專利名稱：增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠應(yīng)用于半導(dǎo)體發(fā)光二極管，特別是氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管的，能夠有效增加內(nèi)量子效率的新穎的量子阱結(jié)構(gòu)，可用于氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管的有源區(qū)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有發(fā)光效率高，壽命長(zhǎng)，尺寸小，顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛的重視，目前在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括交通信號(hào)燈，手機(jī)顯示屏背光，按鍵背光，戶內(nèi)戶外全彩顯示屏，景觀照明，特殊照明，等等。隨著器件性能的進(jìn)一步提高，半導(dǎo)體發(fā)光二極管將會(huì)逐漸滲透到液晶電視背光，液晶電腦顯示屏背光，及普通照明等更大規(guī)模的市場(chǎng)。
半導(dǎo)體發(fā)光二極管是利用注入的電子空穴在夾于n-型摻雜區(qū)和p-型摻雜區(qū)的有源區(qū)進(jìn)行輻射復(fù)合發(fā)光的。電流注入效率越高，電子空穴輻射復(fù)合幾率越大，半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光效率就越高。為了增加電流注入效率和電子空穴輻射復(fù)合幾率，已有各種結(jié)構(gòu)被提出并加以應(yīng)用，例如采用量子阱結(jié)構(gòu)，加入電子或空穴阻擋層，以及采用電子俘獲發(fā)射層等等。這些結(jié)構(gòu)各有其優(yōu)點(diǎn)，也各有其局限性。例如量子阱結(jié)構(gòu)，利用不同帶隙的材料將電子或空穴限制在一定空間內(nèi)，可以大大增加其輻射復(fù)合幾率；但是在氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管中由于極化效應(yīng)在量子阱中存在很強(qiáng)的電場(chǎng)，電子和空穴被空間分離導(dǎo)致輻射復(fù)合幾率顯著降低。人們通常采用較窄的量子阱結(jié)構(gòu)來增加電子空穴的輻射復(fù)合幾率，然而較窄的量子阱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電子和空穴的俘獲幾率較低，導(dǎo)致發(fā)光二極管電流注入效率降低。再比如電子阻擋層，雖然可以增加電流注入效率，但作為電子阻擋層的材料一般較難獲得且質(zhì)量較低，可能降低電子空穴輻射復(fù)合幾率，例如氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管中的AlGaN電子阻擋層。為了增加電子俘獲幾率而采用的電子俘獲發(fā)射層，是在n型摻雜層和量子阱有源層之間插入能量帶隙比較低的材料，以降低電子的動(dòng)能，然后通過該層與量子阱之間較薄的勢(shì)壘隧穿，增加量子阱對(duì)電子的俘獲幾率。其缺點(diǎn)有二，一是該層僅對(duì)緊鄰的量子阱有顯著效果，對(duì)多個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)由于勢(shì)壘較厚，隧穿幾率降低，靠后的量子阱不會(huì)由于該層的存在而顯著增加電子俘獲幾率；二是該層的存在可能導(dǎo)致量子阱層晶體質(zhì)量降低，產(chǎn)生V型缺陷，增加漏電流，減少輻射復(fù)合幾率。
參考文獻(xiàn)1.S.Nakamura and G.Fasol，The blue laser diode(Springer，Berlin，1997)2.S.Nakamura，T.Mukai，and M.Seno，Jpn.J.Appl.Phys.，Part 2，30，L1998(1991)3.United States Patent.57773504.United States Patent，6534797 B1發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)作為有源層，可以有效地增加電子或空穴的俘獲幾率，從而提高氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管內(nèi)量子效率，增加其發(fā)光效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于將原位電子俘獲發(fā)射層3或原位空穴俘獲發(fā)射層4通過具有高隧穿幾率的隧穿勢(shì)壘層5與量子阱層2連接，層1，3或4，5和2組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10，最上和最下層均為勢(shì)壘層1；原位電子俘獲發(fā)射層3或原位空穴俘獲發(fā)射層4的厚度介于1nm至3nm。
如上所述的增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于層1是勢(shì)壘層，采用氮化鎵，厚度介于5nm至20nm之間層3是原位電子俘獲發(fā)射層，層4是原位空穴俘獲發(fā)射層，均由氮化銦鎵合金組成，銦組分介于3％至10％之間；層5是隧穿勢(shì)壘層，由氮化鎵組成，厚度為1nm；層2是量子阱層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至5nm之間，銦組分介于15％至25％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于450nm至500nm之間；如上所述的增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于原位電子俘獲發(fā)射層3或原位空穴俘獲發(fā)射層4的銦組分介于5％至15％之間。
