分更高，但是该第二实施例的LED结构(如图4中所示)的电子阻挡区204的价带剖面507并不像上述参考LED结构一样呈现这种尖峰。从而，空穴注入不受这些尖峰的存在的限制，并且该第二实施例的LED结构的工作电压与参考LED的工作电压类似，尽管该实施例的LED的电子阻挡层的铝成分比率达到0.3而参考LED的电子阻挡层中的铝成分比率是0.22。在图6A中示出了这一点，图6A示出了两个LED结构的IV特性的仿真结果。
进一步参照图5的顶部。图5的顶部表示标准LED的价带501和空穴费米能级502以及该第二实施例的LED结构(如图4中所示)的价带505和空穴费米能级506。因为与参考LED相比，图4的实施例中的电子阻挡层中的最大铝成分比率值更大，因此与标准LED 501相比，导带505中针对电子的能量势垒更大。因此，减少了电子泄露并且提高了内部量子效率(IQE)。在图6B中示出了这一点，图6B示出了标准LED和该第二实施例中所述的LED两者的IQE的仿真结果。针对大于约1A.cm-2的电流密度，与标准LED结构相比，本发明的第二实施例中所述的LED结构的IQE更大，并且还呈现更低的效率下降。
虽然已经参照该第二实施例中的特定结构(如图4中所示)描述了本发明，但是本领域技术人员将清楚的是，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，该结构的变形是可能的。
例如，电子阻挡区204的升级AlxInyGal-x-yN层301的最小铝成分比率值可以与0不同，并且可以与降级层303的最小值不同，其中降级层303的最小值也可以与0不同。类似地，升级层301的最大铝成分比率值可以与降级层303的铝成分比率的最大值不同。
电子阻挡区204的升级AlxInyGal-x-yN层301的铝成分比率的最小值可以是但不限于0≤x＜1，更优选地，0≤x≤0.1，并且更优选地，x＝0。类似地，电子阻挡区401的降级AlxInyGal-x-yN层303的铝成分比率的最小值可以是但不限于0≤x＜1，更优选地，0≤x≤0.1，并且更优选地，x＝0。
电子阻挡区204的升级AlxInyGal-x-yN层301的铝成分比率的最大值可以是但不限于0＜x≤1，更优选地，0.2≤x≤0.5，并且更优选地，0.28≤x≤0.4。类似地，电子阻挡区204的降级AlxInyGal-x-yN层303的铝成分比率的最大值可以是但不限于0＜x≤1，更优选地，0.2≤x≤0.5，并且更优选地，0.28≤x≤0.4。图7示出了如第二实施例的该示例中所述的LED(图4)根据电子阻挡区204的升级层和降级层中的铝成分比率的最大值在电流密度50A/cm2条件下的IQE的仿真结果(归一化至最大铝成分比率0.4处的IQE值)。当电子阻挡区的最大铝成分比率增加时，IQE增加并且因此LED输出功率增加。特别地，在该特定示例中，当最大铝成分比率达到0.3时，IQE值开始饱和，然后针对大于0.4的最大铝成分比率，IQE值达到饱和。从而，为了达到最大效率(即，在图7中达到至少80％的归一化IQE)，优选的是电子阻挡区204的升级和降级AlxInyGal-x-yN层的铝成分比率的最大值是例如0.28≤x≤0.4。更一般地，电子阻挡区中低于0.2的最大铝成分比率值将不会提供高至足以防止严重电子泄露的能量势垒，并且根据实验在不降低电子阻挡区的晶体质量的情况下将非常难以达到高于0.5的值，这是由于GaN与AlxGal-xN之间的较大晶格失配(x＞0.5)。电子阻挡区中大于0.5的铝成分比率值也可能显著降低镁掺杂的活化能，从而导致工作电压的大幅增加。
虽然将该特定示例中所述的电子阻挡区的铝成分值的优选范围与标准的发蓝光的基于氮化物的LED结构进行比较，但是本领域技术人员将清楚的是，对于其他LED结构来讲，这些范围可以是不同的，例如，在光谱的紫外区中发光的LED结构(其使用AlGaN衬底或AlGaN空穴供给层)以及在光谱的绿色区中发光的LED结构(其使用比蓝色LED更高In含量阱层)。
虽然在该第二实施例的示例中电子阻挡区204的升级层301的厚度等于电子阻挡区204的降级层303的厚度，但是升级层301的厚度可以与降级层303的厚度不同。将参照图8来描述电子阻挡区204的两个层的相应厚度对IQE的影响。针对该特定示例，最小铝成分比率被设置为0，并且最大铝比率被设置为0.30。在图8的顶部示出了电子阻挡区的铝成分剖面。针对该示例，电子阻挡层的总厚度a+b被设置为18nm，其中“a”是升级层301的厚度，“b”是降级层303的厚度。当电子阻挡区204的升级层301的厚度增加时，仿真结果显示LED的内部量子效率提高。这是因为当升级层301的厚度(图8中的厚度a)增加时，由电子阻挡区提供的针对电子的能量势垒增加，因此电子泄露减少。具体地，当a＝b时，IQE开始饱和。然后，a≥b是更优选的，以达到最大效率。
虽然上述示例中的电子阻挡区的总厚度是例如a+b＝18nm，但是其他厚度是可能的。在图9A中示出了电子阻挡区204的升级层301的厚度对IQE的影响。针对电子阻挡区204的降级层303的两个不同的厚度值(例如，b＝0nm和b＝2nm)来计算IQE。仿真结果显示当升级层301的厚度增加时，IQE增加，并且针对厚度约为40-60nm的升级层301，IQE达到饱和。因此，电子阻挡区204的升级层301的厚度优选地等于或小于100nm，更优选地，等于或小于50nm。
