CN1283875A - 具有不对称谐振隧道的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种基于具有电荷不平衡谐振隧道的双阱系统的LED,包括第一和第二耦合阱,一个阱是宽阱,另一个阱是有源量子阱。这些阱通过谐振隧道势垒耦合,该势垒能透过电子,阻挡空穴。

Description

具有不对称谐振隧道的发光二极管
本发明涉及发光二极管(LED)。
发射红、绿、蓝、红外、和紫外光的半导体LED出现在市场已有许多年。为在LED中产生光，采用了电子和空穴在有源层中的辐射复合。有源层可以是通常的p-n结、异质结、单量子阱或多量子阱。在某些LED中，用单量子阱或多量子阱作有源层。为制造高效器件，应使有源层内复合的载流子数最大，而使有源层外复合的载流子数最小。这便要求优化进入有源层的电子和空穴的俘获率。半导体中，通常空穴的有效质量比电子大得大，而迁移率比电子小得多。因此，未被俘获到有源层中的一些电子逸出有源层，在其外复合。所以，妨碍了高效LED器件的制造。
本发明提供一种基于具有不对称隧道的双阱系统的LED设计，该系统包括第一和第二耦合阱，即，宽阱(WW)和有源量子阱(QW)，这些阱通过能够透过电子而阻挡空穴的谐振隧道势垒(RTB)耦合。宽阱和有源量子阱都可以由单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构构成。
本发明可以增大俘获在具有量子阱的有源层中的电子数，可以制造高效LED。
LED例如可以是GaN LED、GaAs LED、AlGaInP或ZnSe LED。更一般说，LED可以是利用Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族半导体的LED。
如果LED是GaN LED，宽阱可以包括InGaN，谐振隧道势垒包括GaN，量子阱包括InGaN。
p-接触层可以是GaN、p-AlxGa1-xN和p-型多晶GaN。
p-接触层可以利用Mg和Al中的一种或两种，通过等电子双掺杂而被掺杂。
LED的衬底可以去掉，或已通过湿法腐蚀或激光磨蚀去掉。
欧姆接触可以在LED结构上部和下部，或都在上部。
两阱之间的谐振隧道是指WW底部的能级位置必须等于有源QW的最小次能带的能级位置。通过调节WW和QW中的合金组分，并选择合适的QW宽度，可以解决该问题。
这种设计的基础是例如GaN中的电子空穴的质量不平衡。
可以使有源QW中的电子次能带位置固定于WW的底部，同时，使QW中最小次能带对于空穴来说保持低于WW的底部，从而禁止空穴透过，同时WW中没有热激发。重要的是，由于它们较重的质量，对所选势垒宽度来说，少量的热激发空穴不能隧穿到WW中。
以下是对该结构的介绍：
-由于电子从WW直接隧穿到QW中，所以提高了到有源QW的电子俘获效率
-抑制了电子到p型层的漏电
-消除了有源层外产生的杂光
-由于失配减轻(～4倍)，所以，用WW作良好的电流传输层，意味着有源QW质量的提高。原因是生长于高张力应变薄GaN势垒层上的有源In0.2Ga0.8N(例如)QW的晶格常数接近In0.15Ga0.85N(例如)WW
-由于n-GaN/In0.15Ga0.85N(例如)界面上具有大应力，所以WW还用作螺旋位错的停止层
-不需要使用电子阻挡层作该技术中的构成部分
-由于对于例如GaN LED中的较薄n-GaN层来说，我们希望获得相同质量的有源QW，所以生长时间减少
最后，与常规结构相比，该结构应该能制造更便宜且更有效的LED。
下以结合附图以例子的方式介绍本发明，各附图中：
图1、3、5、7、8和9是本发明结构的例子，
图2、4、和6分别是图1、3和5所示结构的简化能带图。
图1示出了第一种结构，该结构是基于具有不对称隧道的双阱系统的GaN蓝光LED设计。所说系统包括两个耦合阱：宽阱(WW)和有源量子阱(QW)。这些阱通过能透过电子而阻挡空穴的谐振隧道势垒(RTB)耦合。表1列出了以该第一结构为基础的蓝光LED的各参数。表2列出了以该第一结构为基础的绿光LED的各参数。
表1
    #     层     组分     厚度 掺杂(cm-3)
1 缓冲层 GaN或AlGaN/GaN应变超晶格 50-500埃 UD(未掺杂)
2 n-接触 GaN：Si 1-5μm 5×1018-1020
3 WW InGaN(In含量15％) 500埃 UD或n-型
4 RTB GaN 10埃 UD
5 有源QW InGaN(In含量20％) 25埃 UD
6 p-接触 GaN：Mg或GaN：Mg+Al 0.5微米 ～1018
表2
    #     层     组分 厚度 掺杂(cm-3)
    1 缓冲层 GaN或AlGaN/GaN应变超晶格 50-500埃 UD(未掺杂)
    2 n-接触 GaN：Si 3-5μm 5×1018-1020
    3 电子注入阱 InGaN(In含量28％) 500埃 UD或n-型
    4 RTB GaN 8埃 UD
    5 有源阱 InGaN(In含量40％) 15埃 UD
    6 p-接触 GaN：Mg或GaN：Mg+Al 0.5微米 ～1018
图3示出了与第一结构类似的第二结构，但该结构具有额外的p-Al0.1Gax-0．1N电子阻挡层，用于进一步减少电子流漏电。
图5示出了与第二结构类似的第三结构，但该结构没有p-GaN层。
p-Al0.1Gax-0．1N电子阻挡层用作接触。这样将减小p型层的厚度，促进空穴注入有源层，改善光通过宽带隙窗口的引出。
图7示出了第四结构，除淀积额外的多晶GaN层，以制造有效的p-型欧姆结构外，该结构与第一、第二和第三结构类似。
该图示结构是具有额外的多晶GaN层的第一结构的改进型。
图8示出了基于具有电荷不平衡谐振隧道的双阱系统的AlGaInP基LED。该LED具有厚100-300微米的n-型GaAs衬底和所附着的金属接触。该衬底上，淀积有n-型GaAs缓冲层。n-接触层淀积于缓冲层上，由0.3-1微米厚的n-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0.5≤x≤1，掺杂浓度为5×1017-1020cm-3。在该层上，外延生长有由单未掺杂层或多量子阱结构构成的电子发射宽阱。未掺杂电子发射层可由0.02-0.2微米厚的(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0.2≤x≤0．5。多量子阱结构可由小于1微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP／(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P构成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4。然后，外延淀积由10-100埃厚的未掺杂(AlxGa1-x)0.5In0.5P层构成的电荷不平衡谐振隧道势垒，其中0.7≤x≤1。优化势垒的宽度和高度，以允许电子从电子注入宽阱层到有源阱的谐振隧穿，同时阻挡空穴从有源阱隧穿到电子注入层。有源阱层可以是单量子阱(SQW)结构或多量子阱(MQW)结构。SQW结构可以由小于200埃厚的未掺杂(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0≤x≤0.4。MQW结构可以由小于3微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP/(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P构成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4。空穴发射层由p-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0.5≤x≤1。窗层由p-型InxGa1-xP构成，其中x≤0.1。在空穴发射层上，淀积有金属欧姆接触。表3列出了基于电荷不平衡谐振隧道结构的AlInGaP LED的各参数。
表3
    #     层     组分     厚度 掺杂(cm-3)
    1 缓冲层 n-GaAs     0.1-0.3μm 5×1017-1019
    2 n-接触 (AlxGa1-x)0.5In0.5P，0.5≤x≤1，     0.3-2um 5×1017-1020
    3 WW (AlxGa1-x)0.5In0.5P，0.2≤x≤0.5，     100-2000埃 UD或n-型
    4 RTB (AlxGa1-x)0.5In0.5P，0.7≤x≤1，     10-100埃 UD
    5 有源QW (AlxGa1-x)0.5In0.5P，SQW或MQW     SQW 25-100埃，MQW 0.2-1微米 UD
    6 p-接触 (AlxGa1-x)0.5In0.5P，0.5≤x≤1，     0.5-2微米 5×1016-1018
    7 窗层 InxGa1-xP，x≤0.1     8-12微米 5×1017-1018
图9示出了第五结构，除没有衬底和欧姆接触位于该结构的上部和下部外，该结构与第一、第二、第三和第四类似。额外的厚GaN层淀积于GaN缓冲层上，以便在利用193或248nm UV范围的准分子激光去掉了蓝宝石衬底后，该结构能独立存在。

