CN102185056B - 提高电子注入效率的氮化镓基发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其包括：一衬底；一氮化镓成核层制作在衬底上；一缓冲层制作在氮化镓成核层上；一n型接触层制作在缓冲层上，在该n型接触层的上面的一侧形成一台面；一下多周期n型电子耦合层制作在n型接触层上台面另一侧的上面；一下隧穿势垒层制作在下多周期n型电子耦合层上；一上多周期n型电子耦合层制作在下隧穿势垒层上；一上隧穿势垒层制作在上多周期n型电子耦合层上；一多周期活性发光层制作在上隧穿势垒层上；一负电极制作在n型接触层的台面上；一p型电子阻挡层制作在多周期活性发光层上；一p型接触层制作在p型电子阻挡层上；一正电极制作在p型接触层上，形成氮化镓系发光二极管的结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓(GaN)系发光二极管，特别是涉及一种由两组或多组不同铟组分的n型电子耦合层的氮化镓系发光二极管。
背景技术
目前III-V族半导体光电材料被誉为第三代半导体材料。而GaN系发光二极管，由于可以通过控制材料的组成来制作出各种色光(尤其是需要高能隙的蓝光或紫光)的发光二极管(简称为“LED”)，而成为业界研究的重点。
以GaN为基础的半导体材料或器件的外延生长目前主要采用MOCVD技术。在利用MOCVD技术生长氮化物半导体(GaN、AlN、InN及它们的合金氮化物)的工艺中，由于没有与GaN晶格匹配的衬底材料，故通常采用蓝宝石作为衬底进行异质外延。然而，在蓝宝石与氮化物半导体之间存在较大的晶格失配(-13.8％)和热膨胀系数的差异，于是生长没有龟裂、表面平整的高质量氮化物半导体非常困难。目前最有效的外延生长方法通常采用两步外延生长法(参见H.Amano，N.Sawaki和Y.Toyoda等，“使用AlN缓冲层的高质量GaN薄膜的金属有机气相外延生长”，Appl.Phys.Lett.48，1986，353)，虽然晶体质量在一定程度上得到改善，但由于蓝宝石与氮化物之间的晶格失配，外延层中存在很大的应力。同时，活性发光层中铟镓氮和氮化镓之间也同样存在着较大的热失配，即在温度发生变化时，活性层中也会产生一定的应变。由于III族氮化物具有压应变特性，这些应变会在InGaN/GaN多量子阱有源区内产生很大的压应力。从而在多量子阱有源区内形成较大的压应变电场(即压电场效应(piezo-electrical field effect))，而压电场效应的存在一方面使得电子与空穴的波函数在空间上分离，从而引起辐射复合强度的减弱；另一方面由于压电场的存在，使得LED的n区费米能级抬高，甚至高于p区费米能级(Appl.Phys.Lett.，94，2009，231123)，造成电子从n区越过有源区直接到达p区发生非辐射复合。为了减少电子的过冲，早期的方法是在活性发光层前生长一层厚的低铟组分的铟镓氮插入层作为电子储蓄层，但是由于铟镓氮层的质量随着厚度的增加迅速降低，在后来的研究中将该层铟镓氮换成铟镓氮与氮化镓的量子阱或超晶格结构(参看专利CN1552104A及专利CN101174662A)。这两种结构在小电流注入的条件下对减少电子的过冲，增加电子的注入效率，起到了很好的作用。但是，随着注入电流密度的增加，由于外加电场与活性层中的压应变电场方向一致，导致n区费米能级的进一步提高，电子的过冲行为加重，仍然有大量的电子越过活性层直接到达p区。
为了减少电子在大电流注入条件下的过冲行为，提高电子的注入效率，我们在有源区活性层下方加入两组或多组由不同铟组分的铟镓氮和铝铟镓氮构成的多量子阱结构，以此作为电子耦合层。每一组量子阱结构中的铟组分是不等的，越靠近活性发光层，铟镓氮中的铟组分越高。随着铟组分的增加，铟镓氮量子阱对电子的限制作用增强，更多的电子将被束缚在电子耦合层内部，以此来减少电子的过冲。电子耦合层之间通过铝铟镓氮薄层作为隧穿势垒层。通过调节各个电子耦合层中铟镓氮量子阱层的宽度来调节量子阱中的能级，并最终达到电子在不同耦合层之间以及耦合层和活性发光层之间的能级共振；通过调节铝铟镓氮隧穿势垒层的厚度，提高电子在共振能级间的隧穿几率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮化镓系发光二极管，通过该结构设计可以增加大电流注入下对电子的限制，减少电子的过冲，从而提高电子的注入效率，以此提高发光二极管的发光效率。
本发明提供一种提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其包括：