此外，图9A的仿真结果显示对电子阻挡区的第一p型层205的铝成分进行分级提供了更好的IQE(在图9A中，针对b＝2nm的IQE值高于针对b＝0nm的IQE值)。在图9B中，分别通过黑线和灰线表示降级层303的厚度为b＝0nm和b＝2nm的电子阻挡区的计算出的价带和空穴费米能级。当在电子阻挡区的空穴供给层侧对铝成分进行分级时(即，当b＝2nm时)，价带中的尖峰不会达到空穴费米能级(图9B中的灰色曲线)，即，在该能量陷阱中不会捕获空穴。从而，提高了空穴注入效率，并且因此提高了IQE。总之，在该第二实施例中，电子阻挡区204的降级层303的厚度等于或大于1nm，并且更优选地，厚度等于或大于2nm。
与第二实施例的示例类似，第一实施例中所述的且在图3中所示的电子阻挡区204的三个层的厚度可以具有不同的值。将参照图10来描述电子阻挡区的三个层的相应厚度对IQE的影响。针对该特定示例，最小铝成分比率被设置为0，最大铝比率被设置为0.3。在图10顶部示出了电子阻挡区的铝成分剖面。针对该示例，电子阻挡层的总厚度a+b+c被设置为18nm，其中，“a”是升级层301的厚度，“b”是中间层302的厚度，并且“c”是降级层303的厚度。降级层303的厚度也被设置为c＝2nm。图10的图形示出了针对升级层和中间层的不同厚度在电流密度50A/cm2条件下的工作电压。当电子阻挡区204的升级层301(降级层303)的厚度增加(减小)时，工作电压减小。更具体地，当a≥b时，工作电压变得类似于具有由Al0.22Ga0.78N制成的18nm厚的电子阻挡层的参考LED的工作电压。在相同的图形上示出了，针对任意a和b值，在相同铝比率0.3的情况下，具有双分极电子阻挡区的LED的工作电压低于具有标准Al03Ga07N电子阻挡层的参考LED的工作电压。
因此，鉴于这些结果，虽然电子阻挡区204的三个层的厚度可以是除a＝0nm和c＝0nm之外的任意值，但是升级层301的厚度优选地合理地大于中间层302的厚度，使得a≥b。此外，(鉴于第二实施例的结果)升级层301的厚度也优选地合理地大于降级层303的厚度，使得a≥c。此外，升级层301的厚度优选地小于100nm，并且更优选地，小于50nm。降级层303的厚度合理地等于或大于1nm，并且更优选地，等于或大于2nm。
使得电子阻挡区204的三个层的厚度满足a≥b且a≥c还针对高铝成分比率(即，针对x＞0.2)有益于电子阻挡区的生长质量。实际上，在该情况下，电子阻挡层的铝成分比率高于0.2的部分小于电子阻挡区的总厚度的一半。然后，与沿着其整个厚度具有高于0.2的恒定铝成分比率的标准电子阻挡层相比，提高了电子阻挡层的晶体质量，并且提供了针对电子的高能量势垒，因此减小了电子泄露。
虽然在该示例中将升级层301和降级层303的最小铝成分比率值设置为0并且将升级层301和降级层303的最大铝成分比率值设置为0.3，但是可以使用其他铝成分比率。图3的电子阻挡区204的升级AlxInyGal-x-yN层301的最小铝成分比率值可以是但不限于0≤x＜1，更优选地，0≤x≤0.1，并且更优选地，x＝0。类似地，图3的电子阻挡区204的降级AlxInyGal-x-yN层303的最小铝成分比率值可以是但不限于0≤x＜1，更优选地，0≤x≤0.1，并且更优选地，x＝0。
图3的电子阻挡区204的升级AlxInyGal-x-yN层301的最大铝成分比率值可以是但不限于0＜x≤1，更优选地，0.2≤x≤0.5，并且更优选地，0.28≤x≤0.4。类似地，图3的电子阻挡区204的降级AlxInyGal-x-yN层303的最大铝成分比率值可以是但不限于0＜x≤1，更优选地，0.2≤x≤0.5，并且更优选地，0.28≤x≤0.4。
最后，电子阻挡区204的中间层302的铝成分比率可以是但不限于0＜x≤1，更优选地，0.2≤x≤0.5，并且更优选地，0.28≤x≤0.4。
此外，图3中的电子阻挡区204的中间层302可以在其厚度内具有一个或多个部分，在这些部分中铝成分是不同的。
在本发明的第三实施例中，如图11和图12中所示，电子阻挡区204的升级层301和降级层303的铝成分剖面可以是非线性的。更具体地，升级层301和/或降级层的铝成分的梯度随着铝成分的增加而增大。梯度形状可以是指数的、对数的或多项式的。该结构可以具有以下优点：低晶体质量高Al成分区可以更小。
在本发明的第四实施例中，电子阻挡区204的升级层和降级层中的铝成分剖面可以是非单调的，即，升级层301(降级层303)中的铝成分可以随着升级(降级)层的厚度内一个或多个部分的不同梯度而增加(减小)。在图13中示出了电子阻挡区中的这种铝成分剖面的一个示例：升级层中的铝成分在升级层的第二部分1103中比在第一部分1102中更快速地增加。作为非单调方式的变形，阶梯状梯度也是可能的。
图14A和图14B分别示出了基于氮化物的发光器件1的示例性实施例的横截面图和平面图。沿着图14B中所示的线I-I的横截面图与图14A相对应。图15是示意性地示出了从n型基于氮化物的层10到第一p型GaN层18的带隙能量Eg的幅度的带能示意图。
