CN101803045B - 发光结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种发光结构(7)，其具有：用于注入空穴的p掺杂区域(1)；用于注入电子的n掺杂区域(2)；至少一个第一类的InGaN量子阱(4)和至少一个第二类的InGaN量子阱(5)，它们设置在n掺杂区域(2)和p掺杂区域(1)之间，其中第二类的InGaN量子阱(5)具有比第一类的InGaN量子阱(4)更高的铟含量。

Description

发光结构

本发明涉及一种发光结构，其包含铟-镓-氮化物量子阱。

本申请要求德国专利申请10 2007 043 096.7以及德国专利申请102007 058 723.8的优先权，其公开内容通过引用结合于此。

在发光结构中，铟-镓-氮化物量子阱(还称作InGaN量子阱)通过(In)GaN阻挡层来分离。通过在量子阱和阻挡层之间的异质结形成势垒，该势垒使载流子(即电子和空穴)的注入变难。异质结的势垒通过在量子阱与势垒层之间的高的压电场来形成。由于异质结的数目也随着量子阱的数目升高，困难的是构建包含多个量子阱的发光结构。

要解决的任务在于提出一种发光结构，其具有高的辐射效率。

本发明提出了一种发光结构，其包括p掺杂区域和n掺杂区域。p掺杂区域设计用于注入空穴。n掺杂区域设计用于注入电子。

在所述区域之间设置有至少一个第一类的InGaN量子阱。优选地，在这些区域之间设置有多个第一类量子阱。第一类量子阱彼此通过第一类的(In)GaN阻挡层(即第一类阻挡层)分离，这些阻挡层至少可以包含GaN并且必要时可以附加地包含铟。

此外，设置有至少一个第二类的InGaN量子阱。第二类量子阱的特征在于，其具有比第一类量子阱更高的铟含量。

尤其是，第一类量子阱具有比较低的铟含量而第二类量子阱具有比较高的铟含量。发光结构因此包含如下有源区：其尤其是由多个具有较低铟含量的量子阱构成，这些量子阱嵌在阻挡层之间。此外，具有较高铟含量的至少一个量子阱设置在有源区中。优选地，所述至少一个第一类量子阱与n掺杂区域邻接，而所述至少一个第二类量子阱与p掺杂区域邻接地设置。也就是说，第一类量子阱设置在有源区的n侧上，而第二类量子阱设置在该结构的有源区的p侧上。该构造能够实现继续注入已经逃逸的载流子，由此可以改进发光器件的效率。尤其是得到如下优点：第一类量子阱的低铟含量引起在至阻挡层的异质结上的降低的压电场。这尤其是与具有高的铟含量的量子阱结构的情况相比能够实现将空穴有效地注入量子阱结构中。

在具有高的铟含量的量子阱位于有源区的与p掺杂区域邻接的侧的情况下，通过控制p掺杂和选择在量子阱结构附近的合适的掺杂轮廓(Dotierprofil)可以降低在p掺杂区域侧的势垒。尤其是，镁用作掺杂材料。

在发光结构的一个实施形式中，量子阱构建为使得第一类量子阱发射UV范围中的光，而第二类量子阱发射蓝-绿色范围中的光。

根据一个实施形式设计的是，第一类量子阱的铟含量调节为使得其发射在370nm到440nm之间的波长范围中的辐射。如果第一类阻挡层由GaN制造，则由第一类量子阱发射的辐射的波长尤其是在370nm到420nm之间。而如果第一类阻挡层由InGaN形成，则该波长尤其是在390nm到440nm之间。

第一类量子阱中的铟含量优选在4％到12％之间调整。尤其是，第一类量子阱包含In_xGa_1-xN，其中0.04≤x≤0.12。

第一类量子阱的厚度优选为2nm到7nm之间，尤其是在2nm到4nm之间。

优选地，第一类阻挡层的铟含量调整为使得其小于5％。特别地，第一类阻挡层包含In_xGa_1-xN，其中x≤0.05。在第一类阻挡层与第一类量子阱中的铟含量之间的差应小于7％。特别优选地，该差应小于5％。

根据该结构的一个实施形式设计的是，第二类量子阱的铟含量调整为使得其发射在440nm到580nm之间的波长范围中的辐射。

第二类量子阱的铟含量优选在12％到25％之间。特别地，第二类量子阱包含In_xGa_1-xN，其中0.12≤x≤0.25。第二类量子阱的厚度优选在2nm到7nm之间，尤其是在2nm到4nm之间。

