CN101740691A - 一种新型结构的大功率氮化镓基led - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管，尤其涉及一种大功率氮化镓基发光二极管的结构，所述大功率氮化镓基的发光二极管自下而上包括：衬底、设置在衬底上的N型氮化镓层、设置在N型氮化镓层的高台面上的氮化铝镓空穴阻挡层、设置在空穴阻挡层上的非对称多量子阱有源层、设置在非对称多量子阱有源层上的P型氮化镓层、设置在P型氮化镓层上的P+-氮化铟镓导电层、设置在P+-氮化铟镓导电层上的氧化铟钛电极层；所述二氧化硅钝化层设置在整个发光二极管的顶表面和连接高低台面的侧表面；所述N电极设置在N型氮化镓层的低台面上，P电极设置在氧化铟钛电极层中间。本发明所述发光二极管结构可提高空穴的注入效率，提高光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管，尤其涉及一种大功率氮化镓基发光二极管的结构。
背景技术
半导体照明LED具有寿命长、节能、环保等显著优点，被认为是继白炽灯、荧光灯之后又一次照明技术的革命，是目前国际上半导体和照明领域研发和产业关注的焦点，拥有巨大的应用前景。
现有的氮化镓基发光二极管，其传统结构为以蓝宝石为衬底，然后在蓝宝石衬底的一侧，依次从下而上分别设置一N型氮化镓接触层、一氮化铟镓发光层、一P型氮化镓接触层，最后，于P型氮化镓接触层和N型氮化镓接触层上分别设置一正电极和负电极。在此传统结构下的氮化镓基发光二极管，其发光层主要是以氮化铟镓(InxGa1-xN，x＝0～1)为势阱(Potential Well)的多重量子阱(Multi-quantum Well)结构，电子和空穴在势阱结合而释放出光子。
但是，GaN基LED目前还没有进入通用照明领域，其中一个主要原因在于，随着工作电流增加，目前的GaN基LED发光效率会急剧下降。这极大的限制了大功率发光二极管的发展。
目前采用的N-型有源层是最为常用的LED结构之一，由于有源区和P-GaN层中间有一AlGaN电子阻挡层，其在阻挡电子的同时，也限制了空穴向有源区的注入，这在大电流下尤为明显。同时，由于GaN系列材料为极性半导体材料，在内建电场的作用下，电子占据在单个量子阱中靠近p区一侧，空穴占据在靠近n区一侧，由于电子阻挡层的作用，空穴和电子主要占据在靠近p区的最后一个量子阱中，这就使得电子空穴复合发光主要是在最后一个量子阱中进行，很大程度上制约着光电转换效率。
例如，申请号为200910111881.3的中国发明申请公开说明书公开了一种通过激光器的外延结构和传统二极管的制备方法来实现较高的出光效率和输出功率的GaN基多量子阱超辐射发光二极管，设有蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上外延生长多层异质结构，多层异质结构自下而上设有低温GaN缓冲层、N型GaN电极接触层、N型AlGaN/GaN超晶格光限制层、N型GaN波导层、InGaN/GaN多量子阱有源层、P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN波导层、P型AlGaN/GaN超晶格光限制层、P型GaN层和P型InGaN/AlGaN超晶格电极接触层，在N型GaN电极接触层上设有N型电极，在P型InGaN/AlGaN超晶格电极接触层上设有P型电极。
为了提高空穴的注入效率，提高光电转换效率，需要设计新型的LED结构。
发明内容
本发明目的是提供一种新型结构的大功率氮化镓基的发光二极管(LED)。
为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种新型结构的大功率氮化镓基的发光二极管(LED)，包括：
