Ⅲ族氮化物半导体发光二极管制造技术

本发明专利技术涉及“Ⅲ族氮化物半导体发光二极管”，属于化合物半导体技术领域。Ⅲ族氮化物半导体发光二极管，其活性层为存在内部电场的量子阱结构，所述量子阱结构活性层由位于ｐ型区域一侧的第一势垒层、量子阱层、和位于ｎ型区域一侧的第二势垒层所构成的，其特征在于：所述量子阱层中插入第三势垒层，所述第三个势垒层的厚度满足以下条件：（１）由ｐ型区域注入的空穴能被屏蔽在第三势垒层与位于ｐ型区域一侧的第一势垒层之间；（２）由ｎ型区域注入的电子能自由通过第三势垒层，向能量最低的区域移动。本发明专利技术通过插入第三势垒层，使电子和空穴的波动函数的空间重叠部分增大，发光复合效率增大，是插入第三势垒层之前的２－３倍。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化合物半导体
，是关于以III族氮化物半导体为材料发光二极管。技术背景以III族氮化物半导体为材料的蓝色和绿色发光二极管，由于有望取代现行的白炽灯或 者日光灯成为一种效率高、寿命长的普通照明光源，而受到世界各国研究开发人员的高度重 视。半导体发光二极管是利用从n-型掺杂区注入的电子和从p-型掺杂区注入的空穴在夹于 n-型惨杂区和p-型惨杂区的活性层内进行发光复合而发光的。因此电子和空穴的发光复合几 率越大，半导体发光二极管的发光效率即内部量子效率就越高。发光二极管的能量转换效率 等于内部量子效率与光的外部取出效率的乘积。内部量子效率一般由晶体的品质决定，最近 随着晶体生长技术的进步内部量子效率有了飞跃的提高。例如，对于尺寸为300pm x 300 的蓝色发光二极管来说，在20mA的低电流工作条件下，其内部量子效率可以很容易地达到 50%以上。但是，要实现一般照明器件的普及化，还存在一些与内部量子效率提高有关的必须 解决的问题。具体地讲，在超过20mA的大电流工作条件下以及绿色波长段，内部量子效率急 剧降低。导致内部量子效率在这些领域下降的最主要原因之一是活性层内存在内部电场。蓝色和绿色发光二极管一般是在(0001)面(或c面)的蓝宝石衬底上利用有机金属气 相外延法依次生长n型层、量子阱活性层以及p型层而成。在这种情况下，在生长方向上存 在由压电效应和自极化效应引起的强大的内部电场。例如，在以GaN/In。.15Ga。.85N量子阱为活 性层的蓝色发光二极管中，其内部电场的强度可以达到1 MV/cm。如图1 (GaN/In。.15Ga。.85N(3 nm)/GaN量子阱的能带结构示意图以及理论计算的波动函数)所示，其中1为电子的能带结 构，2为空穴的能带结构，3为电子的波动函数，4-为空穴的波动函数，5为GaN势垒层，6这 3nm厚的Inu5Gaa85N量子阱层，7为GaN势垒层，由于存在这么强的内部电场，量子阱的电 子和空穴的波动函数3、 4在空间上发生分离，从而导致发光复合的效率显著降低。另外，内 部电场的强度随着In组分的增加而增强，在In的组分必须达到0. 25以上的绿色发光二极管 中，内部电场的影响则更加显著。目前基本上有两种方法可以利用，以抑制由于内部电场而引起的内部量子效率的降低。 第一种方法是，减小量子阱层的厚度，强制增大电子和空穴的波动函数的空间重叠部分。但 是，量子阱层的厚度太薄的话，波动函数会渗入势垒层，反而使发光复合效率下降。通过考虑波动函数向势垒层的渗透以及波动函数的空间分离的抑制效果之间的平衡，对于实用化的器件而言量子阱层的厚度一般为3 nm。但是，如图1所示，即使是对于只有3 nm厚度的量 子阱层而言，电子和空穴的波动函数的空间分离仍然很强。第二种方法是，使用c-面蓝宝石 以外的衬底，从而在生长方向生长没有极性的晶体。到目前为止，尝试了 (11-02)面(或r-面) 蓝宝石、(101-0)面(或m-面)蓝宝石、Y-LiA102以及GaN等衬底。相比较在c-面蓝宝石上生 长的晶体，在r-面蓝宝石、m-面蓝宝石以及广LiA102等异种衬底上生长的结晶的品质要逊色 的多，还远远达不到实用化的水平。另外，GaN衬底非常昂贵，是蓝宝石衬底价格的10倍以 上，现在还不可能实现大规模应用。
技术实现思路
针对上述领域中的缺陷，本专利技术提供一种采用量子阱结构为活性层的III族氮化物半导 体发光二极管，该量子阱活性层能极大地抑制因内部电场的存在而导致的电子和空穴的波动 函数的空间分离，从而有效的改善活性层的发光复合效率。III族氮化物半导体发光二极管，其活性层为存在内部电场的量子阱结构，所述量子阱 结构活性层由位于p型区域一侧的第一势垒层、量子阱层、和位于n型区域一侧的第二势垒层所构成的，其特征在于所述量子阱层中插入第三势垒层，所述第三个势垒层的厚度满足 以下条件(1)由P型区域注入的空穴能被屏蔽在第三势垒层与位于P型区域一侧的第一势 垒层之间；(2)由n型区域注入的电子能自由通过第三势垒层，向能量最低的区域移动。所述第三势垒层为AlxGa卜xN ((Kx幼.2)或InxGai-xN (x〈0. 