此外，为了控制长波辐射和短波辐射之间的强度比例，可以适当地调整阻挡层的掺杂轮廓和掺杂。根据一个实施形式，第一类阻挡层以硅掺杂，更确切地说，以1.0×10¹⁷1/cm³到2.0×10¹⁹1/cm³之间的浓度来掺杂。

为了将第一类量子阱与第二类量子阱分离，在这两类的量子阱之间还可以设置有第二类阻挡层。特别优选地，第一类量子阱和第二类量子阱与第二类阻挡层直接邻接。为了适当地调整在长波辐射与短波辐射之间的强度比例，第二类阻挡层用硅以不大于5×10¹⁷1/cm³的浓度掺杂。第二类阻挡层是在具有高的铟含量的量子阱与具有低的铟含量的量子阱之间的阻挡层。

用于控制强度比例的另一参数在于适当地选择阻挡层的厚度。优选地，阻挡层的厚度在3nm到15nm之间，尤其是在6nm到12nm之间。在此，第一类阻挡层的厚度和第二类阻挡层的厚度可以相同地或者也可以不同地选择。

为了调整在长波发射与短波发射之间的强度比例，也可以调整第一类量子阱的数目。

量子阱的数目优选在1到30之间。

在有源区的邻接于p掺杂区域的侧上由于第二类量子阱的比较高的铟含量而出现了较高的势垒。然而，这些势垒通过适当的p掺杂来降低，使得保证了足够良好的空穴传导。然而，空穴传导朝着第一类量子阱降低。为了尽管如此仍然能够实现足够良好地将空穴注入到第一类量子阱中，将势垒降低。这可以通过在第一类量子阱中的比较低的铟含量来实现。铟含量有利地在第一类量子阱中比在第二类量子阱中更低。此外，优选的是，在第一类量子阱的铟含量与第一类阻挡层的铟含量之间的差降低，这可以通过提高阻挡层中的铟含量来实现。然而，降低的差导致载流子更少地包含于量子阱中。因此有利的是，使用多个第一类量子阱，而一个第二类量子阱就可以是足够的。第一类量子阱的数目于是优选大于第二类量子阱的数目。在此所描述的结构可以被使用以便改进发光材料的效率和色彩再现。发光材料可以以纯的形式存在并且由此在优选的波长范围中发射。可替选地，考虑由发光材料构成的混合物，其在波长方面发射比较宽的光谱。

发光材料或者由发光材料构成的混合物可以在亮度方面和/或在色彩再现方面进行优化，尤其是在由该结构发射的辐射峰值的相对强度方面进行优化。

在此所描述的结构尤其是与发光材料或者与由如下发光材料构成的混合物组合地使用：这些材料具有与该结构的量子阱类似的发射波长。发光材料可以以光学方式通过由该结构发射的短波光来泵浦。得到的所发射的光谱于是例如表现出带有蓝色或绿色范围中的扩宽的背景发射的、在蓝色或者绿色范围中的增强的发射。该宽带的蓝色发射或者宽带的绿色发射被人眼感觉为比量子阱的在比较窄的波长范围中发射的光更舒适或者更柔和。

