CN105047771B - 一种氮化物发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氮化物发光二极管，通过在多量子阱发光层的两侧沉积多层的磁性材料超晶格的量子点，利用电磁效应和氮化物的压电效应产生磁‑电‑压效应，施加外部磁场来控制多量子阱的极化场，使氮化镓基材料量子阱中弯曲能带被拉平，获得无极化场的导带和价带平行的量子阱能带，从而提升电子和空穴在K空间中交叠和复合机率，提升发光强度和效率，降低efficiency droop。
Description
技术领域
本发明涉及半导体固体照明领域，特别是一种氮化物发光二极管。
背景技术
现今，氮化物发光二极管（LED）固体照明因其独特的性能，已在照明方面实现广泛的应用，如液晶背光照明、手机背光照明、LED路灯、LED白光照明等。但由于氮化物发光二极管有自发极化和压电极化效应，生长量子阱发光层时强烈的极化效应会导致量子阱发生弯曲，降低电子和空穴的复合效率和限制效应，导致发光强度和内量子效率偏低等问题，尚不能在照明方面获得适当的市场份额。为了推动白光LED的市场化进程，大幅提升LED的内量子效率是迫在眉睫的工作。虽然目前已经尝试了各种途径来提高IQE，但是要实现该目标还有很长的路。
鉴于现有技术中存在LED的内量子效率较低的问题。因此有必要提出一种新的一种发光二极管的外延结构及其制作方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对目前氮化物发光二极管存在内量子效率偏低的问题，提供一种氮化物发光二极管，通过在多量子阱发光层的两侧沉积多层的磁性材料超晶格的量子点，利用电磁效应和氮化物的压电效应产生磁-电-压效应，施加外部磁场来控制多量子阱的极化场，使氮化镓基材料量子阱中弯曲能带被拉平，获得无极化场的导带和价带平行的量子阱能带，从而提升电子和空穴在量子阱中的限制效应和复合机率，提升发光强度和效率，降低efficiency droop。
一种氮化物发光二极管，包括衬底、n型氮化物半导体，多量子阱发光半导体层、p型氮化镓半导体层和多层磁性材料超晶格的量子点，其特征在于：在多量子阱发光层的两侧分别沉积多层磁性材料超晶格的量子点，然后，通过控制外部磁场的方向和大小来调控氮化物多量子阱的极化场，调控量子阱的能带弯曲。
进一步地，根据本发明，多层磁性量子点由第一层和第二层磁性材料组成的超晶格，第一层磁性材料为Ni、Co、Mn等磁性材料，包裹的第二层磁性材料为FeCo、Fe3O4、Cr2O3、Fe2CrSi等磁性材料。
进一步地，根据本发明，所述的多层磁性超晶格的量子点的周期为N（N>=1）。
进一步地，根据本发明，所述的多层磁性超晶格的量子点的直径约5~500nm。
进一步地，根据本发明，所述的组成多层磁性超晶格的每层磁性材料的厚度为2.5~250nm。
进一步地，根据本发明，所述的多层磁性超晶格的量子点的形状为球状、半球状、金字塔锥状、平台状。
进一步地，根据本发明，所述的多层磁性超晶格的量子点位于量子阱的两侧，每个量子点的间距为5~500nm，量子点可产生电磁-磁电-电压效应，控制多量子阱的能带极化场，间距可保证电子和空穴注入到多量子阱区。
进一步地，根据本发明，所述的外加磁场为线圈磁场或电磁铁磁场等各种能产生磁场的发生装置，可控制磁场的方向和大小，并将芯片集成封装在磁场发生装置中。
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为传统的氮化物发光二极管的原理示意图。
图2为本发明实施例氮化物发光二极管的原理示意图。
图3为本发明实施例正面生长磁性材料超晶格的量子点的示意图。
图4为本发明实施例激光剥离的结构示意图，用于制备背面的磁性材料超晶格的量子点。
图5为本发明实施例氮化物发光二极管的结构示意图。
附图标注：100：衬底；101：缓冲层；102：n型氮化物；103：多量子阱发光层；104a、104b：第一层磁性材料的量子点；105a、105b：第二层磁性材料；106：p型氮化物；107：p型接触层；108：硅衬底；109：p型电极；110：n型电极。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。除非另有说明，否则这里所用的所有技术和科学用语与本领域的普通技术人员所普遍理解的意义相同。
如图1所示，传统氮化物发光二极管因其自身的自发极化和压电极化效应，生长的多量子阱发光层的能带会受极化场的作用而发生弯曲，导致电子和空穴在K空间上分离，降低电子和空穴波函数的交叠，引起电子和空穴的复合效率的下降和发光效率的降低。