如上所述的增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于量子阱層2的銦組分介于25％至45％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于500nm至550nm之間。
本發(fā)明所述的“介于”包括本數(shù)。
有益效果本發(fā)明與已有的具有電子俘獲發(fā)射層的藍(lán)綠光發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)相比的區(qū)別與優(yōu)點(diǎn)在于已有的具有電子俘獲發(fā)射層的藍(lán)綠光發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)， 電子俘獲發(fā)射層3僅位于量子阱有源層的最前端，對(duì)靠后端的量子阱層2貢獻(xiàn)不大，而且由于該層或由單層較厚氮化銦鎵層組成或由多層較薄氮化銦鎵層組成，容易引起V型缺陷產(chǎn)生，增加器件漏電流，降低輻射復(fù)合幾率；而本發(fā)明中的量子阱結(jié)構(gòu)采用原位電子3或空穴俘獲發(fā)射層4，能有效增加有源層中每個(gè)量子阱層2的電子或空穴俘獲效率，而且該層是單層較薄的氮化銦鎵，其厚度控制在彈性應(yīng)變范圍內(nèi)，可以避免V型缺陷的產(chǎn)生。


圖1-1，是本發(fā)明實(shí)施例1的用于藍(lán)光發(fā)光二極管的具有增加電子俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)。
圖1-2，是圖1-1的能帶示意圖。
圖2-1，是本發(fā)明實(shí)施例2的用于綠光發(fā)光二極管的具有增加電子俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)。
圖2-2，是圖2-1的能帶示意圖。
圖3-1，是本發(fā)明實(shí)施例3用于藍(lán)光發(fā)光二極管的具有增加空穴俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)。
圖3-2，是圖3-1的能帶示意圖。
圖4-1，是本發(fā)明實(shí)施例4的用于綠光發(fā)光二極管的具有增加空穴俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)。
圖4-2，是圖4-1的能帶示意圖。
其中，1勢(shì)壘層，2量子阱層，3原位電子俘獲發(fā)射層，4原位空穴俘獲發(fā)射層，5隧穿勢(shì)壘層。
具體的實(shí)施方式本發(fā)明的新穎的量子阱結(jié)構(gòu)的實(shí)施例1-4可見圖1-1至圖4-1。
圖1-1是用于藍(lán)光發(fā)光二極管的具有增加電子俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)，能帶示意圖1-2；其中，從上往下看，層1，3，5和2組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10。層1是勢(shì)壘層，采用氮化鎵，厚度介于5nm至20nm之間。層2是量子阱層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至5nm之間，銦組分介于15％至25％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于450nm至500nm之間。層3是原位電子俘獲發(fā)射層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至3nm之間，銦組分介于3％至10％之間。層5是隧穿勢(shì)壘層，由氮化鎵組成，厚度為1nm。當(dāng)電子由勢(shì)壘層1通過層3注入時(shí)，由于層3采用氮化銦鎵，屬較窄帶隙，電子能量降低，部分電子被層3俘獲。由于層5很薄，層3中被俘獲的電子很容易隧穿至量子阱層2，參與輻射復(fù)合。同時(shí)通過層3未被俘獲的電子由于能量較低，被量子阱層2俘獲的幾率大大增加，從而增加了輻射復(fù)合幾率。另外，通過調(diào)整電子俘獲發(fā)射層3的組分及厚度，可使層3中的電子的能級(jí)與量子阱層2中的高激發(fā)能級(jí)共振，從而大大增加層3中電子隧穿至量子阱層2的幾率。
圖2-1是用于綠光發(fā)光二極管的具有增加電子俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)，能帶示意圖2-2，其中，從上往下看，層1，3，5和2組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10。層1是勢(shì)壘層，采用氮化鎵，厚度介于5nm至20nm之間。層2是量子阱層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至3nm之間，銦組分介于25％至45％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于500nm至550nm之間。層3是原位電子俘獲發(fā)射層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至3nm之間，銦組分介于5％至15％之間。層5是隧穿勢(shì)壘層，由氮化鎵組成，厚度為1nm。當(dāng)電子由勢(shì)壘層1通過層3注入時(shí)，由于層3采用氮化銦鎵，屬較窄帶隙，電子能量降低，部分電子被層3俘獲。由于層5很薄，層3中被俘獲的電子很容易隧穿至量子阱層2，參與輻射復(fù)合。同時(shí)通過層3未被俘獲的電子由于能量較低，被量子阱層2俘獲的幾率大大增加，從而增加了輻射復(fù)合幾率。另外，通過調(diào)整電子俘獲發(fā)射層3的組分及厚度，可使層3中的電子的能級(jí)與量子阱層2中的高激發(fā)能級(jí)共振，從而大大增加層3中電子隧穿至量子阱層2的幾率。