在图14A中，衬底的上表面具有突起3A和相对凹陷区3B(平坦区)。在衬底3的上表面上，AlN缓冲层5、未掺杂GaN层7、n掺杂GaN层9、超晶格层12、MQW发光层14、包括升级层16A和降级层16C的p型电子阻挡区16、以及第一p型GaN层18(空穴供给层)以此顺序被堆叠以形成台面部分(mesa part)30。在台面部分30外部，暴露n型GaN层9的上表面的一部分并且在其上放置n侧电极21。在第一p型GaN层18上，提供p侧透明电极23和p侧电极25。使用透明保护膜27覆盖基于氮化物的发光器件1的上表面(除了p侧电极25和n侧电极21的表面之外)。
n型掺杂物为Si，并且n型GaN层9中的n型掺杂浓度为1×1019em-3。n型GaN层9的厚度为5um。
超晶格层12包括20对交替堆叠的宽带隙层12A和窄带隙层12B。宽带隙层包括1.75nm厚的GaN，窄带隙层包括1.75nm厚的In0.08Ga0.92N。宽带隙层12A和窄带隙层12B是n型掺杂的。
MQW发光层14包括8对交替堆叠的InxGal-xN阱14W和GaN势垒14B。铟成分x被确定，以使得发射波长为450nm。阱14W的厚度为4nm，并且势垒14B的厚度为5nm。阱14W和势垒14B是未掺杂的。
电子阻挡区16包括9nm的升级层16A和9nm的降级层16C，但是层16A和16C的厚度之比可以根据图8、图9和图10的仿真结果而改变。在电子阻挡区16中，升级层16A的AlxGal-xN中设计的初始成分X不是0而是0.0165，其主要原因是使用质量流控制器来控制Al源。由于相同的原因，降级层16C中设计的终止成分X也是0.0165。因此，电子阻挡区16具有非单调结构类型。升级层16A和降级层16C的界面处的AlxGal-xN中设计的最大成分X是0.3，但是实际成分假设为如图15中的虚线所示。虚线所示的结构也被解释为具有凸状铝成分的中间层。
n侧电极21和p侧电极25是用于向基于氮化物的发光器件1供应驱动功率的电极。n侧电极21和p侧电极25排他地包括图2中的衰减电极(pad electrode)部分，然而，用于电流扩散的延长凸出部分(分支电极)可以连接到n侧电极21和p侧电极25。透明电极23优选地是由ITO(氧化铟锡)制成的透明导电膜。
基于氮化物的发光器件1在平面图中测量为440um×530um。
示例1是安装在To-18晶体管管座(stem)上的基于氮化物的发光器件1，并且在无需覆盖树脂填充物的情况下测量光输出。在25℃的环境温度中，在100mA的驱动电流(电流密度J＝48A/cm2)下，获得的光输出P1(25)＝146.0mW(主波长450nm)。在80℃的环境温度中，在100mA的驱动电流下，获得的光输出P1(80)＝138.8mW。因为P1(80)/P1(25)＝95.1％，因此光输出并不显著地依赖于温度，因此示例1适合于由于自加热引起的高温操作。
为了比较，制备与示例1结构相同(只不过电子阻挡区16(18nm厚)被替换为18nm厚的p型Al0.22Ga07sN)的比较示例1。
比较示例1也安装在To-18晶体管管座上，并且在无需覆盖树脂密封(sealing)的情况下测量光输出。在25℃的环境温度中，在100mA的驱动电流下，获得的光输出Pc(25)＝138.7mW(主波长450nm)。在80℃的环境温度中，在100mA的驱动电流下，获得的光输出Pc(80)＝131.8mW。因此，功率P1(25)/Pc(25)的增加是105.3％，而功率P1(80)/Pc(80)的增加是105.3％。
虽然光输出的增加小于仿真数据的增加，但是已经证实了本发明中的性能提高。仿真与实际数据之间的增加差异可能是由于不完善的实验使得实验的电子阻挡区与设计的电子阻挡区不完全相同引起的。图15中的虚线示出了估计的Eg剖面，而设计的结构具有如实线所示的尖峰。但是其他原因可能引起所述差异。
虽然通过使用标准的发蓝光的基于氮化物的LED结构的示例描述了先前实施例中所述的电子阻挡区的铝成分值和厚度值的优选范围，但是本领域技术人员将清楚的是，这些范围也适用于以不同波长发光的其他LED结构，例如，在光谱的近紫外区(从380nm)到光谱的绿色区(到560nm)中发光的LED结构。本领域技术人员还将清楚的是，当将本发明使用于在光谱的紫外区中发光并且使用例如AlGaN衬底和/或AlGaN空穴供给层的LED中时，铝成分值的优选范围可能必须相应地改变(即，可能必须使用更高的铝成分值)。
根据上文，本发明的一个方面是基于III族氮化物的发光器件。在示例性实施例中，器件包括n型半导体层；第一p型半导体层；有源区；电子阻挡区，电子阻挡区包括位于有源区与第一p型半导体层之间的AlGaInN，并且至少包括升级层和降级层。电子阻挡区的升级层的铝成分从有源区侧向电子阻挡区的第一p型半导体层侧增加，并且电子阻挡区的降级层的铝成分从有源区侧向电子阻挡区的第一p型半导体层侧减小。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的层是AlGaN。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的升级层或降级层的铝成分以线性形式变化。