如图2所示，本实施例提出的氮化物发光二极管，其设计原理为：采用磁性超晶格量子点，可通过施加外部磁场，通过电磁效应改变极化场的大小和方向，调控多量子阱发光层的能带，形成导带和价带平行的无弯曲的能带结构，使电子和空穴的波函数在K空间内完全重合，提升电子和空穴的复合效率，从而提升发光效率和发光强度，降低efficiencydroop。
本实施例的氮化物发光二极管，包括衬底100，衬底选用蓝宝石衬底；在衬底上生长缓冲层101，释放应力后再生长n型氮化物102，然后，生长多量子阱发光层103。在量子阱层长完后，先沉积半球状的第一层磁性材料的量子点104a，量子点直径约5~500nm，每个量子点的间距为5~500nm，然后再沉积第二层磁性材料105a，交替生长形成超晶格结构（示意图只画出周期N=1的超晶格结构），超晶格结构的每层磁性材料的厚度为2.5~250nm。其中第一层磁性材料可选用Ni、Co、Mn等磁性材料，包裹的第二层磁性材料可选用FeCo、Fe3O4、Cr2O3、Fe2CrSi等磁性材料。然后，利用两步生长法，侧向外延生长p型氮化物106，最后，生长p型接触层107。
背面生长的磁性材料超晶格的量子点如图3和图4所示。首先，将p型接触层107键合在硅衬底108上，然后，采用激光剥离的方法将蓝宝石剥离；剥离蓝宝石后再采用光罩和ICP蚀刻的方法将部分区域蚀刻至多量子阱界面。然后，沉积第一层磁性材料的量子点104b，量子点直径约5~500nm，每个量子点的间距为5~500nm，再沉积第二层磁性材料105b，交替生长形成超晶格结构（示意图只画出N=1的超晶格结构），超晶格结构的每层磁性材料的厚度为2.5~250nm。
最后，将制备好的氮化物发光二极管封装在带有磁场的封装体中，如图5所示，利用电磁效应和氮化物的压电效应产生磁-电-压效应，通过控制磁场的方向和大小来降低多量子阱的弯曲程度，从而提升电子和空穴的复合效率，提升氮化物发光二极管的发光效率。
Claims (8)
1.一种氮化物发光二极管，包括衬底、n型氮化物半导体、多量子阱发光层、p型氮化镓半导体层和多层磁性材料超晶格的量子点，其特征在于：在多量子阱发光层的两侧分别沉积多层磁性材料超晶格的量子点，然后利用电磁效应和氮化物的压电效应产生磁-电-压效应，通过控制外部磁场的方向和大小来调控氮化物多量子阱的极化场，使弯曲的能带被拉平，形成无极化的导带和价带平行的量子阱能带，从而提升电子和空穴的限制效率和复合效率，提升发光强度和效率，改善efficiency droop。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述的多层磁性材料超晶格的量子点由第一层和第二层磁性材料组成的超晶格，第一层磁性材料为Ni、Co、Mn具有磁性的单质的任意一种，包裹的第二层磁性材料为FeCo、Fe3O4、Cr2O3、Fe2CrSi具有磁性的化合物的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述多层磁性材料超晶格的量子点的周期为N（N>=1）。
4.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述多层磁性材料超晶格的量子点的直径5~500nm。
5.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：组成所述多层磁性材料超晶格的每层磁性材料的厚度为2.5~250nm。
6.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述多层磁性材料超晶格的量子点的形状为球状、半球状、金字塔锥状、平台状的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述多层磁性材料超晶格的量子点位于量子阱的两侧，每个量子点的间距为5~500nm，量子点可产生电磁-磁电-电压效应，控制多量子阱的能带极化场，间距可保证电子和空穴注入到多量子阱区。
8.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述外部磁场为线圈磁场或电磁铁磁场能产生磁场的发生装置，用于控制磁场的方向和大小，并将芯片集成封装在磁场发生装置中。
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