CN105977349A - 一种具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有p‑i‑n隧道结的多有源区发光二极管，该二极管由下至上依次包括衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、n型氮化物层、第一发光区、p‑i‑n隧道结、第二发光区、和氧化铟锡导电层；其中第一发光区由第一有源区、第一p型氮化物电子阻挡层和第一p型氮化物空穴注入层组成，第二发光区由第二有源区、第二p型氮化物电子阻挡层和第二p型氮化物空穴注入层组成。本发明实现了多有源区发光，不仅可以降低电极接触带来的电迁移问题，还能有效减小传统隧道结工作时内部耗尽区的宽度，从而减小电子隧穿的距离，增加电子隧穿的几率，并可有效缓解传统重掺杂隧道结引起的晶格失配，提高器件的晶体质量。
Description
技术领域
本发明提供了一种具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管(LED)，属于半导体光电子材料和器件的制造领域。
背景技术
LED作为新型高效的固态光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、低工作电压等显著优点，已广泛应用于照明、显示、环保、通信等领域。
如图3，在既有的基于III-V族化合物半导体材料的LED中，在LED的pn结上施加正向电压时，pn结会有电流流过。电子和空穴在pn结过渡层中复合会产生光子，然而由于LED的pn结作为掺杂半导体，存在着材料品质、位错因素以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迁到基态与晶格原子或离子交换能量时发生无辐射跃迁，这部分能量未转换成光能而是转换成热能损耗在pn结内，导致LED的内量子效率降低。
为了提高LED的内量子效率，方法之一是利用pn隧道结将LED中的两个或多个有源区连接起来。载流子在第一有源区复合发光后，在内建电场的作用下，从第一有源区价带隧穿过隧道结到第二有源区的导带，从而使载流子实现了再生并在下一个有源区继续复合发光，因此反向隧道结起到了价带电子隧穿到导带使载流子再生的作用。相较于单一有源区LED，具有隧道结的多有源区LED能够使载流子多次复合发光，实现了内量子效率的倍增。此外，隧道结还可有效增强电流的扩散，使得有源区中电子与空穴的再复合几率增加。具有隧道结的多有源区LED较之相同数目的单有源区LED具有较少的电极接触，可以有效降低电极接触带来的电迁移问题。
传统pn隧道结是利用重掺杂技术得到p+/n+结，然而要得到重掺杂的p型氮化物层必须对氮化物材料进行金属Mg的重度掺杂，而太高的Mg掺杂会很大程度上影响材料的晶体质量，从而影响LED的性能。所以要得到厚度合适且晶体质量较好的隧道结并不容易。因此，如何在保证氮化物材料晶体质量的同时增加电子的隧穿几率是目前亟需解决的问题。
发明内容
技术问题：为了解决上述提到的问题，本发明提供了一种具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供一种具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，该二极管由下至上依次包括衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、n型氮化物层、第一发光区、p-i-n隧道结、第二发光区、和氧化铟锡导电层；其中第一发光区由第一有源区、第一p型氮化物电子阻挡层和第一p型氮化物空穴注入层组成，第二发光区由第二有源区、第二p型氮化物电子阻挡层和第二p型氮化物空穴注入层组成；在n型氮化物层和ITO导电层上分别设置n电极和p电极。
优选的，所述衬底为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料中的任一种。
优选的，第一发光区和第二发光区中第一有源区和第二有源区的厚度分别为20-500nm，第一p型氮化物电子阻挡层和第二p型氮化物电子阻挡层的厚度分别为10-300nm，第二p型氮化物空穴注入层和第二p型氮化物空穴注入层(1073)的厚度为20-500nm。
优选的，所述的p-i-n隧道结包括轻掺杂p型氮化物层、重掺杂p型氮化物层、非掺杂氮化物层、重掺杂n型氮化物层、轻掺杂n型氮化物层。
