CN103151435A - 一种具有复合势垒的氮化镓基发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有复合势垒的氮化镓基发光二级管，包括从下至上依次设置的蓝宝石衬底、缓冲层、n型氮化镓外延层、多量子阱有源区、p型铝镓氮外延层和p型氮化镓外延层，p型氮化镓外延层上表面设置p型金属电极，n型氮化镓层的下台面上设有n型电极，多量子阱有源区包括5~20个从下至上间隔排列的氮化铟镓势阱层，两相邻氮化铟镓势阱层之间设置有第一类复合势垒层，顶层的氮化铟镓势阱层的上表面设置有第二类复合势垒层，复合势垒中，氮化铝镓铟层与InGaN势阱层接触处，通过调节Al和In的组分减小极化效应产生的内建电场；AlInGaN层与GaN层接触界面上，调节Al与In的比值为0.83:0.17，使二者晶格匹配。

Description

一种具有复合势垒的氮化镓基发光二极管

技术领域

本发明属于半导体照明领域，涉及一种具有复合势垒的氮化镓基LED。

背景技术

GaN基LED已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下问题仍未得到很好解决。原因在于：III-V族氮化物发光元件中存在着极化效应，包括自发极化和压电极化。自发极化是纤锌矿结构在[0001]方向的不对称引起的，而压电极化产生的原因是在异质结界面处，由于不同材料之间彼此晶格不匹配产生应力，使得阴离子和阳离子的排列发生移动，产生出极化电荷的压电效应所致。由于极化效应所引起的内建极化电场是强电场，在量子阱内部引起严重的能带弯曲变形，使电子和空穴的波函数在空间上有所分离，从而降低了量子阱内的载流子自发辐射速率，使得器件的内量子效率低下，同时也限制了发光效率。

目前主流的氮化镓基LED一般均采用InGaN/GaN多量子阱作为发光有源区，其中的极化效应是必须重视的。采用四元氮化物AlInGaN可根据需要引入适当的张应变和压应变，以达到减小极化效应的目的。AlN的自发极化常数最大，InN次之，GaN最小。按照Fiorentini等人的理论，将某种材料的自发极化强度与压电极化强度相加，得到的就是其总极化强度。

三元氮化物材料的自发极化强度P_sp与组分的关系可用下式表示：

P_sp(Al_xGa_1-xN)=-0.090x-0.034(1-x)+0.019x(1-x)

(1)

P_sp(In_xGa_1-xN)=-0.042x-0.034(1-x)+0.038x(1-x)

(2)

P_sp(Al_xIn_1-xN)=-0.090x-0.042(1-x)+0.071x(1-x)

(3)

四元氮化物AlInGaN的自发极化强度为：

P_ps(Al_xIn_yGa_1-x-yN)=P_ps(AlN)x+P_ps(InN)y+P_ps(GaN)(1-x-y)，

(4)

而AlInGaN、AlInN、InGaN和AlGaN的压电极化强度P_pz可利用下列公式算出：

P_pz(Al_xIn_yGa_1-x-yN)=P_pz(AlN)x+P_pz(InN)y+P_pz(GaN)(1-x-y)，

(5)

其中

P_pz(AlN)=-1.808□+5.624□²当□<0，

(6)

P_pz(AlN)=-1.808□-7.888□²当□>0，

(7)

P_pz(GaN)=-0.918□+9.541□²,

(8)

P_pz(InN)=-1.373□+7.559□²,

(9)

P_total=P_ps+P_pz

(10)

其中□是晶格失配度。当氮化铟镓势阱层的In组分确定时，我们可以根据上述公式得到合适的复合势垒层InAlGaN与InGaN界面处的In，Al组分，使得InGaN层和AlInGaN层的极化强度相匹配，由此可减小InGaN量子阱中的极化效应。

虽然使用AlInGaN可以减少极化效应，从而减小极化效应导致的内建电场，但是使用AlInGaN代替传统的GaN势垒时，Al和In的组分是在氮化铟镓势阱层中的In组分已定的情况下计算所得，所以仍然可能在AlInGaN和InGaN之间保留一定的晶格失配。另一方面，我们同时需要解决AlInGaN层与GaN层接触的界面处的晶格失配的问题。当在该界面处调整AlInGaN中的Al组分和In组分的比值为0.83:0.17时，AlInGaN和GaN晶格匹配，有利于减少晶格失配产生的位错密度。