衬底、N型氮化镓(n-GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)阻挡层、氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱有源层、P型氮化镓(p-GaN)层、P+-氮化铟镓(P+-InGaN)导电层、氧化铟钛(ITO)电极层、二氧化硅(SiO2)钝化层、P电极和N电极，其特征在于，其中，所述氮化铝镓阻挡层为空穴阻挡层；所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层为非对称多量子阱有源层，所述非对称多量子阱有源层中阱宽大小自下而上逐渐减小；所述N型氮化镓层呈高低台阶状，具有高台面和低台面；所述N电极设置在N型氮化镓层的低台面上；
所述大功率氮化镓基的发光二极管自下而上的结构为：衬底、设置在衬底上的N型氮化镓层、设置在N型氮化镓层的高台面上的氮化铝镓空穴阻挡层、设置在空穴阻挡层上的非对称多量子阱有源层、设置在非对称多量子阱有源层上的P型氮化镓层、设置在P型氮化镓层上的P+-氮化铟镓导电层、设置在P+-氮化铟镓导电层上的氧化铟钛电极层；所述P电极设置在氧化铟钛电极层中间；
所述二氧化硅钝化层设置在整个发光二极管的上表面和侧表面上，具体地，二氧化硅钝化层设置在氧化铟钛电极层的表面、N型氮化镓层的低台面以及氧化铟钛电极层、P+-氮化铟镓导电层、P型氮化镓层、非对称多量子阱有源层、氮化铝镓空穴阻挡层的侧面。
上述技术方案中，氮化铝镓(AlGaN)阻挡层位于N型氮化镓层(n-GaN)之上，氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层之下；并且氮化铝镓(AlGaN)阻挡层为空穴阻挡层，可以选自：不掺杂或者低浓度n型掺杂的氮化铝镓层；因此，有源区位于pn结的p区位置，实现空穴有效地注入有源区。
上述技术方案中，所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层采用非对称多层结构，阱宽自下而上由3nm到2nm逐渐减小；所述氮化铟镓/氮化镓多量子有源层为3-5个量子阱；非对称有源区结构使得有源区中空穴更好的向下注入，同时，电子也主要分布在下面的量子中，增加电子空穴的辐射复合，提高发光效率。
上述技术方案中，P+-氮化铟镓(p+-InGaN)导电层位于P型氮化镓(p-GaN)层上面，并进行高浓度p型掺杂，厚度为5-10nm；p型电极层采用氧化铟钛(ITO)电极层与P+-氮化铟镓(p+-InGaN)导电层接触；p+-InGaN/ITO隧穿结提高空穴的注入，使得空穴更好的注入到有源区。同时，隧穿结使得电流在p-GaN层均匀分布。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明通过将空穴阻挡层放在有源区和n区之间，阻挡空穴向n-GaN扩散，这样，有源区就位于p区，空穴可以很好的注入到有源区；同时，电子的有效质量小、浓度高，阻挡层的电子阻挡对器件影响较小。
2.本发明通过对有源层非对称多量子阱设计，由于量子阱的厚度自下而上逐渐减小，量子阱中空穴能级会随着阱宽减小而降低，上面量子阱中空穴的能级会较低，空穴更容易向下扩散。
3.本发明通过对有源层非对称多量子阱设计，不仅空穴更容易向下扩散，同时减小电子向上注入到p-GaN，使得更多电子占据在下面的量子中，这样可以增加电子和空穴波函数的重叠，提高发光效率。
4.本发明通过设计p+-InGaN/ITO导电层设计，可以使得空穴更好地隧穿到p-GaN，同时使得电流在平面内均匀分布，提高空穴的注入效率。
附图说明
图1是实施例中在n-GaN层2上生长AlGaN空穴阻挡层3的剖面示意图；
图2是实施例中在AlGaN空穴阻挡层3上面生长非对称多量子阱有源区4的剖面示意图；
图3是实施例中在非对称多量子阱有源区4上面依次生长p-GaN层5和p+-InGaN层6的剖面示意图；
图4是实施例中在p+-InGaN层6上PECVD沉积一层厚度500nm的SiO2掩蔽层7的示意图；
图5是实施例中在SiO2上涂上光刻胶，用光刻和湿法腐蚀方法，在SiO2掩蔽层7刻出长条形n-GaN电极形状8的示意图；
图6是实施例中经过ICP干法刻蚀之后，在电极区域8上形成n-GaN电极的低台面9的示意图；
图7是实施例中采用湿法去除剩余SiO2掩蔽层7，清洗后的示意图；