如果需要，短波光的在发光材料中吸收之后剩余的部分可以通过相应的吸收材料来吸收，其中该吸收材料可以作为涂层或者封装而存在。

相应地，提出了一种具有发光结构的器件，其中在量子阱的发射方向上在发光结构之后设置有至少一种发光材料，其通过量子阱(尤其是第一类量子阱)的光以光学方式来泵浦。

发光材料在此可以以纯的形式存在或者作为多种发光材料的混合物存在。例如发光材料或者混合物可以具有与量子阱类似的发射波长。

发光材料可以以彼此不同的类而存在，它们在自身方面发射在不同波长范围中的光。

以下参照实施例更为详细地阐述了发光结构和器件。

图1以示意性横截面示出了一种发光结构。

图2示出了与波长相关的由发光结构发射的光谱。

图3示出了具有发光结构和由发光材料构成的混合物的器件。

图4示出了具有发光结构和不同的发光材料的器件。

图5示出了与波长相关的由根据图4的器件发射的光。

图6示出了由根据图3的器件发射的光，其具有与波长相关的在蓝色光的范围中的宽的峰值。

图7示出了由根据图3的器件发射的光，其具有与波长相关的在绿色光的范围中的宽的峰值。

这些图不应视为合乎比例的，因此为了更好的表示各个尺寸可以放大地或者缩小地表示。

执行相同功能的元件在附图中设置有相同的参考标记。

图1示出了发光结构7，其具有相叠的层的堆叠。在该结构的下侧上存在n掺杂区域2，其设计用于在施加电压时将电子注入发光结构中。

在n掺杂区域上设置有多个第一类量子阱4。第一类量子阱4包含InGaN，其中选择铟含量使得量子阱在UV或者紫色光的范围中激励时发射辐射。第一类量子阱4通过第一类阻挡层3彼此分离。在发光结构7的上部区域中设置有第二类量子阱5，该量子阱同样包含铟-镓-氮化物，其中第二类量子阱5的铟含量选择为使得在蓝色或者绿色光谱范围中进行发射。第二类量子阱5通过第二类阻挡层6与紧邻的第一类量子阱4分离。优选地，全部的第一类量子阱4位于第二类量子阱5的一侧上。

在第二类量子阱5的上侧上存在p导电区域1，其用于将空穴注入发光结构7中。第二类阻挡层6的厚度d6优选可以在3nm到15nm之间，尤其在2nm到6nm之间。同样的适用于第一类阻挡层3的厚度d3，其具有在3nm到15nm之间的范围中的厚度，尤其是在2nm到6nm之间的范围中的厚度。厚度d3和d6可以相同或者可以彼此不同。

为了控制对p侧的势垒，设计了镁掺杂轮廓，其中镁浓度从p导电区域的下边界1开始连续升高，直至达到距p导电区域的下边界在2nm到15nm之间的距离中的最大值。镁的最大浓度在此为1.0到100×10¹⁸1/cm³之间。镁浓度从该最大值朝着该装置的p接触部的方向又略为降低，直至其达到最小浓度。最小镁浓度在此为最大镁浓度的大约三分之一到一半。朝着例如可以实施为氮化镓层的p接触部，镁浓度进一步升高并且于是优选大于5.0×10¹⁹1/cm³。

第一类量子阱的数目可以变化，这通过虚线标记的第一类的第一量子阱4与第一类阻挡层3的组合来表示。量子阱的数目例如可以在1到30之间变化。图1所示的整个结构可以是器件的一部分，尤其是发光二极管(LED)的一部分。

图2示出了如在图1中示例性示出的发光结构的发射光谱。第一类量子阱发射如下光：其与波长λ相关的强度I通过曲线104示出。曲线104示出了针对第一类量子阱4的与波长相关的光发射。

第二类量子阱发射如下光：其与波长相关的强度通过曲线105来示出。该曲线示出了第二类量子阱的与波长相关的发射。所发射的光的总光谱通过曲线100来示出。

根据图2的辐射光谱例如通过使用具有不大于3％的铟浓度的第一类阻挡层、具有大约8％的铟浓度的第一类量子阱、具有不大于5％的铟浓度的第二类阻挡层以及具有直到18％的铟浓度的第二类量子阱来得到。尤其是，第一类阻挡层包含In_xGa_1-xN，其中x≤0.03；第一类量子阱包含In_xGa_1-xN，其中x≈0.08；第二类阻挡层包含In_xGa_1-xN，其中x≤0.05；以及第二类量子阱包含In_xGa_1-xN，其中x≤0.18。

由第一类量子阱发射的光具有在400nm到450nm之间的峰值波长λ4。

由第二类量子阱发射的光具有在450nm到500nm之间的峰值波长λ5。

图3示出了一种器件，其中在如其例如在图1中所示的发光结构7上施加有发光材料层8。发光材料层8在此包含发光材料的混合物。

发光材料层8在图3的例子中可以包含基于氮化物-硅酸盐的发光材料形式的发射蓝光的发光材料。发射绿光的发光材料例如可以作为基于YAG的发光材料而存在。例如材料YAG:Ce(Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺)可以用作发光材料。

发光材料层8可以在泵浦过程的意义上部分吸收由发光结构7发射的光，并且本身可以发射不同波长的光。

根据图3所示的装置的所发射的光例如在图6中示出。除了类似于图2中所实现的峰值波长λ4和λ5之外，还存在由发光材料层8发射的光，其与波长相关的强度通过图6中的曲线108示出。由发光材料层8发射的光与具有峰值波长λ4和λ5的辐射叠加成总辐射，其通过总光谱100来给出。可看到的是，通过使用发光材料层8尤其是可以明显地扩展在蓝色光谱范围中发射的峰的宽度，这使得人眼的感觉更为舒适。

