一種高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)器件整體性能的提升。該多量子阱結(jié)構(gòu)的四個多量子阱層中，第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最小，第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大，第三和第四多量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層與第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度之間；第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶寬度。本發(fā)明的多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計對于各方面的優(yōu)化結(jié)果對于電子空穴的注入效率，遷移速度，濃度分布和復(fù)合位置等均有明顯改善，進(jìn)而對器件的整體性能有了較大的提升效果。
【專利說明】一種高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電器件設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]目前發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的量子阱結(jié)構(gòu)部分主要為多量子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是，各種多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計中均沒有很好地解決電子和空穴的平衡問題。在目前的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)內(nèi)，N層內(nèi)電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于P層內(nèi)空穴的濃度而且電子的遷移速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空穴，如此，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計會導(dǎo)致空穴和電子在量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)的濃度分布不均勻，導(dǎo)致空穴主要集中在靠近P層附近的量子阱內(nèi)，而靠近N層內(nèi)的量子阱內(nèi)的空穴濃度較低，而電子的濃度分布則更多集中于靠近N型層附近的量子阱內(nèi)，如此在電子空穴的復(fù)合效率上和濃度的空間分布上均不合理。傳統(tǒng)的設(shè)計會導(dǎo)致發(fā)光層主要集中在最后的一到兩個量子阱內(nèi)，發(fā)光效率較低，而且存在電子和空穴濃度的不對稱分布導(dǎo)致復(fù)合效率的進(jìn)一步降低。
[0003]為了提高量子阱內(nèi)電子和空穴復(fù)合效率以及提高電子空穴的空間濃度分布，大家對于多量子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了大量的研究。如中國專利申請200910051657.X(用于光電器件的多量子阱結(jié)構(gòu)及其制造方法)中提出，靠近N型半導(dǎo)體層的勢阱層的厚度大于靠近P型半導(dǎo)體層的勢阱層的厚度可提升光電器件的內(nèi)量子效率，同時提高反向電壓和抗靜電性能，降低發(fā)光譜峰的半寬提高發(fā)光純度；中國專利申請201110008922.3(多量子阱結(jié)構(gòu)及其制造方法)中提出，發(fā)光二極管多個有源層的能量帶隙從中間向兩側(cè)逐漸減小，其中，多個有源層的能量帶隙均在1.59eV至3.17eV之間；可有效地防止載流子逃逸，提高電子和空穴的復(fù)合機(jī)率，提高發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率。
[0004]但是目前的LED結(jié)構(gòu)均只考慮單一因素對結(jié)構(gòu)的影響，而沒有整體考慮應(yīng)力釋放和電子空穴注入速率平衡，電子空穴的注入濃度平衡等因素進(jìn)行設(shè)計，因而整體效率的提升潛力有限。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為改善傳統(tǒng)多量子設(shè)計的不足之處，提供一種高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)器件整體性能的提升。
[0006]本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:
[0007]一種高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，依次包括第一多量子阱層，第二多量子阱層，第三多量子阱層和第四多量子阱層，其中的第一多量子阱層靠近N型層一側(cè)，第四多量子阱靠近P型層一側(cè)；其特殊之處在于:在這四個多量子阱層中，第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最小，第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大，第三和第四多量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層與第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度之間；第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶寬度。
[0008]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定和改進(jìn):[0009]在P型層和第四多量子阱層之間設(shè)置有插入層，其材料的禁帶寬度大于第四多量子阱層的阱層材料。
[0010]各個多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為1- 20層。
[0011]各個多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子阱的厚度為0.5 - 3nm，量子壘的厚度為5 - 45nm。
