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CN102544281A - 具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管 - Google Patents

具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管 Download PDF

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CN102544281A
CN102544281A CN2012100179544A CN201210017954A CN102544281A CN 102544281 A CN102544281 A CN 102544281A CN 2012100179544 A CN2012100179544 A CN 2012100179544A CN 201210017954 A CN201210017954 A CN 201210017954A CN 102544281 A CN102544281 A CN 102544281A
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叶孟欣
吴志强
卢国军
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Abstract

本发明公开了一种具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其包含：衬底；由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层，位于衬底之上；在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的活性层；活性层由阱层、多层势垒结构层依次层叠构成，多层势垒结构层由一第一氮化铝铟镓薄层和一第二氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠形成。本发明从材料本质上改善了目前氮化物发光二极管在大电流操作下发光效率的骤降效应，有效提高了氮化物发光二极管的发光效率。

Description

具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基发光二极管，更具体地是涉及一种于活性层形成一种兼具极化匹配与高能障多层势垒结构的氮化物发光二极管。
背景技术
随着功率型氮化镓基发光二极管的效率不断提升，用氮化镓基发光二极管半导体灯替代现有的照明光源将成为势不可挡的趋势。然而半导体照明要进入千家万户，还有许多问题需要解决，其中最核心的就是发光亮度与发光效率。
白光发光二极管要取代现阶段照明市场，发光效率至少要达到100lm/W以上，且需克服氮化物发光二极管在大电流下所造成发光效率骤降的效应(Droop Effect)。传统氮化镓基发光二级管的活性层公知结构中，势垒层通常是由氮化镓(GaN)材料所构成，阱层通常是由氮化铟镓(InGaN)材料所构成。氮化镓和氮化铟镓材料的晶格常数的不匹配常会造成明显的极化效应(Polarization effect)，造成在大电流操作下发光效率迅速下降，此现象称之骤降效应(Droop Effect)。
目前最广泛采用的解决方法是透过器件表面电极的设计改善或类似采用Osram UX3的制作工艺，减少电流拥挤现象（Current Crowding），降低部分区域电流密度过大的状况产生。此方法虽有效改善氮化物发光二极管大电流操作下发光效率的骤降效应，但是，这些芯片的制作工艺比公知的氮化物发光二极管的制作工艺复杂许多，且不是从材料本质上解决这个问题。
发明内容
本发明提出一种氮化物发光二极管的结构，可以实际从材料本质上解决前述相关技术中的限制及缺点。
本发明解决上述问题采用的技术方案是：具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，包含：衬底；由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层，位于衬底之上；在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的活性层；活性层由阱层、多层势垒结构层依次层叠构成，多层势垒结构层由一第一氮化铝铟镓薄层和一第二氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠形成。
 所述多层势垒结构层是由第一氮化铝铟镓薄层和第二氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠所形成的超晶格结构，其重复次数至少为二次。
所述第一氮化铝铟镓薄层为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N所构成, 0<x1<1, 0<y1<1，x1+y1<1，第二氮化铝铟镓薄层为能Alx2Iny2Ga1-x2-y2N所构成, 0≤x2<1, 0<y2<1，x2+y2<1，其中x1≠x2，y1≠y2。
所述多层势垒结构层的厚度小于或等于600埃。
所述第一氮化铝铟镓薄层的厚度为5～50埃，其n型掺杂浓度小于5×1018cm-3。本发明选择第一氮化铝铟镓Alx1Iny1Ga1-x1-y1N薄层膜厚10埃～30埃，0.1<x1<0.45，0.2 <y1<0.4，x1+y1<1。
所述第二氮化铝铟镓薄层的厚度为5～50埃，其n型掺杂浓度小于5×1018cm-3。本发明优先选择第二氮化铝铟镓Alx2Iny2Ga1-x2-y2N薄层膜厚10埃～30埃，0<x2<0.2，0.05<y2<0.4，x2+y2<1。
所述第一氮化铝铟镓薄层，其Al、In、Ga组分是固定或变化的。
所述第二氮化铝铟镓薄层，其Al、In、Ga组分是固定或变化的。
在本发明中，活性层的势垒层是借由调整第一氮化铝铟镓薄层与第二氮化铝铟镓薄层中的Al、In组分、薄层厚度与重复次数形成超晶格结构，使其晶格与阱层匹配，避免了一般氮化物活性层中阱层与势垒层因晶格不匹配所造成的极化效应，因此可使氮化物发光二极管在大电流操作下，其发光效率的骤降效应获得明显的改善，进而提高氮化物发光二极管的发光效率。