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的升级层或降级层的铝成分以指数形式、对数形式或多项式形式之一变化。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的升级层或降级层的铝成分以非单调形式变化。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区包括升级层与降级层之间的中间层。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，升级层与降级层之间的中间层的铝成分是恒定的。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的升级层的厚度等于或小于100nm。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的升级层的厚度等于或小于50nm。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的降级层的厚度等于或大于1nm。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的降级层的厚度等于或大于2nm。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，升级层的厚度大于降级层的厚度。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，降级层的厚度等于或大于2nm。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，中间层位于升级层与降级层之间，并且升级层的厚度等于或大于中间层的厚度。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的最大铝成分比率在0.2与0.5之间。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，电子阻挡区的最大铝成分比率在0.28与0.4之间。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，基于氮化物的发光器件是发光二极管。
在基于氮化物的发光器件的示例性实施例中，基于氮化物的发光器件是激光二极管。
已经在本文中结合上述描述和附图公开了很多不同的实施例。将理解的是，逐字地描述和说明这些实施例的每一个组合和子组合将是过分重复的和模糊的。因此，可以以任意方式和/或组合来组合所有实施例，并且说明书(包括附图)将被理解为构成本文所述的实施例的所有组合和子组合以及进行和使用所有组合和子组合的方式和过程的完整书面描述，并且将支持对任何此类组合或子组合的保护。
工业实用性
本发明可应用于制造发光二极管LED以供多种用途，包括例如液晶显示器的背光源、汽车的车前灯、一般照明设备、光记录设备的激光器、和采用LED的其他适当的应用。

Claims (18)

1.一种基于III族氮化物的发光器件，包括：
n型半导体层；
第一p型半导体层；
有源区；以及
电子阻挡区，包括位于所述有源区与所述第一p型半导体层之间的AlGaInN，并且至少包括升级层和降级层；
其中，所述电子阻挡区的所述升级层的铝成分从所述电子阻挡区的有源区侧向所述电子阻挡区的第一p型半导体层侧增加，以及所述电子阻挡区的所述降级层的铝成分从所述电子阻挡区的所述有源区侧向所述电子阻挡区的所述第一p型半导体层侧减小。
2.根据权利要求1所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述层是AlGaN。
3.根据权利要求1所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述升级层或所述降级层的所述铝成分以线性形式变化。
4.根据权利要求1所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述升级层或所述降级层的所述铝成分以指数形式、对数形式或多项式形式之一变化。
5.根据权利要求1所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述升级层或所述降级层的所述铝成分以非单调形式变化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区包括所述升级层与所述降级层之间的中间层。
7.根据权利要求6所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述升级层与所述降级层之间的所述中间层的铝成分是恒定的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述升级层的厚度等于或小于100nm。
9.根据权利要求8所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述升级层的所述厚度等于或小于50nm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述降级层的厚度等于或大于1nm。
