CN1220282C - GaN基多量子阱结构及采用该结构的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管，该二极管的多量子阱结构包括：p型掺杂的AlGaN层；n型掺杂的AlGaN层；及在AlGaN层之间的由p型掺杂的GaN层与不掺杂的InGaN层组成的N个量子阱；还包括在p型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层及在n型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层，通过合理调整GaN隔离层的厚度，可以有效地调整p～n结的位置，使之位于多量子阱区域，有效增强发光二极管的发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其涉及由足够宽带隙的半导体材料形成的以在可见光光谱的绿光至紫光部分发光的发光二极管及其中的多量子阱结构。
背景技术
半导体发光二极管光源寿命长、功耗低、可靠性好，在生产和生活的许多领域得到了普遍的认可，用途广泛。近十年来，以GaN基蓝光二极管为代表的短波长发光二极管在基础研究和商业发展上取得了很大的进步，使人类获得高重复性、长寿命的全色包括白光光源，已知的GaN基二极管结构可参照美国专利4918497、4966862、5027168和5338944。
现在国际上普遍应用的GaN基发光二极管结构如图1所示，在n型掺杂的GaN层113上生长n型掺杂的AlGaN层120，随后生长InGaN/GaN多量子阱122，由GaN势垒123和InGaN势阱124多层交叠而成，然后再生长p型掺杂的AlGaN层121和p型掺杂的GaN层115。此外还包括：n型掺杂的GaN缓冲层112、GaN缓冲层111、透明电极116、n型欧姆接触118、p型欧姆接触117及衬底110上，其中由n型掺杂的AlGaN层120和p型掺杂的AlGaN层121构成AlGaN层119。
上述结构在生长InGaN/GaN多量子阱122时，GaN势垒123上掺Si，这样可以提高GaN的晶体质量，同时促使量子阱中的In凝聚成In团，使二极管发光增强。但这种结构也存在明显的缺点：由于势垒掺Si在量子阱中引入了n型杂质，使得p-n结偏离InGaN/GaN多量子阱区，在发光二极管工作于正向偏压时，量子阱区的少数载流子为空穴，空穴在扩散过程中与电子复合发光，但由于空穴的迁移率很低，扩散长度很小，发生辐射复合的电子与空穴数目也相应减少；相反，p型掺杂的GaN层中的少数载流子为电子，其扩散长度很长，这就使复合区域大部分位于p型掺杂的GaN层中，随着载流子注入的增加，俄歇过程成为主要的复合形式，从而极大降低了辐射复合的效率，限制了以InGaN/GaN多量子阱为有源区的LED发光强度的进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种GaN基多量子阱结构，多量子阱区可以与p-n结重合，使电子与空穴主要在量子阱中通过辐射复合发光。
为了达到上述目的，本发明提供一种GaN基多量子阱结构，包括N个量子阱，其特征在于该量子阱包括p型掺杂的势垒层及不掺杂的势阱层，该势阱层的带隙小于势垒层。
上述方案中，其特点是该多量子阱结构还包括：在该N个量子阱之上的p型掺杂的AlGaN层；以及在该N个量子阱之下的n型掺杂的AlGaN层。
上述方案中，其特点是该多量子阱结构还包括：在该p型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层；以及在该n型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种包含GaN基多量子阱结构的发光二极管，使电子与空穴主要在量子阱中通过辐射复合发光，以进一步提高发光二极管的发光效率。
为了达到上述目的，本发明提供一种采用了本发明公开的GaN基多量子阱结构的发光二极管，除了多量子阱结构外，该发光二极管还包括：在所述多量子阱结构之上的p型掺杂的GaN层、透明电极及p型欧姆接触；在所述多量子阱结构之下的n型掺杂的GaN层、n型掺杂的GaN缓冲层及GaN缓冲层；在n型掺杂的GaN层上的n型欧姆接触及衬底。
本发明GaN基多量子阱发光二极管结构与常规的GaN基发光二极管结构相比，有明显的优点：量子阱区p型掺杂，可以有效地调整p-n结的位置，使之位于多量子阱区域，对量子阱区两侧生长的不掺杂的GaN隔离层的厚度进行调整，也可以有效地调整p-n结的位置；当发光二极管正常工作时，多量子阱区的少数载流子为电子，电子的迁移率较高，扩散长度大，可以在整个量子阱区与空穴发生辐射复合，大大增加效率，有效增强了发光二极管的发光强度。
此外，由于本发明GaN基发光二极管结构在制造时对生长设备和工艺条件无特殊要求，该结构不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。
附图说明
图1是已知发光二极管的剖面图；
图2是本发明实施例发光二极管的剖面图；
图3是本发明实施例发光二极管的光荧光图；
图4是本发明实施例发光二极管的电流电压特性图；
图5是本发明实施例发光二极管的发光亮度与电流的关系。
具体实施方式
本发明具体实施例的GaN基多量子阱蓝光发光二极管25，如图2所示。其中多量子阱结构包括：AlGaN层19，包含p型掺杂的AlGaN层21，及n型掺杂的AlGaN层20；在该p型掺杂的AlGaN层21与该n型掺杂的AlGaN20层之间的N个量子阱22，该N个量子阱中的量子阱结构包括势垒层23及势阱层24，势阱层24的带隙小于势垒层23；在该p型掺杂的AlGaN层21与该N个量子阱22之间还生成有GaN隔离层14-2；在该n型掺杂的AlGaN层20与该N个量子阱22之间也生成有GaN隔离层14-1。
上述的GaN基多量子阱结构，该N个量子阱22中的N可为1到100的任一整数。
势垒层23为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜1；0＜y＜＝1；0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳为P型掺杂的GaN。在选择Al和In的摩尔含量时，要满足本层的带隙宽度大于势阱层的带隙宽度。其厚度可为大于1nm且小于500nm之间的任意值，优选值为250nm。
势阱层24为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜＝1；0＜y＜1；0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳为不掺杂的InGaN。在选择Al和In的摩尔含量时，要满足本层的带隙宽度小于势垒层的带隙宽度。其厚度为大于1nm且小于100nm之间的任意值，优选值为50nm。