1)，厚度为0. 5 nm - 2 nm。所述第一势垒层为ALGa卜xN ((fe^0. 2)。所述第二势垒层为Al工a卜XN (0^).2)。所述量子阱层为InxGai—xN (0. 1《x^). 5)。所述第一势垒层、量子阱层、第二势垒层分别是Al,GanN ((Kx幼.2)、 InxGai-xN (0. 1幼.5)、 AlxGa卜xN (OSx幼.2);前述插入的第三势垒层为GaN,该层的厚度为1 nra。 所述第三势垒层插入位置为距离第一势垒层0. 5nnT2. 5nm之间的地方。 根据本专利技术的in族氮化物半导体发光二极管，在存在强内部电场的量子阱结构活性层 的阱层内插入一层势垒层即第三势垒层，通过调整该势垒层的厚度，使该势垒层对空穴而言 能发挥势垒层的作用而对电子而言基本不发挥势垒层的作用。对于该结构来说，由n型区域 注入的电子基本上全部通过上述插入的第三势垒层，而聚集在量子阱层的位于p型区域一侧 的界面附近(此处电子能量最低)；而由p型区域注入的空穴由于上述第三势垒层的插入，被 屏蔽在插入的第三势垒层和位于p型区域一侧的势垒层之间的量子阱层内。因此，电子和空 穴的波动函数的空间重叠部分增大，使抑制由于内部电场而引起电子和空穴波动函数的空间分离而造成发光复合效率下降成为可能。如果插入的第三势垒层太薄(空穴不能被屏蔽)或者太厚(电子不能向低能量区域移动) 的话，第三势垒层的插入不能发挥抑制波函数空间分离的效果。使用GaN作为第三势垒层的 情况下，GaN的厚度最好控制在0. 5 nm - 2.0nm范围内。再者，如果在距离位于p型区域 一侧的第一层势垒层2. 5nm以内的地方插入第三势垒层，优选距离为0. 5nm~2. 5nm的地方， 与通常市售器件中一般所采用的3nm量子阱相比，可以期待显著的抑制波动函数空间分离的 效果。作为蓝色发光二极管，其第一势垒层为GaN，第二势垒层为GaN，量子阱层为In。.15Ga。.85N， 第三势垒层为GaN，厚度为lnm，衬底为(0001)面(C面)蓝宝石。作为绿色发光二极管，其第一势垒层为GaN，第二势垒层为GaN，量子阱层为In。.3Ga。.7N， 第三势垒层为GaN，厚度为lnm，衬底为(0001)面(C面)蓝宝石。通过实验证明，本专利技术在量子阱层中插入第三势垒层，使电子和空穴函数的重叠增大， 发光复合效率增大，从本专利技术的实施例看，其发光复合效率是插入第三势垒层之前的2-3倍， 大大提高了 III族氮化物发光二极管的发光效率。 附图说明图l GaN/In。.l5Ga。.85N(3 nm)/GaN量子阱的能带结构示意图以及理论计算的波动函数图2本专利技术实施例l III族氮化物发光二极管的晶体结构的断面示意图。图3本专利技术实施例1 III族氮化物发光二极管的活性层的能带结构示意图以及理论计算的波动函数。图4本专利技术实施例2 III族氮化物发光二极管的晶体结构的断面示意图。其中1-一电子的能带结构，2—-空穴的能带结构，3-—电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
Ⅲ族氮化物半导体发光二极管，其活性层为存在内部电场的量子阱结构，所述量子阱结构活性层由位于ｐ型区域一侧的第一势垒层、量子阱层、和位于ｎ型区域一侧的第二势垒层所构成的，其特征在于：所述量子阱层中插入第三势垒层，所述第三个势垒层的厚度满足以下条件：（１）由ｐ型区域注入的空穴能被屏蔽在第三势垒层与位于ｐ型区域一侧的第一势垒层之间；（２）由ｎ型区域注入的电子能自由通过第三势垒层，向能量最低的区域移动。

【技术特征摘要】
1、III族氮化物半导体发光二极管，其活性层为存在内部电场的量子阱结构，所述量子阱结构活性层由位于p型区域一侧的第一势垒层、量子阱层、和位于n型区域一侧的第二势垒层所构成的，其特征在于所述量子阱层中插入第三势垒层，所述第三个势垒层的厚度满足以下条件(1)由p型区域注入的空穴能被屏蔽在第三势垒层与位于p型区域一侧的第一势垒层之间；(2)由n型区域注入的电子能自由通过第三势垒层，向能量最低的区域移动。2、 根据权利要求1所述的III族氮化物半导体发光二极管，所述第三势垒层为AlxGai.xN ((Kx幼.2)或InxGa!.xN (xO.l)，厚度为0.5 nm — 2 nm。3、 根据权利要求2所述的III族氮化物半导体发光二极管，所述第一势垒层为AlxGai.xN ((Kx幼.2)。4、 根据权利要求2所述的III族氮化物半导体发光二极管，所述第二势垒层为AlxGai.xN (0Sx幼.2)。5、 根据权利要求2所述的III族氮化物半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海嵩，熊志军，张磊，鲍鹏，
申请(专利权)人：北京宇极科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]