一衬底；
一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；
一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；
一n型接触层，该n型接触层制作在缓冲层上，在该n型接触层的上面的一侧形成一台面，该n型接触层由n型氮化镓构成；
一下多周期n型电子耦合层，该下多周期n型电子耦合层制作在n型接触层上台面另一侧的上面；
一下隧穿势垒层，该下隧穿势垒层制作在下多周期n型电子耦合层上；
一上多周期n型电子耦合层，该上多周期n型电子耦合层制作在下隧穿势垒层上；
一上隧穿势垒层，该上隧穿势垒层制作在上多周期n型电子耦合层上；
一多周期活性发光层，该活性发光层制作在上隧穿势垒层上；
一负电极，该负电极制作在n型接触层的台面上；
一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在多周期活性发光层上；
一p型接触层，该p型接触层制作在p型电子阻挡层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；
一正电极，该正电极制作在p型接触层上，形成氮化镓系发光二极管的结构。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明，其中：
图1是根据本发明的具有n型电子耦合层的GaN系发光二极管。
图2是现有的以及根据本发明的氮化镓系发光二极管的PL发光强度曲线，其中三角线条为本发明的具有n型电子耦合层结构的氮化镓系LED；圆形线条为传统结构的氮化镓系LED。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种氮化镓系发光二极管，其包括：
一衬底11，以(0001)向蓝宝石(Al2O3)为衬底11，其他可用于衬底11的材质还包括R-面或A-面的氧化铝单晶、6H-SiC、4H-SiC、或晶格常数接近于氮化物半导体的单晶氧化物。制备中采用高纯NH3作N源，高纯H2和N2的混合气体作载气；三甲基镓或三乙基镓作Ga源，三甲基铟作In源，三甲基铝作Al源；n型掺杂剂为硅烷，p型掺杂剂为二茂镁。
一氮化镓成核层12，该氮化镓成核层12制作在衬底11上。生长参数包括：反应温度500℃至800℃，反应腔压力200至500Torr，载气流量10-30升/分钟，三甲基镓流量20-250微摩尔/分钟，氨气流量20-80摩尔/分钟，生长时间1-10分钟；
一缓冲层13，该缓冲层13制作在成核层12上。生长参数包括：反应温度950-1180℃，反应腔压力76-250Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量为80-400微摩尔/分钟，氨气流量为200-800摩尔/分钟，生长时间20-60分钟；
一n型接触层14，该n型接触层14制作在缓冲层13上，该n型接触层14由n型氮化镓构成。生长参数包括：反应温度950-1150℃，反应腔压力76-250Torr，载气流量5-20升/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，硅烷流量0.2-2.0纳摩尔/分钟，生长时间10-40分钟；
一下多周期n型电子耦合层15，该下多周期n型电子耦合层15制作在n型接触层14上台面141另一侧的上面。所述下多周期电子耦合层15是由铟镓氮(InGaN)薄层151和铝铟镓氮(AlInGaN)薄层152交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。生长参数包括：AlInGaN薄层(即垒层152)：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；InGaN薄层(即阱层151)：反应温度700-850℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；结构周期数为3至20；
一下隧穿势垒层16，该下隧穿势垒层16制作在下多周期n型电子耦合层15上，由铝铟镓氮(AlInGaN)薄层构成。其下接触面为下多周期n型电子耦合层15的铟镓氮薄层151。生长参数包括：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；