[0012]根據(jù)電壓調(diào)制的需要，在一個或多個多量子阱層中的壘層內(nèi)添加N型或者P型摻雜劑，或者在一個或多個多量子阱層中的阱層內(nèi)添加N型或者P型摻雜劑。
[0013]本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0014]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念主要是從電子和空穴在量子阱內(nèi)的濃度分布來提高電子和空穴的有效復(fù)合效率。通過第一多量子阱的深阱結(jié)構(gòu)設(shè)計盡可能地降低電子的遷移速度；通過第一多量子阱和第二多量子阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計來降低第三、第四多量子阱層內(nèi)的應(yīng)力；通過適當(dāng)降低第四多量子阱層內(nèi)量子壘的禁帶寬度來提高P層空穴的遷移效率，讓盡可能多的空穴能夠有效的向N層一側(cè)的量子阱內(nèi)注入。另外，還設(shè)計P層插入層，可以有效地進(jìn)一步減少電子進(jìn)入P層從而最大可能地提聞電子空穴的復(fù)合效率。
[0015]綜合以上的整體性調(diào)配的多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計對于各方面的優(yōu)化結(jié)果對于電子空穴的注入效率，遷移速度，濃度分布和復(fù)合位置等均有明顯改善，進(jìn)而對器件的整體性能有了較大的提升效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的多量子阱結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:
[0017]NGaN=N型GaN材料，提供量子阱結(jié)構(gòu)生長的基礎(chǔ)和作為電子注入層與N電極接觸；
[0018]MQffl:第一多量子阱層，其靠近N型層一側(cè)進(jìn)行生長，包括多組的交替的量子壘和量子阱層，在這四個多量子阱層中第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最??；
[0019]MQW2:第二多量子阱層，其在第一多量子阱層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行生長，包括多組的交替的量子壘和量子阱層，在這四個多量子阱層中第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大；
[0020]MQW3:第三多量子阱層，其在第二多量子阱層結(jié)構(gòu)上進(jìn)行生長，包括多組的交替的量子壘和量子阱層，在這四個多量子阱層中第三量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層與第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度之間；
[0021]MQW4:第四多量子阱層，其靠近P型層一側(cè)進(jìn)行生長，包括多組的交替的量子壘和量子阱層，第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶寬度；
[0022]Insert:插入層，位置在多量子阱和PGaN之間，其材料的禁帶寬度大于第四多量子阱層的阱層材料；
[0023]PGaN:P型GaN材料，作為空穴注入層并跟P電極形成良好的歐姆接觸。
【具體實(shí)施方式】
[0024]首先制作一般的LED結(jié)構(gòu)作為對比結(jié)構(gòu)，采用與實(shí)施例中相同的N型和P型材料結(jié)構(gòu)，其量子阱結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)的2.5nm量子阱和12.5nm量子壘的結(jié)構(gòu)，周期為20層；制作成芯片測試亮度為50mcd。[0025]實(shí)施例1:
[0026]該多量子阱結(jié)構(gòu)依次包括第一多量子阱層，第二多量子阱層，第三多量子阱層和第四多量子阱層。其中第一多量子阱層靠近N型層一側(cè)，第四多量子阱靠近P型層一側(cè)；第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最小，第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大，第三和第四多量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層和第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度；第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶寬度；第一多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為3層，量子阱厚度為3nm，量子壘厚度為8nm ;第二多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為4層，量子阱厚度為lnm，量子壘厚度為45nm ;第三多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為3層，量子阱厚度為2.5nm,量子壘厚度為13nm ;第四多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為10層，量子阱厚度為2nm，量子壘厚度為13nm ;其中第一、三多量子阱層在壘層添加N型摻雜劑，摻雜濃度為5E17，第四多量子阱層在阱層添加N型摻雜齊U，摻雜濃度2E18 ;在P型層和第四多量子阱層之間存在插入層，其材料的禁帶寬度大于第四多量子阱層的阱層材料。
[0027]制作成為芯片之后亮度為85mcd，亮度比傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)提高70% ；
[0028]實(shí)施例2:
[0029]該多量子阱結(jié)構(gòu)依次包括第一多量子阱層，第二多量子阱層，第三多量子阱層和第四多量子阱層。其中第一多量子阱層靠近N型層一側(cè)，第四多量子阱靠近P型層一側(cè)；第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最小，第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大，第三和第四多量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層和第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度；第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶寬度；第一多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為2層，量子阱厚度為3nm，量子壘厚度為15nm ;第二多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為3層，量子阱厚度為2nm，量子壘厚度為30nm ;第三多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為4層，量子阱厚度為2.5nm,量子壘厚度為13nm ;第四多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為10層，量子阱厚度為3nm，量子壘厚度為8nm ;其中第一、三多量子阱層在壘層添加N型摻雜劑，第四多量子阱層在阱層添加N型摻雜劑；在P型層和第四多量子阱層之間存在插入層，其材料的禁帶寬度大于第四多量子阱層的阱層材料。
[0030]制作成為芯片之后亮度為93mcd，亮度比傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)提高86% ；
[0031]實(shí)施例3:
[0032]該多量子阱結(jié)構(gòu)依次包括第一多量子阱層，第二多量子阱層，第三多量子阱層和第四多量子阱層。其中第一多量子阱層靠近N型層一側(cè)，第四多量子阱靠近P型層一側(cè)；第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最小，第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大，第三和第四多量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層和第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度；第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶寬度；第一多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為2層，量子阱厚度為3nm，量子壘厚度為15nm;第二多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為3層，量子阱厚度為2nm，量子壘厚度為30nm ;第三多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為4層，量子阱厚度為2.5nm,量子壘厚度為13nm ;第四多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為10層，量子阱厚度為3nm，量子壘厚度為8nm ;其中第一、三多量子阱層在壘層添加N型摻雜劑，摻雜濃度為5E17，第四多量子阱層在阱層添加N型摻雜齊U，摻雜濃度為2E18。[0033]制作成為芯片之后亮度為75mcd，亮度比傳統(tǒng)LED結(jié)構(gòu)提高50% ；
[0034]本發(fā)明中，根據(jù)電壓調(diào)制的需要，量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的壘層可以進(jìn)行摻雜以降低電壓，靠近N型的一層摻雜N型摻雜劑，靠近P型的一側(cè)摻雜P型摻雜劑，但要確認(rèn)不會擴(kuò)散到量子阱內(nèi)部破壞量子阱；在量子阱內(nèi)也可以考慮摻雜以改變材料性質(zhì)，減少非輻射復(fù)合中心的缺陷形成。
[0035]多量子阱結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)根據(jù)應(yīng)力和電子空穴的平衡注入進(jìn)行調(diào)制選擇，量子阱的厚度主要根據(jù)實(shí)際材料的應(yīng)力狀況和測試波長藍(lán)移情況進(jìn)行優(yōu)化，量子壘的厚度靠近N型一側(cè)相對較厚以降低電子的遷移速率，而靠近P型一側(cè)可以考慮較薄以增加空穴的擴(kuò)散距離。
【權(quán)利要求】
1.一種高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，依次包括第一多量子阱層，第二多量子阱層，第三多量子阱層和第四多量子阱層，其中的第一多量子阱層靠近N型層一側(cè)，第四多量子阱靠近P型層一側(cè)；其特征在于:在這四個多量子阱層中，第一多量子阱層的量子阱禁帶寬度最小，第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度最大，第三和第四多量子阱層的量子阱禁帶寬度介于第一多量子阱層與第二多量子阱層的量子阱禁帶寬度之間；第四多量子阱層的量子壘禁帶寬度比其他多量子阱層的量子壘禁帶寬度小但大于第四量子阱層的量子阱禁帶覽度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于:在P型層和第四多量子阱層之間設(shè)置有插入層，其材料的禁帶寬度大于第四多量子阱層的阱層材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于:各個多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的層數(shù)為1-20層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于:各個多量子阱層結(jié)構(gòu)內(nèi)的量子阱的厚度為0.5 - 3nm，量子壘的厚度為5 - 45nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高亮度發(fā)光二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于:根據(jù)電壓調(diào)制的需要，在一個或多個多量子阱層中的壘層內(nèi)添加N型或者P型摻雜劑，或者在一個或多個多量子阱層中的阱層內(nèi)添加N型或者P型摻雜劑。
【文檔編號】H01L33/06GK103594573SQ201310562955
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】李淼, 游橋明, 沈志強(qiáng) 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司