图8是实施例中用电子束蒸发，在在p+-InGaN层6上制备ITO透明导电膜的示意图；
图9是实施例中保留p-GaN区域的ITO层11，刻蚀掉剩余的ITO的示意图；
图10是实施例中PECVD沉积一层SiO2钝化层12的示意图，该钝化层有效防止P，N电极之间的漏电；
图11是实施例中光刻和腐蚀出p-GaN和n-GaN电极金属压焊区域，在上述区域电子束蒸发，得到p-GaN金属电极压焊区电极13和n-GaN金属电极压焊区电极14的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
步骤1：依次在衬底1外延生长n-GaN层2，AlGaN层3(参照图1)；
步骤2：在AlGaN层3上方生长有源层4，其中通过调节生长时间来控制有源区中阱宽，使得自下而上阱宽从3nm向2nm逐渐减小(参照图2)；
步骤3：在有源层4上依次生长p-GaN层5和p+-InGaN导电层6(参照图3)；
步骤4：在p+-InGaN层6上采用PECVD的方法沉积一层掩蔽层7；该掩蔽层材料为SiO2(参照图4)；
步骤5：在掩蔽层7上涂上光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在掩蔽层7上刻出条形的n-GaN电极区域8(参照图5)；
步骤6：去除剩余的光刻胶，采用ICP干法刻蚀方法在n-GaN电极区域8上刻蚀，形成低台面9作为n-GaN电极区域(参照图6)；
步骤7：用氢氟酸溶液腐蚀掉剩余SiO2掩蔽层，清洗(参照图7)；
步骤8：用光刻、电子束蒸发的方法，在p-GaN层6上制备透明导电膜ITO，剥离得到透明电极11(参照图9)；
步骤9：用PECVD沉积一层SiO2钝化层12，该钝化层有效防止P，N电极之间的漏电(参照图10)；
步骤10：采用光刻胶，用光刻和湿法腐蚀的方法，在SiO2钝化层12上刻出p-GaN电极压焊区域和n-GaN电极压焊区域，在P-GaN电极压焊区域和n-GaN电极压焊区域同时用电子束分步蒸发，得到在p-GaN电极压焊区13和n-GaN电极压焊区14；
步骤11：划片、封装、测试，完成器件的制作。
得到的大功率氮化镓基的发光二极管，包括：
衬底、N型氮化镓(n-GaN)层、氮化铝镓(AlGaN)阻挡层、氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)多量子阱有源层、P型氮化镓(p-GaN)层、P+-氮化铟镓(P+-InGaN)导电层、氧化铟钛(ITO)电极层、二氧化硅(SiO2)钝化层、P电极和N电极，其特征在于，其中，所述氮化铝镓阻挡层为空穴阻挡层；所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层为非对称多量子阱有源层，所述非对称多量子阱有源层中阱宽大小自下而上逐渐减小；所述N型氮化镓层呈高低台阶状，具有高台面和低台面；所述N电极设置在N型氮化镓层的低台面上；
所述大功率氮化镓基的发光二极管自下而上的结构为：衬底、设置在衬底上的N型氮化镓层、设置在N型氮化镓层的高台面上的氮化铝镓空穴阻挡层、设置在空穴阻挡层上的非对称多量子阱有源层、设置在非对称多量子阱有源层上的P型氮化镓层、设置在P型氮化镓层上的P+-氮化铟镓导电层、设置在P+-氮化铟镓导电层上的氧化铟钛电极层；所述P电极设置在氧化铟钛电极层中间；
所述二氧化硅钝化层设置在整个发光二极管的上表面和侧表面上，具体地，二氧化硅钝化层设置在氧化铟钛电极层的表面、N型氮化镓层的低台面以及氧化铟钛电极层、P+-氮化铟镓导电层、P型氮化镓层、非对称多量子阱有源层、氮化铝镓空穴阻挡层的侧面。
其中，氮化铝镓(AlGaN)阻挡层位于N型氮化镓层(n-GaN)之上，氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层之下；并且氮化铝镓(AlGaN)阻挡层为空穴阻挡层，可以选自：不掺杂或者低浓度n型掺杂的氮化铝镓层；因此，有源区位于pn结的p区位置，实现空穴有效地注入有源区。