在图7中示出另一例子。在此情况中，第二类量子阱的辐射峰值在500nm到550nm之间的范围中选择。通过相应地选择发光材料层8，可以同样在该波长范围中实现发光材料层8的发射。由发光材料层8发射的光通过曲线108示出。在通过曲线100给出的总光谱中表明：通过使用发光材料层8得到在峰值波长在λ5的峰值波长范围中的情况下扩展在绿色光的范围中的辐射峰值。由此，使得对于人眼的光印象更为舒适。

图4示出了一种器件，其中在发光结构7的上侧上同样设置有发光材料。与根据图3的实施形式不同，两种不同类的发光材料设置成交替相叠的层。在此，第一类发光材料层91与第二类发光材料层92交替。

发光材料层91优选可以是发射绿光的发光材料，而对于发光材料层92选择发射黄-红光(橙色光)的发光材料。发光材料层91和92之间的不同可以在于激发效率。发光材料层91的激发效率对于波长λ4更好，而发光材料92具有对于波长λ5的更好的激发效率。

借助根据图4的实施形式，可以实现如图5所示的辐射光谱。在此，通过使用不同的发光材料物质也由发光材料物质发射不同的光波长。第一类发光材料层91在此发射具有峰值波长λ91的光。与波长相关的强度通过曲线191给出。第二类发光材料层92发射具有大于峰值波长λ91的峰值波长λ92的光。通过第二类发光材料层92发射的光的强度通过曲线192示出。在总光谱100中，得到非常均衡的强度，其达到在500nm至另一方的600nm之间的蓝光范围。图4中所示的4波长发射器可以产生良好的色彩分布并且改善人眼所觉察到的色彩印象。这尤其是能够通过在色谱的绿色范围中的更好的覆盖来实现。

所示的多层布置的优点在于，可能通过使用比较薄的层来进行芯片平面的转换。尤其是，层的厚度可以通过重复沉积薄的层而在总体上增大，由此同样改善了光转换的效率。

此外，最终的发射光谱可以通过发光材料层91和发光材料层92的厚度匹配来实现。

本发明并未通过借助实施例的描述而局限于此。更确切地说，本发明包括任意新的特征以及特征的任意组合，特别是包含权利要求中的特征的任意组合，即使该特征或者该组合本身并未明确地在权利要求或者实施例中说明。

Claims (8)

1.一种发光结构(7)，包含：

-用于注入空穴的p掺杂区域(1)，

-用于注入电子的n掺杂区域(2)，

-有源区，其具有多个第一类的发射UV范围中的光的InGaN量子阱(4)和至少一个第二类的发射蓝-绿色范围中的光的InGaN量子阱(5)，该有源区设置在n掺杂区域(2)和p掺杂区域(1)之间，其中第二类的InGaN量子阱(5)具有比第一类的InGaN量子阱(4)更高的铟含量，

其中第一类的InGaN量子阱(4)通过第一类的(In)GaN阻挡层(3)彼此分离，并且其中在第二类量子阱(5)与边缘的第一类量子阱(4)之间设置有第二类阻挡层(6)，

其中第一类阻挡层(3)和第二类阻挡层(6)具有2nm到6nm之间的厚度，

其中第一类阻挡层(3)和第二类阻挡层(6)具有不同的厚度，

其中第一类阻挡层(3)以在1.0×10¹⁷/cm³到2.0×10¹⁹/cm³之间的浓度来掺杂硅并且第二类阻挡层(6)以不大于5×10¹⁷/cm³的浓度来掺杂硅。

2.根据权利要求1所述的发光结构(7)，其中所述第一类量子阱(4)邻接于n掺杂区域(2)，而所述至少一个第二类量子阱(5)邻接于p掺杂区域(1)。

3.根据权利要求1或2所述的发光结构(7)，其中第一类阻挡层(3)具有小于百分之五的铟含量。

4.根据权利要求1或2所述的发光结构(7)，其中第一类量子阱(4)的数目小于等于30。

5.根据权利要求1或2所述的发光结构(7)，其中在p掺杂区域(1)中设置有镁掺杂，其中与其余p掺杂区域(1)相比，局部实现直到三倍的浓度。

6.一种发光器件，其具有根据上述权利要求中任一项所述的发光结构(7)，其中在发射方向上在量子阱之后设置有发光材料，该发光材料通过量子阱(4，5)的光以光学方式泵浦。

7.根据权利要求6所述的发光器件，其中使用多种发光材料的混合物，其中至少一个第二类的(5)量子阱的辐射峰值在500nm到550nm之间的范围中选择并且同样在该范围中实现该混合物的发射。

8.根据权利要求6或7所述的发光器件，其中在光路中设置有针对紫外光或者紫色光的吸收体。

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