优选的，所述的轻掺杂n型氮化物层和重掺杂n型氮化物层利用Si进行掺杂，其中Si轻掺杂n型氮化物层的电子浓度为1×1016-1×1018cm-3，Si重掺杂n型氮化物层的电子浓度为1×1019cm-3以上；所述的轻掺杂p型氮化物层和重掺杂p型氮化物层利用Mg进行掺杂，其中Mg轻掺杂p型氮化物层的空穴浓度为1×1016-1×1017cm-3，Mg重掺杂p型氮化物层的空穴浓度为1×1018cm-3以上。
优选的，所述的轻掺杂n型氮化物层、重掺杂n型氮化物层、轻掺杂p型氮化物层和重掺杂p型氮化物层选用组分均匀的AlGaN等三元氮化物层，InAlGaN等四元氮化物层，或者组分渐变的AlGaN、InAlGaN等氮化物层，AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任一种。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)通过采用具有p-i-n隧道结的多有源区结构，能够使电子在第一有源区复合发光后，在内建电场的作用下，从第一有源区的价带隧穿通过p-i-n隧道结进入第二有源区的导带，从而实现了载流子的再生并在第二有源区再次复合发光，使LED的内量子效率倍增。
(2)p-i-n隧道结能够有效地增强电流的扩散能力，使得第二有源区中电子与空穴的再复合几率增加，从而提高LED的内量子效率。
(3)通过以重掺杂的p型氮化物层，非掺杂的氮化物层，在非掺杂的氮化物层之上的重掺杂n型氮化物层共同构成的p-i-n隧道结代替传统的p-n隧道结结构，能够有效地减小传统隧道结工作时内部耗尽区的宽度，从而可以减小电子遂穿的距离，增加电子隧穿的几率。
(4)通过以p-i-n隧道结代替传统的p-n隧道结，可以有效缓解重掺杂隧道结结构的晶格失配，提高器件的晶体质量。
附图说明
图1为本发明提供的具有p-i-n隧道结的多有源区LED的断面结构示意图。其中数字的含义为：衬底101、氮化物成核层102、氮化物缓冲层103、n型氮化物层104、第一发光区105、p-i-n隧道结106、第二发光区107和氧化铟锡(ITO)导电层108，第一有源区1051、第一p型氮化物电子阻挡层1052和第一p型氮化物空穴注入层1053、第二有源区1071、第二p型氮化物电子阻挡层1072和第二p型氮化物空穴注入层1073、在n型氮化物层104和ITO导电层108上分别设置n电极109和p电极110。
图2为本发明提供的具有p-i-n隧道结的多有源区LED的p-i-n隧道结106的放大断面结构示意图。其中数字的含义为：轻掺杂p型氮化物层1061、重掺杂p型氮化物层1062、非掺杂氮化物层1063、重掺杂n型氮化物层1064、轻掺杂n型氮化物层1065。
图3为现有技术制备的单有源区LED断面结构示意图。其中数字的含义为：衬底301、氮化物成核层302、氮化物缓冲层303、n型氮化物层304、有源区305、电子阻挡层306、p型氮化物空穴注入层307、氧化铟锡(ITO)导电层308、n电极309和p电极310。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅仅用以具体解释本发明，而并不用于限定本发明权利要求的范畴。
本发明提供的具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，以双有源区二极管为例，该二极管由下至上依次包括衬底101、氮化物成核层102、氮化物缓冲层103、n型氮化物层104、第一发光区105、p-i-n隧道结106、第二发光区107、和氧化铟锡导电层108；其中第一发光区105由第一有源区1051、第一p型氮化物电子阻挡层1052和第一p型氮化物空穴注入层1053组成，第二发光区107由第二有源区1071、第二p型氮化物电子阻挡层1072和第二p型氮化物空穴注入层1073组成；在n型氮化物层和ITO导电层上分别设置n电极109和p电极110。
所述衬底101为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料中的任一种。
第一发光区105和第二发光区107中第一有源区1051和第二有源区1071的厚度分别为20-500nm，第一p型氮化物电子阻挡层1052和第二p型氮化物电子阻挡层1072的厚度分别为10-300nm，第二p型氮化物空穴注入层1073和第二p型氮化物空穴注入层1073的厚度为20-500nm。
所述的p-i-n隧道结106包括轻掺杂p型氮化物层1061、重掺杂p型氮化物层1062、非掺杂氮化物层1063、重掺杂n型氮化物层1064、轻掺杂n型氮化物层1605。