发明内容

技术问题：本发明提供了一种可提高发光效率的具有复合势垒的发光二极管。

技术方案：本发明的具有复合势垒的氮化镓基发光二极管，包括从下至上依次设置的蓝宝石衬底、缓冲层、n型氮化镓外延层、多量子阱有源区、p型铝镓氮外延层和p型氮化镓外延层，在p型氮化镓外延层上表面设置有p型金属电极，n型氮化镓层的上表面刻蚀出阶梯状台面，阶梯状台面包括一个上台面和位于上台面一侧的下台面，上台面与多量子阱有源区的底面连接，下台面上设置有一个n型电极，其特征在于，多量子阱有源区包括5~20个从下至上间隔排列的氮化铟镓势阱层，两相邻氮化铟镓势阱层之间设置有由从下至上依次连接的第一氮化铝镓铟层、氮化镓层和第二氮化铝镓铟层构成的第一类复合势垒层，顶层的氮化铟镓势阱层的上表面设置有由从下至上连接的第一氮化铝镓铟层和氮化镓层构成的第二类复合势垒层。

本发明的第一类复合势垒和第二类复合势垒中，第一氮化铝镓铟层的下表面和第二氮化铝镓铟层的上表面，铝和铟的组分均根据氮化铟镓势阱层中的In组分，按照化合物半导体能带理论和极化电场理论计算得到；在第一氮化铝镓铟层的上表面和第二氮化铝镓铟层的下表面，调节铝组分和铟组分的比值为0.83:0.17，使之与氮化镓晶格匹配。氮化铟镓势阱层中，In组分的摩尔百分比范围为0~40%。

本发明的第一类复合势垒层和第二类复合势垒中，第一氮化铝镓铟层和第二氮化铝镓铟层的厚度均为4-8nm，氮化镓层的厚度为4-8nm。

本发明中，第一氮化铝镓铟层和第二氮化铝镓铟层的禁带宽度大于氮化铟镓势阱层的禁带宽度，即E_g(AlInGaN)>E_g(InGaN)。

本发明的具有复合势垒的发光二极管中，多量子阱有源区中的第一类复合势垒是由AlInGaN-GaN-AlInGaN三层外延层组成，第二类复合势垒是由AlInGaN-GaN两层外延层组成。复合势垒中，通过调节AlInGaN层与氮化铟镓势阱层接触的界面处的Al和In的组分来减小因极化效应产生的内建电场，其中Al和In的组分可根据氮化铟镓势阱层中的In组分，利用公式（1）~（12）计算得到；而在AlInGaN层与GaN层接触的界面处，调节Al组分与In组分的比值为0.83:0.17，以使AlInGaN层与GaN层的晶格匹配。由此可见，复合势垒中的AlInGaN层里的Al和In组分是变化的。其中，氮化铟镓势阱层中，In组分的摩尔百分比范围为0~40%。

本发明中具有复合势垒的氮化镓基LED，其复合势垒中AlInGaN层与势阱层InGaN接触的界面处的Al，In组分参数，以及AlInGaN层与GaN层接触的界面处的Al，In组分参数，在一般情况下是不一致的。在外延生长过程中，In和Al的组分在AlInGaN层中是以递变的形式从一组界面参数变化到下一组界面参数。

本发明中的具有复合势垒的氮化镓基LED，其多量子阱有源层是由5-20个周期的氮化铟镓势阱层和第一类复合势垒层AlInGaN-GaN-AlInGaN交替外延生长而成。

本发明中的具有复合势垒的氮化镓基LED，其最后一个周期的复合势垒仅由第二类复合势垒AlInGaN-GaN构成。

本发明提供的复合势垒中的AlInGaN的禁带宽度必须大于InGaN势阱的禁带宽度，即E_g(AlInGaN)>E_g(InGaN)。禁带宽度可由下式表示：

$E_g\left({\mathrm{Al}}_x{\mathrm{In}}_y{\mathrm{Ga}}_{z}N\right)=\frac{x\&CenterDot;y\&CenterDot;T_{12}\left(\frac{1-x+y}{2}\right)+y\&CenterDot;z\&CenterDot;T_{23}\left(\frac{1-y+z}{2}\right)+x\&CenterDot;z\&CenterDot;T_{13}\left(\frac{1-z+x}{2}\right)}{x\&CenterDot;y+y\&CenterDot;z+z\&CenterDot;x}---\left(11\right)$

T_ij(u)＝u·E_g,j+(1-u)·E_g,i+bowing_ij·u·(1-u)

