CN104821355A - 一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构 - Google Patents

一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、不掺杂的氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述多量子阱层由多个垒层AlxGa（1-x）N和阱层InyGa(1-y)N交替叠加而成。本发明采用Al组分渐变AlGaN做垒层，有效拉低电子阻挡层的价带与靠近电子阻挡层的垒层的势垒落差，进而提高了空穴的注入效率，同时通过增加多量子阱中的阱与垒的势垒高度差进一步增强阱对电子的束缚作用，有效的抑制了电子的溢出，从而增加电子与空穴在多量子阱中的复合几率，进而提高LED的发光效率；而且对于与现有技术，本发明结构相对简单，利于MOCVD进行生长。本发明作为一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构可广泛应用于LED领域。

Description

一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构
技术领域
本发明涉及LED领域，尤其是一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构。
背景技术
LED已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。近年来, 以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料受到人们的广泛关注和大力研究。尤其是Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料(AlN, GaN 和InN)以及它们相关的合金和异质结，在高温、高频大功率电子器件和短波长光电子器件方面具有显著的优势,并在近几年的研究和应用中取得了突破性的进展。
外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而多量子阱又是外延层的最重要部分，对大功率GaN基LED来说，合适的电子阻挡层可以有效增强整个外延层的光输出效率。
经过若干年的发展，LED的外延层结构和外延技术已经比较成熟，其内量子效率最高可达90%以上。但是随着大功率LED芯片的兴起，LED在大注入下的量子效率下降（nGaN/GaN基阱垒结构LED当注入的电流密度较大时, LED的量子效率随注入电流密度增大而下降）引起广泛关注，该现象被形象地称为Droop效应(光效下降现象)。不同于传统半导体光电材料，GaN基LED的Droop效应起因十分复杂，相应也缺乏有效的解决手段。传统外延结构如图1所示，该结构中多量子阱层的最后一个量子垒与P型AlGaN电子阻挡层连接，电子阻挡层在阻挡电子传输的同时也阻挡了空穴的注入，因此发光二极管的总体发光效率无法得到明显的提高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种垒层结构简单、能有效降低LED的Droop效应的外延结构。
本发明所采用的技术方案是：一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、不掺杂的氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述多量子阱层由多个垒层AlxGa（1-x）N和阱层InyGa(1-y)N交替叠加而成，其中x为垒层中Al的组分，与垒层中Al与Ga的比例相关，其中y为阱层中In的组分，与阱层中In与Ga的比例相关。
进一步，所述电子阻挡层为AlzGa（1-z）N，厚度为20nm，其中z为电子阻挡层中Al的组分，所述电子阻挡层为P型掺杂。
进一步，所述的多量子阱层中垒层厚度为12nm，阱层的厚度为3nm。
进一步，所述多量子阱层中垒层的层数为6，阱层的层数为5。
进一步，所述多量子阱层的6个垒层中Al的组分按照从下至上的顺序依次递减。
进一步，所述的多量子阱层的6个垒层中Al的组分x为渐变的，从下至上依次为0.1、0.08、0.06、0.04、0.02、0。
进一步，所述多量子阱层的阱层中In的组分y的均取相同值，取值范围为0＜y≤1。
进一步，所述的N型氮化镓层的掺杂剂为Si，其掺杂浓度为5×1018 cm-3。
进一步，所述P型氮化镓层的掺杂剂为Mg，其掺杂浓度为1.2×1018 cm-3。
进一步，所述的多量子阱层中，垒层均为N型掺杂，掺杂剂为Si，掺杂浓度为3×1017 cm-3，阱层不作掺杂。
本发明的有益效果是：本发明采用Al组分渐变AlGaN做垒层，并且通过越靠近P型层AlGaN的Al组分越高，从而有效拉低电子阻挡层的价带与靠近电子阻挡层的垒层的势垒落差，降低了该垒层与电子阻挡层的势垒差，进而提高了空穴的注入效率，同时通过增加多量子阱中的阱与垒的势垒高度差进一步增强阱对电子的束缚作用，有效的抑制了电子的溢出，从而增加电子与空穴在多量子阱中的复合几率，进而提高LED的发光效率；而且对于与现有技术，本发明结构相对简单，利于MOCVD进行生长。
附图说明
图1为传统LED外延结构图；
图2为本发明LED多量子阱的外延结构的示意图；
图3为传统LED的多量子阱的外延结构的示意图；