圖3-1是用于藍(lán)光發(fā)光二極管的具有增加空穴俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)，能帶示意圖3-2，其中，從下往上看，層1，4，5和2組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10。層1是勢(shì)壘層，采用氮化鎵，厚度介于5nm至20nm之間。層2是量子阱層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至5nm之間，銦組分介于15％至25％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于450nm至500nm之間。層4是原位空穴俘獲發(fā)射層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至3nm之間，銦組分介于3％至10％之間。層5是隧穿勢(shì)壘層，由氮化鎵組成，厚度為1nm。圖3-1中從下往上看，當(dāng)空穴由勢(shì)壘層1通過層4注入時(shí)，由于層4采用氮化銦鎵，屬較窄帶隙，空穴能量降低，部分空穴被層4俘獲。由于層5很薄，層4中被俘獲的空穴很容易隧穿至量子阱層2，參與輻射復(fù)合。同時(shí)通過層4未被俘獲的空穴由于能量較低，被量子阱層2俘獲的幾率大大增加，從而增加了輻射復(fù)合幾率。另外，通過調(diào)整空穴俘獲發(fā)射層4的組分及厚度，可使層4中的空穴的能級(jí)與量子阱層2中的高激發(fā)能級(jí)共振，從而大大增加層4中空穴隧穿至量子阱層2的幾率。
圖4-1是用于綠光發(fā)光二極管的具有增加空穴俘獲能力的量子阱結(jié)構(gòu)，能帶示意圖4-2，其中，從下往上看，層1，4，5和2組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10。層1是勢(shì)壘層，采用氮化鎵，厚度介于5nm至20nm之間。層2是量子阱層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至5nm之間，銦組分介于25％至45％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于500nm至550nm之間。層4是原位空穴俘獲發(fā)射層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至3nm之間，銦組分介于5％至15％之間。層5是隧穿勢(shì)壘層，由氮化鎵組成，厚度為1nm。當(dāng)空穴由勢(shì)壘層1通過層4注入時(shí)，由于層4采用氮化銦鎵，屬較窄帶隙，空穴能量降低，部分空穴被層4俘獲。由于層5很薄，層4中被俘獲的空穴很容易隧穿至量子阱層2，參與輻射復(fù)合。同時(shí)通過層4未被俘獲的空穴由于能量較低，被量子阱層2俘獲的幾率大大增加，從而增加了輻射復(fù)合幾率。另外，通過調(diào)整空穴俘獲發(fā)射層4的組分及厚度，可使層4中的空穴的能級(jí)與量子阱層2中的高激發(fā)能級(jí)共振，從而大大增加層4中空穴隧穿至量子阱層2的幾率。
權(quán)利要求
1.一種增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于將原位電子俘獲發(fā)射層(3)或原位空穴俘獲發(fā)射層(4)通過具有高隧穿幾率的隧穿勢(shì)壘層(5)與量子阱層(2)連接，層(1)，(3)或(4)，(5)和(2)組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10，最上和最下層均為勢(shì)壘層(1)；原位電子俘獲發(fā)射層(3)或原位空穴俘獲發(fā)射層(4)的厚度介于1nm至3nm。
2.如權(quán)利要求1所述的增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于層(1)是勢(shì)壘層，采用氮化鎵，厚度介于5nm至20nm之間；層(3)是原位電子俘獲發(fā)射層，層(4)是原位空穴俘獲發(fā)射層，均由氮化銦鎵合金組成，銦組分介于3％至10％之間；層(5)是隧穿勢(shì)壘層，由氮化鎵組成，厚度為1nm；層(2)是量子阱層，由氮化銦鎵合金組成，厚度介于1nm至5nm之間，銦組分介于15％至25％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于450nm至500nm之間；
3.如權(quán)利要求2所述的增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于原位電子俘獲發(fā)射層(3)或原位空穴俘獲發(fā)射層(4)的銦組分介于5％至15％之間。
4.如權(quán)利要求2所述的增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于量子阱層(2)的銦組分介于25％至45％之間，對(duì)應(yīng)發(fā)光波長(zhǎng)介于500nm至550nm之間。
全文摘要
一種增加內(nèi)量子效率的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于將原位電子俘獲發(fā)射層3或原位空穴俘獲發(fā)射層4通過具有高隧穿幾率的隧穿勢(shì)壘層5與量子阱層2連接，層1，3或4，5和2組成一個(gè)周期，進(jìn)行重復(fù)，周期數(shù)可選擇從1至10，最上和最下層均為勢(shì)壘層1；原位電子俘獲發(fā)射層3或原位空穴俘獲發(fā)射層4的厚度介于1nm至3nm。這種結(jié)構(gòu)作為有源層，可以有效地增加電子或空穴的俘獲幾率，從而提高氮化鎵基藍(lán)綠光發(fā)光二極管內(nèi)量子效率，增加其發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01S5/343GK1937267SQ200610124789
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月18日
發(fā)明者劉偉 申請(qǐng)人:武漢華燦光電有限公司