（12）

其中，上述公式内下标1、2、3分别代表化合物AlN(E_g=6.20eV)、InN(E_g=0.7eV)和GaN(E_g=3.4eV)，而且z=1-x-y；InGaN、AlGaN和AlInN的bowing（翘曲）系数分别设为2.8eV、0.7eV和2.4eV。

根据上述公式1~12，选取合适的In，Al组分值，在保证E_g(AlInGaN)>E_g(InGaN)的情况下，可取得减小阱垒之间极化效应的效果。

本发明提供的AlInGaN-GaN-AlInGaN和AlInGaN-GaN复合势垒中，通过改变与势阱层InGaN层接触的AlInGaN层的Al组分和In组分的配比，可抑制量子阱中的极化效应，减少内建电场，其中Al和In的组分可根据InGaN势阱中的In组分，通过上述公式1~12计算得到。另一方面，将与GaN层接触的AlInGaN界面处的Al组分和In组分的比值调节为0.83:0.17，此时AlInGaN与GaN晶格匹配，可以降低LED外延层中的位错密度，提高LED的出光效率。此外，采用复合势垒也有利于多量子阱中的载流子分布更加均匀，可显著提高载流子的复合效率，进一步提高LED的性能。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

一、传统的氮化镓基LED采用的InGaN/GaN量子阱中存在着极化效应和晶格失配的情况。本发明提供一种具有复合势垒的氮化镓基LED，其复合势垒中，在AlInGaN层与氮化铟镓势阱层接触的界面处，通过调节Al和In的组分来抑制极化效应，可以减小极化效应导致的内建电场。

二、复合势垒中，在AlInGaN层与GaN层接触的界面处，调节Al组分和In组分的比值为0.83:0.17，可以消除AlInGaN层与GaN层的晶格失配，可有效降低晶体中的位错密度。

三，使用复合势垒也有利于量子阱中的载流子分布得更加均匀，可显著提高载流子的复合效率，进一步提高LED的性能。

本发明是在LED的多量子阱有源区使用复合势垒。在AlInGaN层中，与氮化铟镓势阱层接触的界面处，通过调节Al和In的组分来减小因极化效应产生的内建电场，其中Al和In的组分可根据InGaN势阱中的In组分计算得到；而在AlInGaN层与GaN层接触的界面上，调节Al组分与In组分的比值为0.83:0.17，使得AlInGaN和GaN晶格匹配，可降低晶体中的位错密度。此外，使用复合势垒也有利于多量子阱中的载流子分布更加均匀，可显著提高载流子的复合效率，进一步提高LED的性能。

附图说明

图1为具有复合势垒的LED结构示意图；

图2为传统的、具有InGaN/GaN多量子阱的LED结构示意图；

图3为具有第一类复合势垒层的单个量子阱示意图；

图4为n型氮化镓层3的结构示意图。

图中有：蓝宝石衬底1，缓冲层2，n型氮化镓外延层3，上台面31，下台面32，n型电极4，多量子阱有源区5，氮化铟镓势阱层51，第一氮化铝镓铟层52，氮化镓层53，第二氮化铝镓铟层54，p型铝镓氮外延层6，p型氮化镓外延层7，p型电极8。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进详细说明。

实施例1：

假设以下的氮化镓基LED的In_uGa_1-uN势阱层51中的In组分u=0.2。

图1所示即为本发明的具有复合势垒的氮化镓基LED结构示意图。该种LED的结构要素包括：蓝宝石衬底1，缓冲层2，n型氮化镓外延层3，n型电极4，多量子阱有源区5，氮化铟镓势阱层51，第一氮化铝镓铟层52，氮化镓层53，第二氮化铝镓铟层54，p型铝镓氮外延层6，p型氮化镓外延层7，p型电极8。