p型掺杂的AlGaN层21及n型掺杂的AlGaN层20可为AlxGa1-xN，其中0＜x＜＝1，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值；
p型掺杂的AlGaN层21及n型掺杂的AlGaN层20也可为由AlxGa1-xN和GaN组成的超晶格结构，其中0＜x＜＝1，其中的AlxGa1-xN势垒层，厚度为＞0nm和＜100nm之间的任意值，其中的GaN势阱层，厚度为大于0nm且小于100nm之间的任意值，其周期数均为大于等于1且小于等于50的整数。
上述p型掺杂的掺杂剂为II族元素，包括Mg、Zn，掺杂浓度为1×1016cm-3至5×1019cm-3；n型掺杂的掺杂剂为IV族元素，包括Si，掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1020cm-3。
GaN隔离层14-1及14-2的厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值，优选值为200nm。
在此实现方案的发光二极管25中，除了上面已介绍的多量子阱结构外，还包括：在所述多量子阱结构之上的p型掺杂的GaN层15、透明电极16、p型欧姆接触17；及在所述多量子阱结构之下的n型掺杂的GaN层13、n型掺杂的GaN缓冲层12、GaN缓冲层11、设在n型掺杂的GaN层13上的n型欧姆接触18，以上所述结构生长在蓝宝石衬底10上。
p型掺杂的GaN层15的厚度为大于等于10nm且小于2000nm之间的任意值，其掺杂剂为II族元素，包括Mg、Zn，其掺杂浓度为1×1016cm-3至5×1019cm-3。
n型掺杂的GaN层13的厚度为大于等于100nm和小于9000nm之间的任意值，其掺杂剂为IV族元素，包括Si，其掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1020cm-3之间。
如图5所示，采用本发明结构的蓝光二极管的发光强度达到6mW，其前向电压为3.5V，如图4所示。
Claims (14)
1、一种GaN基多量子阱结构，包括N个量子阱，其特征在于：该量子阱结构包括p型掺杂的势垒层及不掺杂的势阱层，该势阱层的带隙小于势垒层。
2、如权利要求1所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于还包括：在该N个量子阱之上的p型掺杂的AlGaN层；以及在该N个量子阱之下的n型掺杂的AlGaN层。
3、如权利要求2所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于还包括：在该p型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层；以及在该n型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层。
4、如权利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于该N个量子阱中的N为大于等于1且小于等于100的整数。
5、如权利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于该势垒层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，其厚度为大于1nm且小于500nm之间的任意值。
6、如权利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于该势阱层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，其厚度为大于1nm且小于100nm之间的任意值。
7、如权利要求2或3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于该p型掺杂的AlGaN层及n型掺杂的AlGaN层为超晶格结构的AlxGa1-xN，或由超晶格结构的AlxGa1-xN和GaN组成的，其中0＜x＜＝1，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值。
8、如权利要求7所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于所述AlxGa1-xN和GaN组成的超晶格中，该AlxGa1-xN势垒层的厚度为大于0nm且小于100nm之间的任意值，该GaN势阱层的厚度为大于0nm且小于100nm之间的任意值，该超晶格的周期数为大于等于1且小于等于50的整数。
9、如权利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于所述p型掺杂的掺杂剂为II族元素，掺杂浓度为1×1016cm-3至5×1019cm-3。
10、如权利要求2或3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于所述n型掺杂的掺杂剂为IV族元素，掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1020cm-3。
11、如权利要求3所述的GaN基多量子阱结构，其特征在于该两个GaN隔离层的厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值。
12、一种包含如权利要求1、2或11中任一权利要求所述的GaN基多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该发光二极管还包括：在所述多量子阱结构之上的p型掺杂的GaN层、透明电极及p型欧姆接触；在所述多量子阱结构之下的n型掺杂的GaN层、GaN缓冲层、n型欧姆接触及衬底。
13、如权利要求12所述的发光二极管，其特征在于该p型掺杂的GaN层的厚度为大于等于10nm且小于2000nm之间的任意值，其掺杂剂为II族元素，掺杂浓度在1×1016cm-3至5×1019cm-3之间；该n型掺杂的GaN层的厚度为大于等于100nm且小于9000nm之间的任意值，其掺杂剂为IV族元素，掺杂浓度在1×1016cm-3至1×1020cm-3之间。
14、如权利要求12所述的发光二极管，其特征在于该GaN缓冲层与该n型掺杂的GaN层之间还形成有n型掺杂的GaN缓冲层，该n型欧姆接触形成在该n型掺杂的GaN缓冲层。
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