專利名稱：GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)及采用該結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，尤其涉及由足夠?qū)拵兜陌雽w材料形成的以在可見光光譜的綠光至紫光部分發(fā)光的發(fā)光二極管及其中的多量子阱結(jié)構(gòu)。
背景技術：
半導體發(fā)光二極管光源壽命長、功耗低、可靠性好，在生產(chǎn)和生活的許多領域得到了普遍的認可，用途廣泛。近十年來，以GaN基藍光二極管為代表的短波長發(fā)光二極管在基礎研究和商業(yè)發(fā)展上取得了很大的進步，使人類獲得高重復性、長壽命的全色包括白光光源，已知的GaN基二極管結(jié)構(gòu)可參照美國專利4918497、4966862、5027168和5338944。
現(xiàn)在國際上普遍應用的GaN基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示，在n型摻雜的GaN層113上生長n型摻雜的AlGaN層120，隨后生長InGaN/GaN多量子阱122，由GaN勢壘123和InGaN勢阱124多層交疊而成，然后再生長p型摻雜的AlGaN層121和p型摻雜的GaN層115。此外還包括n型摻雜的GaN緩沖層112、GaN緩沖層111、透明電極116、n型歐姆接觸118、p型歐姆接觸117及襯底110上，其中由n型摻雜的AlGaN層120和p型摻雜的AlGaN層121構(gòu)成AlGaN層119。
上述結(jié)構(gòu)在生長InGaN/GaN多量子阱122時，GaN勢壘123上摻Si，這樣可以提高GaN的晶體質(zhì)量，同時促使量子阱中的In凝聚成In團，使二極管發(fā)光增強。但這種結(jié)構(gòu)也存在明顯的缺點由于勢壘摻Si在量子阱中引入了n型雜質(zhì)，使得p-n結(jié)偏離InGaN/GaN多量子阱區(qū)，在發(fā)光二極管工作于正向偏壓時，量子阱區(qū)的少數(shù)載流子為空穴，空穴在擴散過程中與電子復合發(fā)光，但由于空穴的遷移率很低，擴散長度很小，發(fā)生輻射復合的電子與空穴數(shù)目也相應減少；相反，p型摻雜的GaN層中的少數(shù)載流子為電子，其擴散長度很長，這就使復合區(qū)域大部分位于p型摻雜的GaN層中，隨著載流子注入的增加，俄歇過程成為主要的復合形式，從而極大降低了輻射復合的效率，限制了以InGaN/GaN多量子阱為有源區(qū)的LED發(fā)光強度的進一步提高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，多量子阱區(qū)可以與p-n結(jié)重合，使電子與空穴主要在量子阱中通過輻射復合發(fā)光。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，包括N個量子阱，其特征在于該量子阱包括p型摻雜的勢壘層及不摻雜的勢阱層，該勢阱層的帶隙小于勢壘層。
上述方案中，其特點是該多量子阱結(jié)構(gòu)還包括在該N個量子阱之上的p型摻雜的AlGaN層；以及在該N個量子阱之下的n型摻雜的AlGaN層。
上述方案中，其特點是該多量子阱結(jié)構(gòu)還包括在該p型摻雜的AlGaN層與該N個量子阱之間的GaN隔離層；以及在該n型摻雜的AlGaN層與該N個量子阱之間的GaN隔離層。
本發(fā)明要解決的另一技術問題是提供一種包含GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，使電子與空穴主要在量子阱中通過輻射復合發(fā)光，以進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種采用了本發(fā)明公開的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，除了多量子阱結(jié)構(gòu)外，該發(fā)光二極管還包括在所述多量子阱結(jié)構(gòu)之上的p型摻雜的GaN層、透明電極及p型歐姆接觸；在所述多量子阱結(jié)構(gòu)之下的n型摻雜的GaN層、n型摻雜的GaN緩沖層及GaN緩沖層；在n型摻雜的GaN層上的n型歐姆接觸及襯底。
本發(fā)明GaN基多量子阱發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)與常規(guī)的GaN基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)相比，有明顯的優(yōu)點量子阱區(qū)p型摻雜，可以有效地調(diào)整p-n結(jié)的位置，使之位于多量子阱區(qū)域，對量子阱區(qū)兩側(cè)生長的不摻雜的GaN隔離層的厚度進行調(diào)整，也可以有效地調(diào)整p-n結(jié)的位置；當發(fā)光二極管正常工作時，多量子阱區(qū)的少數(shù)載流子為電子，電子的遷移率較高，擴散長度大，可以在整個量子阱區(qū)與空穴發(fā)生輻射復合，大大增加效率，有效增強了發(fā)光二極管的發(fā)光強度。