进一步地，利用第一氮化铝铟镓薄层和第二氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠所形成的极化匹配与高能障多层势垒结构层，使其与阱层(氮化铟镓材料)的晶格匹配，而无显着的极化效应，因此在不同大小的电流操作下，无明显的蓝移或红移的现象。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领 域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。 
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是根据本发明实施的氮化镓基发光二极管的结构剖面图。
图2是图1所示的氮化镓基发光二极管之多层势垒结构层的结构放大图。
图3是本发明第一实施例中活性层的带隙分布情况。
图4是本发明第二实施例中活性层的带隙分布情况。
图5是本发明第三实施例中活性层的带隙分布情况。
图6是本发明第四实施例中活性层的带隙分布情况。
图7是根据本发明实施的氮化镓基发光二极管的发光输出功率与正向电流的关系图。
图8是根据本发明实施的氮化镓基发光二极管的归一化发光输出功率与正向电流的关系图。
图9是根据本发明实施的氮化镓基发光二极管的发光波长与正向电流的关系图。
图中：100.衬底；110.缓冲层；120.n型层；130.活性层；131.阱层；132.多层势垒结构层；132a.第一氮化铝铟镓薄层；132b.第二氮化铝铟镓薄层；140.p型限制层；141.p型覆盖层；142.p型接触层；150.p欧姆电极；160.n欧姆电极；151.p焊接区(pad)电极。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是根据本发明实施的氮化镓基发光二极管的结构剖面图。
如图1所示，具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，包括：衬底100，缓冲层110，n型层120，活性层130，p型限制层140，p型覆盖层141，p型接触层142。
衬底100可选择蓝宝石衬底。
缓冲层110形成于衬底100上，其材料可为氮化镓、氮化铝或氮化镓铝，膜厚为200埃～500埃。
n型层120形成于缓冲层110上，其材料为Si掺杂氮化镓，其膜厚为20000埃～40000埃间。
活性层130形成于n型层120上，其为由阱层131、多层势垒结构层132依次层叠构成的量子阱结构。在图1所示的活性层130为多量子阱结构，但活性层也可以为单量子阱结构。阱层131的材料为氮化铟镓(InGaN)层，膜厚为18埃～30埃；多层势垒结构层132为第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a和第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b交互重复堆叠所形成的超晶格结构，其重复周期至少包括两个周期，总厚度小于或等于600埃，较佳的厚度范围为100埃～200埃，其具体结构如图2所示。第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a的厚度为5～50埃，较佳的膜厚范围为10～30埃，其n型掺杂浓度小于5×1018cm-3，其中0.1<x1<0.45，0.2 <y1<0.4，x1+y1<1；第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层的厚度为5～50埃，较佳的膜厚范围为10～30埃，其n型掺杂浓度小于5×1018cm-3，其中0<x2<0.2，0.05<y2<0.4，x2+y2<1。
本发明中的重点特征在于：多层势垒结构层132为由第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a和第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b交互重复堆叠所形成的超晶格结构，其中第一氮化铝铟镓薄层132a中Al的组分大于第二氮化铝铟镓薄层132b中Al的组分，即x1＞x2。调整第一氮化铝铟镓薄层与第二氮化铝铟镓薄层中Al、In的组分及薄层的厚度与重复次数形成超晶格结构，可使其势垒层的晶格与阱层匹配，避免一般氮化物活性层中阱层与势垒层因晶格不匹配所造成的极化效应，另其也兼具高能障的特性。第一氮化铝铟镓薄层与第二氮化铝铟镓薄层中Al、In的组分可以是固定的，也可以是变化的。
图3是本发明第一实施例中活性层的带隙分布情况。在本实施例中，第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a与第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b中Al、In的组分是固定的。多层势垒结构层132由6层第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a和5层第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b构成。
图4是本发明第二实施例中活性层的带隙分布情况。本实施例中，第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层与第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层中Al、In的组分是渐变的。多层势垒结构层132由6层相同组分的第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a和5层相同组分的第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b构成。但每层第一氮化铝铟镓薄层132a内部Al和In组分是渐变的；每层第二氮化铝铟镓薄层132b内部的Al和In组分也是渐变的。
图5是本发明第三实施例中活性层的带隙分布情况。本实施例中，第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层中Al、In的组分是固定的，第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层中Al、In的组分是变化的。多层势垒结构层132由6层相同组分的第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a和5层不同组分的第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b构成，但每层第二氮化铝铟镓薄层132b内部的Al和In组分是固定的。