Claims (10)

1、一种基于具有电荷不平衡谐振隧道的双阱系统的LED，包括第一和第二耦合阱，一个阱是宽阱，另一个阱是有源量子阱，这些阱通过谐振隧道势垒耦合，该势垒能透过电子，阻挡空穴。
2、根据权利要求1的LED，该LED是GaN基LED。
3、根据权利要求2的LED，其中宽阱包括InGaN，谐振隧道势垒包括GaN，量子阱包括InGaN。
4、根据权利要求1的LED，其中有源阱是多量子阱结构。
5、根据权利要求1的LED，其中缓冲层是应变超晶格。
6、根据权利要求1的LED，其中p-接触层是GaN、p-AlxGa1-xN和p-型多晶GaN中的一种。
7、根据权利要求1的LED，其中p接触层利用Mg和Al中的一种或两种，通过等电子双掺杂而被掺杂。
8、根据权利要求1的LED，其中衬底可以去掉，或已通过湿法腐蚀或激光磨蚀去掉。
9、根据权利要求1的LED，其中欧姆接触都在LED结构的上部或在上部和下部。
10、根据权利要求1的LED，该LED是AlGaInP基LED，包括：
厚100-300微米的n-型GaAs衬底；
附着于衬底上的金属欧姆接触；
n-型GaAs缓冲层，其掺杂浓度为5×1017-1019cm-3，厚度为0．1-0.3微米；
n-包覆层，该层由0.3-2微米厚的n-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0.5≤x≤1，掺杂浓度为5×1017-1020cm-3；
电子发射层，该层包括单未掺杂电子发射层或多量子阱结构，所说单未掺杂电子发射层由厚0.01-0.2微米的(AlxGa1-x)0.5In0.5P层构成，其中0.2≤x≤0.5，所说多量子阱结构由小于1微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP/(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P构成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4；
电荷不平衡谐振隧道势垒，包括～10-100埃厚的未掺杂(AlxGa1-x)0.5In0.5P层，其中0.7≤x≤1；
有源阱层，该层为单量子阱结构或多量子阱结构，所说单量子阱结构由小于200埃厚的未掺杂(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0≤x≤0.4，多量子阱结构由小于1微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP/(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P构成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4；
0.3-1微米厚的空穴发射层，该层由p-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P构成，其中0.5≤x≤1，掺杂浓度为5×1016-1018cm-3；
小于12微米的窗层，该层由p-型InxGa1-xP构成，其中x≤0.1，掺杂浓度为5×1017-5×1018cm-3；及
淀积于空穴发射层上的金属欧姆接触。
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Assignee: Shanxi Changzhigaoke Huashang Optoelectronic Co., Ltd.

Assignor: Huashang Photoelectric Co., Ltd.

Contract record no.: 2010990001002

Denomination of invention: LED with asymmetrical resonance tunnels

Granted publication date: 20050202

License type: Common License

Open date: 20010214

Record date: 20101223

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Granted publication date: 20050202

Termination date: 20170526

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