所述的轻掺杂n型氮化物层1065和重掺杂n型氮化物层1064利用Si进行掺杂，其中Si轻掺杂n型氮化物层1065的电子浓度为1×1016-1×1018cm-3，Si重掺杂n型氮化物层1064的电子浓度为1×1019cm-3以上；所述的轻掺杂p型氮化物层1061和重掺杂p型氮化物层1062利用Mg进行掺杂，其中Mg轻掺杂p型氮化物层1061的空穴浓度为1×1016-1×1017cm-3，Mg重掺杂p型氮化物层1062的空穴浓度为1×1018cm-3以上。
p型氮化物层1061和重掺杂p型氮化物层1062选用组分均匀的AlGaN等三元氮化物层，InAlGaN等四元氮化物层，或者组分渐变的AlGaN、InAlGaN等氮化物层，AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任一种。
实施例
如图1所示，是本发明提供的具有p-i-n隧道结的多有源区LED，其特征在于：由下至上包括极性c面蓝宝石衬底101、AlN成核层102、AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、第一发光区105、p-i-n隧道结106、第二发光区107、和氧化铟锡(ITO)导电层108，其中发光区由Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区1051和1071、p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1052和1072及p型AlGaN空穴注入层1053和1073组成，其中x1＜x2＜x3，在n区和ITO导电层上分别引出n电极109和p电极110。图2为本发明提供的具有p-i-n隧道结的多有源区LED的p-i-n隧道结的层结构示意图，所述的p-i-n隧道结106包括轻掺杂p型AlGaN层1061、重掺杂p型AlGaN层1062、非掺杂Iny1Aly2Ga1-y1-y2N层1063、重掺杂n型AlGaN层1064、轻掺杂n型AlGaN层1065。
所述AlN成核层102的厚度为15-50nm，非掺杂AlGaN缓冲层103的厚度为50-500nm，n型AlGaN层104的厚度为200-3000nm，发光区中有源区1051和1071的厚度为20-1000nm，p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1052和1072的厚度为3-30nm，p型AlGaN空穴注入层1053和1073的厚度为50-500nm。
所述的p-i-n隧道结106包括轻掺杂p型AlGaN层1061、重掺杂p型AlGaN层1062、非掺杂Iny1Aly2Ga1-y1-y2N层1063、重掺杂n型AlGaN层1064、轻掺杂n型AlGaN层1065。
所述的非掺杂Iny1Aly2Ga1-y1-y2N层1063中，各元素组分满足如下要求：0≤y1≤1，0≤y2≤1，0≤y1+y2≤1，且其厚度为0.5-10nm。
所述的轻掺杂n型AlGaN层1065和重掺杂n型AlGaN层1064利用Si进行掺杂，其中轻掺杂n型AlGaN层1065中的电子浓度为1×1018cm-3，重掺杂n型AlGaN层1064中的电子浓度为1×1020cm-3。
所述的轻掺杂p型AlGaN层1061和重掺杂p型AlGaN层1062利用Mg进行掺杂，其中轻掺杂p型AlGaN层1061中的空穴浓度为1×1017cm-3，重掺杂p型AlGaN层1062中的空穴浓度为1×1019cm-3。
所述的轻掺杂n型AlGaN层1065、重掺杂n型AlGaN层1064、轻掺杂p型AlGaN层1061和重掺杂p型AlGaN层1062为Al组分渐变的Si或者Mg掺杂的AlGaN层。
所述的有源区1051和1071为Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱结构，其中Alx1Ga1-x1N量子阱的阱宽为1-10nm，Alx2Ga1-x2N势垒的垒厚为1-30nm，周期数为2-50。
所述的p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1052和1072为Al组分渐变的AlGaN层，其中0≤x1＜x2＜x3≤1。
需着重说明的是，本发明的具有p-i-n隧道结的多有源区LED的核心部分包括由重掺杂的p型AlGaN层，非掺杂的Iny1Aly2Ga1-y1-y2N层，在非掺杂的Iny1Aly2Ga1-y1-y2N层之上的重掺杂n型AlGaN层所共同构成的p-i-n隧道结。此部分是本发明实现电子隧穿的几率增加，缓解重掺杂隧道结的晶格失配，提高器件的晶体质量的关键。