一上多周期n型电子耦合层17，该上多周期n型电子耦合层17制作在下隧穿势垒层16上，所述上多周期n型电子耦合层17是由铟镓氮(InGaN)薄层171和铝铟镓氮(AlInGaN)薄层172交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。生长参数包括：AlInGaN薄层(即垒层172)：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；InGaN薄层(即阱层171)：反应温度700-850℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；结构周期数为3至20；
一上隧穿势垒层18，该上隧穿势垒层18制作在上多周期n型电子耦合层17上，由铝铟镓氮(AlInGaN)薄层构成。其下层接触面为上多周期n型电子耦合层17的铟镓氮薄层171。生长参数包括：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；
一活性发光层19，该活性发光层19制作在上隧穿势垒层18上，所述活性发光层19是由铟镓氮(InGaN)薄层191和铝铟镓氮(AlInGaN)薄层192交互层叠形成的多周期的量子阱结构构成。生长参数包括：AlInGaN薄层(即垒层192)：反应温度700-900℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，硅烷流量0-2.0纳摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；InGaN薄层(即阱层191)：反应温度700-850℃，反应腔压力100-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量0.1-1.0微摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，时间0.1-5分钟；多量子阱周期数为4至15；
本发明中的下多周期n型电子耦合层15中铟镓氮薄层151的生长温度优选为600-900℃，低于上多周期n型电子耦合层17中铟镓氮薄层171的生长温度，且这两层铟镓氮薄层151、171的生长温度都低于活性发光层19中铟镓氮薄层191的生长温度。
本发明中的n型电子耦合层中铟镓氮薄层的铟组分应当在0＜x＜0.3。且由下多周期n型电子耦合层15中铟镓氮薄层151到上多周期n型电子耦合层17中铟镓氮薄层171再到活性发光层19中铟镓氮薄层191，其铟组分是逐渐增加的。
本发明中的铝铟镓氮隧穿势垒层16/18的厚度优选为2-20纳米。
本发明通过在活性发光层19下方生长具有多组n型电子耦合层15/17，获得了发光强度得到较大提高的GaN系发光二极管。主要原因在于如下：
在活性发光层19下方生长多组电子耦合层15、17，且电子耦合层中铟镓氮薄层的铟组分由下多周期n型电子耦合层15中铟镓氮薄层151到上多周期n型电子耦合层17中铟镓氮薄层171再到活性发光层19中铟镓氮薄层191，其铟组分是逐渐增加的。由于电子耦合层中具有较高的铟组分，对电子的束缚能力增强，这样更多的电子将被束缚在电子耦合层内部，减少大电流注入条件下电子的过冲。通过调节铟镓氮薄层151、171中的铟组分及阱宽，实现下多周期n型电子耦合层15与上多周期n型电子耦合层17之间能级共振，并最终实现上多周期n型电子耦合层17与活性发光层19中的铟镓氮薄层191之间的能级共振；通过调节隧穿势垒层铝铟镓氮层16、18的厚度，实现下多周期n型电子耦合层15与上多周期n型电子耦合层17以及活性发光层19之间的能级共振隧穿。从而达到提高载流子注入效率的目的。
一负电极22，该负电极22制作在n型接触层14的台面141上，由铬铂金或钛铝钛金组成。
一p型电子阻挡层20，该p型电子阻挡层20制作在活性发光层19上，该p型电子阻挡层20由铝铟镓氮构成。所述p型电子阻挡层20的厚度为10-50nm，并且所述p型电子阻挡层的下表面与所述活性发光层中的铝铟镓氮薄层192接触。生长参数包括：反应温度700-1000℃，反应腔压力50-200Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量100-400摩尔/分钟，三甲基铟流量10-50微摩尔/分钟，三甲基铝流量20-100微摩尔/分钟，三甲基镓流量80-200微摩尔/分钟，二茂镁流量为150-400纳摩尔/分钟，时间1-10分钟。
其中所述p型电子阻挡层20以二茂镁为p型掺杂剂，并且二茂镁的掺杂浓度为1019-1021cm-3。
