CN1079586C - 高效逐级增强高亮度发光二极管及其设计方法 - Google Patents

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一种高效逐级增强高亮度发光二极管及其设计方法，属于半导体光电子技术领域，其特征是发光二极管中的发光区由多个重复排列的单元大发光区构成，每一个单元大发光区包括前级发光区和后级发光区以及位于前后两级发光区之间的P+-N+隧道结。多级发光区通过各级间的隧道结为前级复合掉的电子和空穴提供再生通道，从而成倍地提高器件的量子效率和亮度。该发光二极管能提供高亮度半导体光源，用于光显示、交通信号灯、汽车头尾灯等领域。

Description

高效逐级增强高亮度发光二极管及其设计方法
一种高效逐级增强高亮度发光二极管及其设计方法，属于半导体光电子技术领域。
目前，传统的发光二极管存在着以下两个问题：(1)高亮度下大的光功率密度和小发光区引起的电热烧毀。要想增大发光二极管的总光亮度就必须增大注入电流，大电流会使狭窄的有源区产生大光功率密度，大电流与大光功率密度引起有源区温度升高，不仅影响发光效率和发光波长，而且可能导致过热损坏。(2)非透明的上电极要求良好的电流扩展层。传统的发光二极管的出光面在P型上电极下，而P型电极一般为非透明电极，这就要求从P型上电极注入的载流子扩展到P型电极覆盖区域之外，但由于种种原因，某些半导体材料的P型掺杂较难，这样，不仅给形成良好的PN结带来困难，同时给P型上电极下的电流扩展带来问题。以上两方面的问题限制了传统发光二极管的效率和亮度，影响了发光二极管的寿命。国际上解决以上问题的方法有：(1)改进大电流的散热；(2)采用特殊的透明电极；(3)使用特殊的工艺制作很厚的电流扩展层。这些方法工艺复杂，成本高，未能有效地解决上述问题。
本发明的目的在于针对上述缺陷，以相对小的注入电流获得较高的亮度，并具有良好的电流扩展层的高效逐级增强高亮度发光二极管及其设计方法。
本发明的高效逐级增强高亮度发光二极管，是由材料为p型欧姆接触材料的电极1和材料为n型欧姆接触材料的电极7，材料为GaAs(砷化镓)或者GaP(磷化镓)的p型电极接触层2，材料为AlGaInP(铝镓铟磷)材料系的p型包层3和n型包层5，材料为GaAs(砷化镓)的衬底6及材料为为AlGaInP材料系的发光区4构成。其特征在于：发光区4由多个重复排列的单元大发光区构成，其中每一个大单元发光区包括前级发光区和后级发光区以及位于前后两级发光区之间的P+-N+隧道结，前一级单元大发光区的后级发光区构成后一级单元大发光区的前级发光区。其中前级发光区由P型限制层8、有源区9、N型限制层10构成；后级发光区由P型限制层13、有源区14、N型限制层15构成。
上述的前、后级发光区皆由P型限制层、有源区、N型限制层构成。其中，有源区可以是双异质结构，也可以是单量子阱或多量子阱结构。P+-N+隧道结可以是同质结，也可以是异质结。
上述的大发光区4为任意多个单元大发光区的串联排列。
采用以上技术方案后，具有以下有益效果：(1)、由于传统的发光二极管其结构中的发光区只相当于本发明中的单元大发光区中的前级发光区部分，而本发明发光二极管是把多个相对独立的发光区结构，即单元大发光区中的前级发光区和后级发光区顺序生长在一片衬底，并在前级发光区和后级发光区之间引入一个P+-N+隧道结结构，隧道PN结结构如加上一定的反向偏压，其PN结P型一侧的价带电子可以通过隧道效应到达N型一侧的导带成为电子载流子，得到再生，这样，在前级发光区中复合到价带的电子就能再一次回到导带并在后级发光区中再次复合发光，如此，从发光二极管两电极注入的一对电子、空穴在发光区中产生多个光子，而使发光二极管量子效率大大提高，在不增大注入电流的情况下，大大增大了光输出，同时有效地从内部机制上解决了电热烧毁问题，因此，远大于1的量子效率极大地缓解了发光二极管的发热问题，这种新结构实际上是利用高的器件电压而不是大的注入电流来提高输出光亮度的，与传统结构相比小得多的注入电流会使器件热效应明显减弱。另外，由于热效应主要集中在非有意掺杂的有源区，在这种新结构中有源区有多个，发热点相对分散，器件不会在很小的区域形成高温而烧毁器件，从而使热效应得到进一步的削弱。(2)、由于隧道结的引入增大了电流扩展。通过适当设计，隧道结只有在达到一定电压下才能开启，在此之前，载流子只能向侧向流动，从而增大了电流扩展，而且隧道结越多，电流扩展效应越显著。同时由于隧道结是重掺杂(比普通掺杂高1个数量级)，载流子的侧向扩展进一步得到提高。由于单个隧道结很薄，这样就避免了对厚的电流扩展层的需求。
上述的高效逐级增强高亮度发光二极管的设计方法，是在一片衬底6上从下到上顺序生长n型包层5、发光区4和p型包层3和欧姆接触层2，然后在p型欧姆接触层制备p型电极，在n型衬底制备n型电极，解理形成独立的发光二极管器件，本发明的特征在于：在前级发光区和后级发光区之间引入一个P+-N+隧道结，并通过隧道结级联，将多个相对独立的单元大发光区中的前级发光区和后级发光区顺序生长在一片衬底上。
该设计方法提高了发光二极管侧面的出光效率。传统二极管在垂直于结平面方向的发光区尺寸很小，因此可实现的光斑尺寸也就不会很大，一般与发光二极管发射波长相近甚至更小，因此传统二极管4个侧面的出光效率较低。传统发光二极管解决这一问题的方法是采用特殊的工艺生长一层很厚(可厚达40μm)的出光窗口层。本发明的设计方法，由于可生长多个单元大发光区，且单元大发光区中的前后级之间也有一定的间隔，并通过P+-N+隧道结构结合在一起，光腔尺寸能成倍地，甚至是成数量级地增大，这样通过发光二极管的4个侧面发射出去的光也相应成倍提高，因此不需要生长特殊的厚的出光窗口层。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
图1：本发明发光二极管的整体结构示意图；
图2：本发明发光二极管中的发光区结构示意图；
图3：传统发光二极管发光区能带结构示意图；
图4：本发明发光二极管单元大发光区能带结构示意图；
图5：本发明一个具体实施例的结构示意图。
如图1所示，1和7为电极，2为p型电极接触层，3和5分别为p型包层及n型包层，6为衬底，4为发光区(其具体结构见图2)。
图2中，8和13为P型限制层，9和14为有源区，10和15为N型限制层，11为隧道二极管N+区，12为隧道二极管P+区，16为重复区。
图3、图4分别为传统发光二极管能带结构及本发明发光二极管单元大发光区的能带结构示意图，图中，a为热平衡状态，b为工作状态。
实施例：
图5为本发明一个具体实施例的发光区结构示意图，它采用普通MOVCD方法在N+-GaAs衬底上依次外延各层材料得到，并给出了各层厚度及其掺杂浓度。在实际应用中，单元大发光区的数目可根据需要来设置，原则上可设置为任意多个，其各层厚度及其掺杂浓度也可根据实际需要而调整。