本发明通过采用具有p-i-n隧道结的多有源区结构，能够使电子在第一有源区复合发光后，在内建电场的作用下，从第一有源区的价带隧穿通过p-i-n隧道结进入第二有源区的导带，从而实现了载流子的再生并在第二有源区再次复合发光。p-i-n隧道结还可有效地增强电流的扩散能力，使得第二有源区中电子与空穴的再复合几率增加，从而提高LED的内量子效率。本发明提供的具有p-i-n隧道结的多有源区LED实现了多有源区发光，相比传统单有源区LED，不仅可以降低电极接触带来的电迁移问题，还能够有效地减小传统隧道结工作时内部耗尽区的宽度，从而可以减小电子隧穿的距离，增加电子隧穿的几率，并可有效缓解传统重掺杂隧道结引起的晶格失配，提高器件的晶体质量。因此，本发明所提供的这些优势对于制备高量子效率氮化镓基LED具有十分重要的意义。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (6)
1.一种具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，其特征在于，该二极管由下至上依次包括衬底(101)、氮化物成核层(102)、氮化物缓冲层(103)、n型氮化物层(104)、第一发光区(105)、p-i-n隧道结(106)、第二发光区(107)、和氧化铟锡导电层(108)；其中第一发光区(105)由第一有源区(1051)、第一p型氮化物电子阻挡层(1052)和第一p型氮化物空穴注入层(1053)组成，第二发光区(107)由第二有源区(1071)、第二p型氮化物电子阻挡层(1072)和第二p型氮化物空穴注入层(1073)组成；在n型氮化物层和ITO导电层上分别设置n电极(109)和p电极(110)。
2.根据权利要求1所述的具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，其特征在于，所述衬底(101)为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料中的任一种。
3.根据权利要求1所述的具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，其特征在于，第一发光区(105)和第二发光区(107)中第一有源区(1051)和第二有源区(1071)的厚度分别为20-500nm，第一p型氮化物电子阻挡层(1052)和第二p型氮化物电子阻挡层(1072)的厚度分别为10-300nm，第二p型氮化物空穴注入层(1073)和第二p型氮化物空穴注入层(1073)的厚度为20-500nm。
4.根据权利要求1所述的具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，其特征在于，所述的p-i-n隧道结(106)包括轻掺杂p型氮化物层(1061)、重掺杂p型氮化物层(1062)、非掺杂氮化物层(1063)、重掺杂n型氮化物层(1064)、轻掺杂n型氮化物层(1605)。
5.根据权利要求4所述的具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，其特征在于，所述的轻掺杂n型氮化物层(1065)和重掺杂n型氮化物层(1064)利用Si进行掺杂，其中Si轻掺杂n型氮化物层(1065)的电子浓度为1×1016-1×1018cm-3，Si重掺杂n型氮化物层(1064)的电子浓度为1×1019cm-3以上；所述的轻掺杂p型氮化物层(1061)和重掺杂p型氮化物层(1062)利用Mg进行掺杂，其中Mg轻掺杂p型氮化物层(1061)的空穴浓度为1×1016-1×1017cm-3，Mg重掺杂p型氮化物层(1062)的空穴浓度为1×1018cm-3以上。
6.根据权利要求4所述的具有p-i-n隧道结的多有源区发光二极管，其特征在于，所述的轻掺杂n型氮化物层(1065)、重掺杂n型氮化物层(1064)、轻掺杂p型氮化物层(1061)和重掺杂p型氮化物层(1062)选用组分均匀的AlGaN三元氮化物层，InAlGaN四元氮化物层，或者组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任一种。
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