11.根据权利要求10所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述降级层的所述厚度等于或大于2nm。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述升级层的厚度大于所述降级层的厚度。
13.根据权利要求12所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述降级层的所述厚度等于或大于2nm。
14.根据权利要求12所述的基于氮化物的发光器件，其中，中间层位于所述升级层与所述降级层之间，并且所述升级层的所述厚度等于或大于所述中间层的厚度。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的最大铝成分比率在0.2与0.5之间。
16.根据权利要求15所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述电子阻挡区的所述最大铝成分比率在0.28与0.4之间。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述基于氮化物的发光器件是发光二极管。
18.根据权利要求1至16中任一项所述的基于氮化物的发光器件，其中，所述基于氮化物的发光器件是激光二极管。
CN201410805979.XA 2013-12-24 2014-12-22 具有双分级电子阻挡层的氮化物led结构 Pending CN104733582A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/139,915 US20150179881A1 (en) 2013-12-24 2013-12-24 Nitride led structure with double graded electron blocking layer
US14/139,915 2013-12-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN104733582A true CN104733582A (zh) 2015-06-24

Family

ID=53401031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410805979.XA Pending CN104733582A (zh) 2013-12-24 2014-12-22 具有双分级电子阻挡层的氮化物led结构

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20150179881A1 (zh)
JP (1) JP5908967B2 (zh)
CN (1) CN104733582A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108140695A (zh) * 2015-09-17 2018-06-08 晶体公司 包含二维空穴气体的紫外发光器件
CN108198921A (zh) * 2017-11-30 2018-06-22 华灿光电(苏州）有限公司 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法
TWI738640B (zh) * 2016-03-08 2021-09-11 新世紀光電股份有限公司 半導體結構

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10153394B2 (en) 2012-11-19 2018-12-11 Genesis Photonics Inc. Semiconductor structure
TWI535055B (zh) 2012-11-19 2016-05-21 新世紀光電股份有限公司 氮化物半導體結構及半導體發光元件
TWI524551B (zh) 2012-11-19 2016-03-01 新世紀光電股份有限公司 氮化物半導體結構及半導體發光元件
JP6831375B2 (ja) * 2016-05-13 2021-02-17 ヌヴォトンテクノロジージャパン株式会社 窒化物系発光素子
TWI717386B (zh) 2016-09-19 2021-02-01 新世紀光電股份有限公司 含氮半導體元件

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11340580A (ja) * 1997-07-30 1999-12-10 Fujitsu Ltd 半導体レーザ、半導体発光素子、及び、その製造方法
JP3279266B2 (ja) * 1998-09-11 2002-04-30 日本電気株式会社 窒化ガリウム系半導体発光素子