此外，由于本發(fā)明GaN基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)在制造時對生長設備和工藝條件無特殊要求，該結(jié)構(gòu)不會使隨后的生長及工藝步驟復雜化。
圖1是已知發(fā)光二極管的剖面圖；圖2是本發(fā)明實施例發(fā)光二極管的剖面圖；圖3是本發(fā)明實施例發(fā)光二極管的光熒光圖；圖4是本發(fā)明實施例發(fā)光二極管的電流電壓特性圖；圖5是本發(fā)明實施例發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流的關系。
具體實施例方式
本發(fā)明具體實施例的GaN基多量子阱藍光發(fā)光二極管25，如圖2所示。其中多量子阱結(jié)構(gòu)包括AlGaN層19，包含p型摻雜的AlGaN層21，及n型摻雜的AlGaN層20；在該p型摻雜的AlGaN層21與該n型摻雜的AlGaN20層之間的N個量子阱22，該N個量子阱中的量子阱結(jié)構(gòu)包括勢壘層23及勢阱層24，勢阱層24的帶隙小于勢壘層23；在該p型摻雜的AlGaN層21與該N個量子阱22之間還生成有GaN隔離層14-2；在該n型摻雜的AlGaN層20與該N個量子阱22之間也生成有GaN隔離層14-1。
上述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，該N個量子阱22中的N可為1到100的任一整數(shù)。
勢壘層23為由Ga、In、Al、N組成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜1；0＜y＜＝1；0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，較佳為P型摻雜的GaN。在選擇Al和In的摩爾含量時，要滿足本層的帶隙寬度大于勢阱層的帶隙寬度。其厚度可為大于1nm且小于500nm之間的任意值，優(yōu)選值為250nm。
勢阱層24為由Ga、In、Al、N組成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜＝1；0＜y＜1；0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，較佳為不摻雜的InGaN。在選擇Al和In的摩爾含量時，要滿足本層的帶隙寬度小于勢壘層的帶隙寬度。其厚度為大于1nm且小于100nm之間的任意值，優(yōu)選值為50nm。
p型摻雜的AlGaN層21及n型摻雜的AlGaN層20可為AlxGa1-xN，其中0＜x＜＝1，其厚度為大于0nm且小于500nm之間的任意值；p型摻雜的AlGaN層21及n型摻雜的AlGaN層20也可為由AlxGa1-xN和GaN組成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中0＜x＜＝1，其中的AlxGa1-xN勢壘層，厚度為＞0nm和＜100nm之間的任意值，其中的GaN勢阱層，厚度為大于0nm且小于100nm之間的任意值，其周期數(shù)均為大于等于1且小于等于50的整數(shù)。
上述p型摻雜的摻雜劑為II族元素，包括Mg、Zn，摻雜濃度為1×1016cm-3至5×1019cm-3；n型摻雜的摻雜劑為IV族元素，包括Si，摻雜濃度為1×1016cm-3至1×1020cm-3。
GaN隔離層14-1及14-2的厚度為大于0nm且小于500nm之間的任意值，優(yōu)選值為200nm。
在此實現(xiàn)方案的發(fā)光二極管25中，除了上面已介紹的多量子阱結(jié)構(gòu)外，還包括在所述多量子阱結(jié)構(gòu)之上的p型摻雜的GaN層15、透明電極16、p型歐姆接觸17；及在所述多量子阱結(jié)構(gòu)之下的n型摻雜的GaN層13、n型摻雜的GaN緩沖層12、GaN緩沖層11、設在n型摻雜的GaN層13上的n型歐姆接觸18，以上所述結(jié)構(gòu)生長在藍寶石襯底10上。
p型摻雜的GaN層15的厚度為大于等于10nm且小于2000nm之間的任意值，其摻雜劑為II族元素，包括Mg、Zn，其摻雜濃度為1×1016cm-3至5×1019cm-3。
n型摻雜的GaN層13的厚度為大于等于100nm和小于9000nm之間的任意值，其摻雜劑為IV族元素，包括Si，其摻雜濃度為1×1016cm-3至1×1020cm-3之間。
如圖5所示，采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的藍光二極管的發(fā)光強度達到6mW，其前向電壓為3.5V，如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，包括N個量子阱，其特征在于該量子阱包括p型摻雜的勢壘層及不摻雜的勢阱層，該勢阱層的帶隙小于勢壘層。