其中，所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层采用非对称多层结构，阱宽自下而上由3nm到2nm逐渐减小；所述氮化铟镓/氮化镓多量子有源层为3-5个量子阱；非对称有源区结构使得有源区中空穴更好的向下注入，同时，电子也主要分布在下面的量子中，增加电子空穴的辐射复合，提高发光效率。
其中，P+-氮化铟镓(p+-InGaN)导电层位于P型氮化镓(p-GaN)层上面，并进行高浓度p型掺杂，厚度为5-10nm；p型电极层采用氧化铟钛(ITO)电极层与P+-氮化铟镓(p+-InGaN)导电层接触P+-InGaN/ITO隧穿结提高空穴的注入，使得空穴更好的注入到有源区。同时，隧穿结使得电流在p-GaN层均匀分布。
以上所说的具体实施例，对本发明的目的、方案和有益效果进行了进一步的说明，所应理解的是，以上发明仅为本发明的具体实施而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的构思和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种新型结构的大功率氮化镓基的发光二极管，包括：
衬底、N型氮化镓层、氮化铝镓阻挡层、氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层、P型氮化镓层、P+-氮化铟镓导电层、氧化铟钛电极层、二氧化硅钝化层、P电极和N电极，其特征在于，其中，所述氮化铝镓阻挡层为空穴阻挡层；所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层为非对称多量子阱有源层，所述非对称多量子阱有源层中阱宽大小自下而上逐渐减小；所述N型氮化镓层呈高低台阶状，具有高台面和低台面；所述N电极设置在N型氮化镓层的低台面上；所述P电极设置在氧化铟钛电极层中间；
所述大功率氮化镓基的发光二极管自下而上的结构为：衬底、设置在衬底上的N型氮化镓层、设置在N型氮化镓层的高台面上的氮化铝镓空穴阻挡层、设置在空穴阻挡层上的非对称多量子阱有源层、设置在非对称多量子阱有源层上的P型氮化镓层、设置在P型氮化镓层上的P+-氮化铟镓导电层、设置在P+-氮化铟镓导电层上的氧化铟钛电极层；
所述二氧化硅钝化层设置在整个发光二极管的顶表面和侧表面上。
2.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，氮化铝镓阻挡层为空穴阻挡层，位于N型氮化镓层之上，氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层之下。
3.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，氮化铝镓阻挡层选自：不掺杂或者低浓度n型掺杂的氮化铝镓层。
4.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，所述氮化铟镓/氮化镓多量子阱有源层采用非对称多层结构，阱宽自下而上由3nm到2nm逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，所述氮化铟镓/氮化镓多量子有源层为3-5个量子阱。
6.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，P+-氮化铟镓导电层位于P型氮化镓层上面，所述P+-氮化铟镓导电层高浓度p型掺杂，厚度为5-10nm。
7.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，p型电极层采用氧化铟钛电极层与P+-氮化铟镓导电层接触。
8.根据权利要求1所述的大功率氮化镓基的发光二极管，其特征在于，二氧化硅钝化层设置在氧化铟钛电极层的表面、N型氮化镓层的低台面以及氧化铟钛电极层、P+-氮化铟镓导电层、P型氮化镓层、非对称多量子阱有源层、氮化铝镓空穴阻挡层的侧面。
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