图3所示为具有AlInGaN-GaN-AlInGaN的第一类复合势垒层的单个量子阱示意图，包括In_0.2Ga_0.8N氮化铟镓势阱层51，第一氮化铝镓铟层52，在第一氮化铝镓铟层52与In_0.2Ga_0.8N氮化铟镓层51接触的界面处，根据In_0.2Ga_0.8N氮化铟镓层51中的In组分（0.2）和公式1~12计算可得到：当界面处的Al_xIn_yGa_1-x-yN第一氮化铝镓铟层52中Al组分和In组分分别为x=0.23和y=0.25时，量子阱中的极化效应所导致的内建电场最小。另一方面，在第一氮化铝镓铟层52与氮化镓层53接触的界面处，调节Al组分与In组分的比值为0.83:0.17，此时第一氮化铝镓铟层52与氮化镓层53之间晶格匹配，并且可计算出：Al_xIn_yGa_1-x-yN第一氮化铝镓铟层52层中的Al组分x=0.19，In组分y=0.04。因此意味着在第一类复合势垒层的实际生长过程中，第一氮化铝镓铟层52中的Al组分从0.23递减到0.19，而In组分从0.25递减到0.04。在生长一层氮化镓层53之后继续生长第二氮化铝镓铟层54。在第二氮化铝镓铟层54与氮化镓层53接触的界面处，同样调节Al组分与In组分的比值为0.83:0.17，此时Al_xIn_yGa_1-x-yN第二氮化铝镓铟层54与氮化镓层53之间晶格匹配，并且同样可计算出：Al_xIn_yGa_1-x-yN第二氮化铝镓铟层54中的Al组分x＝0.19，In组分y=0.04。在Al_xIn_yGa_1-x-yN第二氮化铝镓铟层54与下一个In_0.2Ga_0.8N氮化铟镓势阱层51接触的界面处，根据公式1~12也可以计算得到：Al_xIn_yGa_1-x-yN第二氮化铝镓铟层54中的Al组分x=0.23，In组分y=0.25。也就是说，在实际生长过程中，第二氮化铝镓铟层54中的Al组分从0.19递增到0.23，In组分从0.04递增到0.25。如此循环往复5~20个周期，最后一个周期的为仅由第一氮化铝镓铟层52和氮化镓层53构成的第二类复合势垒，即可获得本发明提供的具有复合势垒的氮化镓基LED结构。

本发明的第二类复合势垒中，氮化铝镓铟的下表面，铝和铟的组分可根据氮化铟镓势阱层中的In组分，按照化合物半导体能带理论和极化电场理论计算得到；氮化铝镓铟的上表面，调节铝组分和铟组分的比值为0.83:0.17，使之与氮化镓晶格匹配。复合势垒中的两层AlInGaN层中的Al和In组分是变化的，所述氮化铟镓势阱层中，In组分的摩尔百分比范围为0~40%。

以上仅为本发明的较佳实施方式。本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域的普通技术人员根据本发明所揭示的内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中所记载的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有复合势垒的氮化镓基发光二极管，包括从下至上依次设置的蓝宝石衬底（1）、缓冲层（2）、n型氮化镓外延层（3）、多量子阱有源区（5）、p型铝镓氮外延层（6）和p型氮化镓外延层（7），在所述p型氮化镓外延层（7）上表面设置有p型金属电极（8），所述n型氮化镓层（3）的上表面刻蚀出阶梯状台面，所述阶梯状台面包括一个上台面（31）和位于上台面（31）一侧的下台面（32），所述上台面（31）与多量子阱有源区（5）的底面连接，所述下台面（32）上设置有一个n型电极（4），其特征在于，所述多量子阱有源区（5）包括5~20个从下至上间隔排列的氮化铟镓势阱层（51），两相邻氮化铟镓势阱层（51）之间设置有由从下至上依次连接的第一氮化铝镓铟层（52）、氮化镓层（53）和第二氮化铝镓铟层（54）构成的第一类复合势垒层，顶层的氮化铟镓势阱层（51）的上表面设置有由从下至上连接的第一氮化铝镓铟层（52）和氮化镓层（53）构成的第二类复合势垒层。

2.根据权利要求1所述的具有复合势垒的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述第一类复合势垒和第二类复合势垒中，第一氮化铝镓铟层（52）的下表面和第二氮化铝镓铟层（54）的上表面，铝和铟的组分均根据氮化铟镓势阱层（51）中的In组分，按照化合物半导体能带理论和极化电场理论计算得到；在第一氮化铝镓铟层（52）的上表面和第二氮化铝镓铟层（54）的下表面，调节铝组分和铟组分的比值为0.83:0.17，使之与氮化镓晶格匹配，所述氮化铟镓势阱层（51）中，In组分的摩尔百分比范围为0~40%。

3.根据权利要求1所述的具有复合势垒的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述的第一类复合势垒层和第二类复合势垒中，第一氮化铝镓铟层（52）和第二氮化铝镓铟层（54）的厚度均为4-8nm，氮化镓层（53）的厚度为4-8nm。

4.根据权利要求1所述的具有复合势垒的氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述第一氮化铝镓铟层（52）和第二氮化铝镓铟层（54）的禁带宽度大于氮化铟镓势阱层的禁带宽度，即E_g(AlInGaN)>E_g(InGaN)。

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