2.如權(quán)利要求1所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括在該N個量子阱之上的p型摻雜的AlGaN層；以及在該N個量子阱之下的n型摻雜的AlGaN層。
3.如權(quán)利要求2所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括在該p型摻雜的AlGaN層與該N個量子阱之間的GaN隔離層；以及在該n型摻雜的AlGaN層與該N個量子阱之間的GaN隔離層。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于該N個量子阱中的N為大于等于1且小于等于100的整數(shù)。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于該勢壘層為由Ga、In、Al、N組成的二元、三元、四元化合物或混合物，其厚度為大于1nm且小于500nm之間的任意值。
6.如權(quán)利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于該勢阱層為由Ga、In、Al、N組成的二元、三元、四元化合物或混合物，其厚度為大于1nm且小于100nm之間的任意值。
7.如權(quán)利要求2或3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于該p型摻雜的AlGaN層及n型摻雜的AlGaN層為AlxGa1-xN，或由AlxGa1-xN和GaN組成的超晶格結(jié)構(gòu)，其中0＜x＜＝1，其厚度為大于0nm且小于500nm之間的任意值。
8.如權(quán)利要求7所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述AlxGa1-xN和GaN組成的超晶格中，該AlxGa1-xN勢壘層的厚度為大于0nm且小于100nm之間的任意值，該GaN勢阱層的厚度為大于0nm且小于100nm之間的任意值，該超晶格的周期數(shù)為大于等于1且小于等于50的整數(shù)。
9.如權(quán)利要求1、2或3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述p型摻雜的摻雜劑為II族元素，摻雜濃度為1×1016cm-3至5×1019cm-3。
10.如權(quán)利要求2或3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于所述n型摻雜的摻雜劑為IV族元素，摻雜濃度為1×1016cm-3至1×1020cm-3。
11.如權(quán)利要求3所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，其特征在于該兩個GaN隔離層的厚度為大于0nm且小于500nm之間的任意值。
12.一種包含如權(quán)利要求1至11中任一權(quán)利要求所述的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，其特征在于該發(fā)光二極管還包括在所述多量子阱結(jié)構(gòu)之上的p型摻雜的GaN層、透明電極及p型歐姆接觸；在所述多量子阱結(jié)構(gòu)之下的n型摻雜的GaN層、GaN緩沖層、n型歐姆接觸及襯底。
13.如權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管，其特征在于該p型摻雜的GaN層的厚度為大于等于10nm且小于2000nm之間的任意值，其摻雜劑為II族元素，摻雜濃度在1×1016cm-3至5×1019cm-3之間；該n型摻雜的GaN層的厚度為大于等于100nm和小于9000nm之間的任意值，其摻雜劑為IV族元素，摻雜濃度在1×1016cm-3至1×1020cm-3之間。
14.如權(quán)利要求12所述的發(fā)光二極管，其特征在于該GaN緩沖層與該n型摻雜的GaN層之間還形成有n型摻雜的GaN緩沖層，該n型歐姆接觸形成在該n型摻雜的GaN層上。
全文摘要
本發(fā)明公開一種GaN基多量子阱藍光發(fā)光二極管，該二極管的多量子阱結(jié)構(gòu)包括p型摻雜的AlGaN層；n型摻雜的AlGaN層；及在AlGaN層之間的由p型摻雜的GaN層與不摻雜的InGaN層組成的N個量子阱；還包括在p型摻雜的AlGaN層與N個量子阱之間的不摻雜的GaN隔離層及在n型摻雜的AlGaN層與N個量子阱之間的不摻雜的GaN隔離層，通過合理調(diào)整GaN隔離層的厚度，可以有效地調(diào)整p－n結(jié)的位置，使之位于多量子阱區(qū)域，有效增強發(fā)光二極管的發(fā)光強度。
文檔編號H01S5/343GK1487604SQ0214948
公開日2004年4月7日 申請日期2002年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者陳弘, 賈海強, 周均銘, 韓英軍, 于洪波, 黃綺, 陳 弘 申請人:中國科學院物理研究所