图4为本发明LED与传统LED外延结构模拟发光效率的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，包括有从下至上依次层叠的衬底、不掺杂的氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，参照图2，所述多量子阱层由多个垒层AlxGa（1-x）N和阱层InyGa(1-y)N交替叠加而成，其中x为垒层中Al的组分，其中y为阱层中In的组分。
所述的不掺杂的氮化镓层按照低温成核，高温退火，粗糙层，恢复层的次序结构生长出晶格质量比较好未掺杂的GaN。
进一步作为优选的实施方式，所述电子阻挡层为AlzGa（1-z）N，厚度为20nm，其中z为电子阻挡层中Al的组分，所述电子阻挡层为P型掺杂。
其中电子阻挡层中Al的组分的典型取值可为0.15。
进一步作为优选的实施方式，所述的多量子阱层中垒层厚度为12nm，阱层的厚度为3nm。
进一步作为优选的实施方式，所述多量子阱层中垒层的层数为6，阱层的层数为5。
进一步作为优选的实施方式，所述多量子阱层的6个垒层中Al的组分按照从下至上的顺序依次递减。
进一步作为优选的实施方式，所述的多量子阱层的6个垒层中Al的组分x为渐变的，从下至上依次为0.1、0.08、0.06、0.04、0.02、0。
参照图1和2，其中靠近N型氮化镓层的垒层的x值为0.1，即Al0.1Ga0.9N；靠近P型氮化镓层的垒层的x值为0，即GaN。
对比图2（本发明LED多量子阱的外延结构的示意图）和图3（传统LED的多量子阱的外延结构的示意图），可以明显的看出本发明采用不同组分的Al的AlGaN作为多量子阱层的垒，例如上述实施例采用的是：0.1、0.08、0.06、0.04、0.02、0的逐渐递减的Al组分。由于AlGaN的禁带宽度要比GaN的禁带宽度大，所以通过以上多量子阱的垒的设计可以对多量子阱的能带产生改变，可以证明该设计有效的拉低电子阻挡层的价带与靠近电子阻挡层的垒层的势垒落差，降低了该垒层与电子阻挡层的势垒差，进而提高了空穴的注入效率，同时通过增加多量子阱中的阱与垒的势垒高度差可以有效的增加阱对电子的束缚作用，减少了电子的泄露，从而增加电子与空穴在多量子阱中的复合几率，进而提高LED的发光效率，参考图4，其中A虚线为传统LED的模拟结果， B实线为本发明LED的模拟结果，在大电流注入的条件下，本发明的LED的发光效率明显高于传统的LED，Droop效应得到明显的改善。
进一步作为优选的实施方式，所述多量子阱层的阱层中In的组分y的均取相同值，取值范围为0＜y≤1。
所述多量子阱层的阱层中In的组分y的典型取值可为0.16。
进一步作为优选的实施方式，所述的N型氮化镓层的掺杂剂为Si，其掺杂浓度为5×1018 cm-3。
进一步作为优选的实施方式，所述P型氮化镓层的掺杂剂为Mg，其掺杂浓度为1.2×1018 cm-3。
进一步作为优选的实施方式，所述的多量子阱层中，垒层均为N型掺杂，掺杂剂为Si，掺杂浓度为3×1017 cm-3，阱层不作掺杂。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：包括有从下至上依次层叠的衬底、不掺杂的氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和P型氮化镓层，所述多量子阱层由多个垒层AlxGa（1-x）N和阱层InyGa(1-y)N交替叠加而成，其中x为垒层中Al的组分，其中y为阱层中In的组分。
2.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述电子阻挡层为AlzGa（1-z）N，厚度为20nm，其中z为电子阻挡层中Al的组分，所述电子阻挡层为P型掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述的多量子阱层中垒层厚度为12nm，阱层的厚度为3nm。
4.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述多量子阱层中垒层的层数为6，阱层的层数为5。
5.根据权利要求4所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述多量子阱层的6个垒层中Al的组分按照从下至上的顺序依次递减。
6.根据权利要求5所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述的多量子阱层的6个垒层中Al的组分x为渐变的，从下至上依次为0.1、0.08、0.06、0.04、0.02、0。
7.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述多量子阱层的阱层中In的组分y的均取相同值，取值范围为0＜y≤1。
8.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述的N型氮化镓层的掺杂剂为Si，其掺杂浓度为5×1018 cm-3。
9.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述P型氮化镓层的掺杂剂为Mg，其掺杂浓度为1.2×1018 cm-3。
10.根据权利要求1所述的一种可有效降低LED的Droop效应的外延结构，其特征在于：所述的多量子阱层中，垒层均为N型掺杂，掺杂剂为Si，掺杂浓度为3×1017 cm-3，阱层不作掺杂。
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