一p型接触层21，该p型接触层21制作在p型电子阻挡层20上，该p型接触层21由p型氮化镓构成。生长参数包括：反应温度950-1100℃，反应腔压力200-500Torr，载气流量5-20升/分钟，氨气流量200-800摩尔/分钟，三甲基镓流量80-400微摩尔/分钟，二茂镁流量为0.5-5微摩尔/分钟，时间10-50分钟。
一正电极23，该正电极23制作在p型接触层21上，由铬铂金组成。完成氮化镓系发光二极管的制作。
图2所示为根据本发明的具有n型电子耦合层的氮化镓系发光二极管与传统工艺没有n型电子耦合层的氮化镓系发光二极管的光致发光特性对比。其中三角线条为本发明的具有n型电子耦合层结构的氮化镓系LED；圆形线条为传统结构的氮化镓系LED。由图2中可以看出，与传统结构的LED相比，在同样的注入电流条件下，本发明的LED结构的发光强度增大，说明发光二极管的内量子效率得到了有效的提高。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其包括：
一衬底；
一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；
一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；
一n型接触层，该n型接触层制作在缓冲层上，在该n型接触层的上面的一侧形成一台面，该n型接触层由n型氮化镓构成；
一下多周期n型电子耦合层，该下多周期n型电子耦合层制作在n型接触层上台面另一侧的上面，该下多周期n型电子耦合层的每一周期包括：一铟镓氮薄层和在其上制作的铝铟镓氮薄层，该下多周期n型电子耦合层的最上面再制作一层铟镓氮薄层；
一下隧穿势垒层，该下隧穿势垒层制作在下多周期n型电子耦合层上：
一上多周期n型电子耦合层，该上多周期n型电子耦合层制作在下隧穿势垒层上；
一上隧穿势垒层，该上隧穿势垒层制作在上多周期n型电子耦合层上；
一多周期活性发光层，该活性发光层制作在上隧穿势垒层上；
一负电极，该负电极制作在n型接触层的台面上；
一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在多周期活性发光层上；
一p型接触层，该p型接触层制作在p型电子阻挡层上，该p型接触层由p型氮化镓构成；
一正电极，该正电极制作在p型接触层上，形成氮化镓系发光二极管的结构。
2.如权利要求1所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中上多周期n型电子耦合层的每一周期包括：
一铟镓氮薄层和在其上制作的铝铟镓氮薄层，该上多周期n型电子耦合层的最上面再制作一层铟镓氮薄层。
3.如权利要求1所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中所述活性发光层的每一周期包括：
一铟镓氮薄层和在其上制作的铝铟镓氮薄层，该活性发光层的最上面再制作一层铟镓氮薄层。
4.如权利要求1所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中下多周期n型电子耦合层的周期数为3-20，每一层铝铟镓氮薄层的厚度为2-20nm；每一层铟镓氮薄层的厚度为1-4nm。
5.如权利要求2所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中上多周期n型电子耦合层的周期数为3-20，每一层铝铟镓氮薄层的厚度为2-20nm；每一层铟镓氮薄层的厚度为1-4nm。
6.如权利要求3所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中活性发光层的周期数为4-15，每一层铝铟镓氮薄层的厚度为4-20nm；每一层铟镓氮薄层的厚度为1-4nm。
7.如权利要求1或2所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中下多周期n型电子耦合层和上多周期n型电子耦合层从下至上的铟镓氮薄层中的铟组分为逐渐增加，但不能超过所述活性发光层中的铟镓氮薄层中的铟组分。
8.如权利要求1所述的提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其中下隧穿势垒层和上隧穿势垒层的厚度为2-20nm。
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