US20080137701A1 (en) * 2006-12-12 2008-06-12 Joseph Michael Freund Gallium Nitride Based Semiconductor Device with Reduced Stress Electron Blocking Layer
US8648384B2 (en) * 2011-07-25 2014-02-11 Lg Innotek Co., Ltd. Light emitting device
JP5781032B2 (ja) * 2012-07-30 2015-09-16 株式会社東芝 半導体発光素子

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108140695A (zh) * 2015-09-17 2018-06-08 晶体公司 包含二维空穴气体的紫外发光器件
CN108140695B (zh) * 2015-09-17 2021-02-09 晶体公司 包含二维空穴气体的紫外发光器件
TWI738640B (zh) * 2016-03-08 2021-09-11 新世紀光電股份有限公司 半導體結構
CN108198921A (zh) * 2017-11-30 2018-06-22 华灿光电(苏州）有限公司 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015122500A (ja) 2015-07-02
JP5908967B2 (ja) 2016-04-26
US20150179881A1 (en) 2015-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104733582A (zh) 具有双分级电子阻挡层的氮化物led结构
EP2325902B1 (en) Light emitting diode having a modulation doping layer
US9911898B2 (en) Ultraviolet light-emitting device
EP2523228B1 (en) Light emitting diode
US10756231B2 (en) Group III nitride based LED structures including multiple quantum wells with barrier-well unit interface layers
KR100714553B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
TW201421734A (zh) 氮化物半導體結構及半導體發光元件
KR101997020B1 (ko) 근자외선 발광 소자
KR20140002910A (ko) 근자외선 발광 소자
KR102160070B1 (ko) 근자외선 발광 소자
CN108604622B (zh) 发光器件和包括发光器件的发光器件封装
KR100979701B1 (ko) 변조도핑층을 갖는 발광 다이오드
US11538960B2 (en) Epitaxial light emitting structure and light emitting diode
CN111326622A (zh) 一种基于空穴调整层的发光二极管
KR20000024945A (ko) 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법
KR101507130B1 (ko) 초격자층을 갖는 발광 다이오드
KR20130097362A (ko) 반도체 발광소자
KR20130103070A (ko) 반도체 발광소자
US11393948B2 (en) Group III nitride LED structures with improved electrical performance
Kim et al. Influence of size reduction and current density on the optoelectrical properties of green III-nitride micro-LEDs
US20230122025A1 (en) Semiconductor light emitting device
Mazumder et al. Comparison of Electro-Optical Characteristics of Simulated and Fabricated InGaN/GaN MQWs Green Light Emitting Diodes on c-Plane Sapphire
KR102600002B1 (ko) 반도체 발광 소자
Lei et al. Improved Modulation Bandwidth of c-Plane Micro-LED Arrays by Varying Si Doping in the Quantum Barrier
KR20160014343A (ko) 발광소자 및 조명시스템

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20150624