图6是本发明第四实施例中活性层的带隙分布情况。本实施例中，第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层与第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层中Al、In的组分是变化的。多层势垒结构层132由6层不同组分的第一氮化铝铟镓（Alx1Iny1Ga1-x1-y1N）薄层132a和5层不同组分的第二氮化铝铟镓（Alx2Iny2Ga1-x2-y2N）薄层132b构成，但每层第一氮化铝铟镓薄层132b内部的Al和In组分是固定的，每层第二氮化铝铟镓薄层132b内部的Al和In组分是固定的。
p型限制层140、p型覆盖层141与p型接触层142依次形成于活性层130上，p型限制层140的材料为掺杂了Mg的氮化铝铟镓(AlInGaN)构成，膜厚为100埃～600埃；p型层p型覆盖层141与p型接触层142的材料可为氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或其它氮化镓系材料，其中p型覆盖层141的膜厚为1000埃～3000埃间，p型接触层142的膜厚为50埃～200埃间。
p欧姆电极150制作在p型接触层142上，其上分布有p焊接区(pad)电极151；n欧姆电极160制作n型层120上。
本实施方式的氮化物发光二极管中，第一氮化铝铟镓薄层132a和第二氮化铝铟镓薄层132b交互重复堆叠形成的极化匹配与高能障多层势垒结构层132。由此，能使氮化物发光二极管在大电流操作下，其发光效率的骤降效应获得明显的改善，进而提高氮化物发光二极管在大电流(高电流密度)操作下的发光效率。由于活性层中势垒层与阱层(氮化铟镓材料)的晶格常数相当匹配，而无显着的极化效应，也因此在不同大小的电流操作下，无明显的蓝移或红移的现象。
以下通过具体的实验数据对本发明所产生的有益效果进行说明。
首先，作为实施例，针对本发明工艺与传统的工艺(即有无本发明工艺的多层势垒结构层)，制作2种样品，分别评价其大电流(高电流密度)操作下，发光输出功率的特性、发光效率的骤降效应及蓝移的现象。
   在本实施例中，按表1所示那样设定各半导体层的膜厚。
表1  
Figure 354515DEST_PATH_IMAGE002
图7~图9分别表示本发明工艺与传统的工艺(即有无本发明工艺的多层势垒结构层) 的发光输出功率、归一化发光输出功率与正向电流、发光波长与正向电流的实验数据图。
如图7所示的本发明实施例的各样品的发光输出功率曲线图,使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，其发光输出功率较传统工艺的氮化物发光二极管组件样品佳。
如图8所示的本发明实施例的各样品的归一化发光输出功率曲线图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在大电流(高电流密度)操作下，其发光效率的骤降效应较传统工艺的氮化物发光二极管组件样品有显着的改善。
如图9所示的本发明实施例的各样品的本发明实施例的发光波长与正向电流的关系图，使用本发明工艺的氮化物发光二极管组件样品，在大电流(高电流密度)操作下，其蓝移的现象较传统工艺的氮化物发光二极管组件样品小。
以上所叙述的仅是用于解释本发明的较佳实施例，并非试图用于对本发明作任何形式上的限制，所以，凡是在相同的发明精神下对本发明所作的任何修改或变更都仍应包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，包含： 
衬底；
由氮化物半导体分别形成的n侧层和p侧层，位于衬底之上；
在n侧层和p侧层之间具有由氮化物半导体构成的活性层；
活性层由阱层、多层势垒结构层依次层叠构成；
多层势垒结构层由一第一氮化铝铟镓薄层和一第二氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠形成。
2.根据权利要求1所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述多层势垒结构层是由第一氮化铝铟镓薄层和第二氮化铝铟镓薄层交互重复堆叠所形成的超晶格结构，其重复次数至少为二次。
3.根据权利要求1或2所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一氮化铝铟镓薄层为Alx1Iny1Ga1-x1-y1N所构成, 0<x1<1, 0<y1<1，x1+y1<1，第二氮化铝铟镓薄层为Alx2Iny2Ga1-x2-y2N所构成, 0≤x2<1, 0<y2<1，x2+y2<1，其中x1≠x2，y1≠y2。
4.根据权利要求1或2所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述多层势垒结构层的厚度小于或等于600埃。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一氮化铝铟镓薄层的厚度为5～50埃，其n型掺杂浓度小于5×1018cm-3。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第二氮化铝铟镓薄层的厚度为5～50埃，其n型掺杂浓度小于5×1018cm-3。
7.根据权利要求3所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一氮化铝铟镓薄层，其Al、In、Ga组分是固定的。
8.根据权利要求3所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一氮化铝铟镓薄层，其Al、In、Ga组分是变化的。
9.根据权利要求3所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第二氮化铝铟镓薄层，其Al、In、Ga组分是固定的。
10.根据权利要求3所述的具有多层势垒结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第二氮化铝铟镓薄层，其Al、In、Ga组分是变化的。
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