Claims (5)

1.一种高效逐级增强高亮度发光二极管，由材料为p型欧姆接触材料的电极(1)和材料为n型欧姆接触材料的电极(7)，材料为GaAs(砷化镓)或者GaP(磷化镓)的p型电极接触层(2)，材料为AlGaInP(铝镓铟磷)材料系的p型包层(3)和n型包层(5)，材料为GaAs(砷化镓)的衬底(6)及材料为为AlGaInP材料系的发光区(4)构成，其特征在于：发光区(4)由多个重复排列的单元大发光区构成，其中每一个大单元发光区包括前级发光区和后级发光区以及位于前后两级发光区之间的P+-N+隧道结，前一级单元大发光区的后级发光区构成后一级单元大发光区的前级发光区，其中前级发光区由P型限制层(8)、有源区(9)、N型限制层(10)构成；后级发光区由P型限制层(13)、有源区(14)、N型限制层(15)构成。
2.根据权利要求1所述的高效逐级增强高亮度发光二极管，其特征在于：所述的有源区可以是双异质结构，也可以是单量子阱或多量子阱结构。
3.根据权利要求1所述的高效逐级增强高亮度发光二极管，其特征在于：所述的P+-N+隧道结可以是同质结，也可以是异质结。
4.根据权利要求1所述的高效逐级增强高亮度发光二极管，其特征在于：所述的大发光区(4)为任意多个单元大发光区的串联排列。
5.根据权利要求1所述的高效逐级增强高亮度发光二极管的设计方法，是在一片衬底(6)上从下到上顺序生长n型包层(5)、发光区(4)和p型包层(3)和欧姆接触层(2)，然后在p型欧姆接触层制备p型电极，在n型衬底制备n型电极，解理形成独立的发光二极管器件，本发明的特征在于：在前级发光区和后级发光区之间引入一个P+-N+隧道结，并通过隧道结级联，将多个相对独立的单元大发光区中的前级发光区和后级发光区顺序生长在一片衬底上。
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