一种高效GaN基半导体发光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN基半导体发光二极管。本发明专利技术由衬底、N型掺杂层、多量子阱发光层、P型掺杂层和电极组成，其中多量子阱发光层中靠近P型AlGaN电子阻挡层的最后一个势垒的带隙沿生长方向线性减小，其材料为此多量子阱结构中其它势垒材料与InN或GaN形成的合金，并且InN或GaN在合金中的含量沿生长方向线性增加。本发明专利技术结构简单、易操作，可以有效减少漏电流，增强空穴的注入效率，提高量子阱中电子和空穴的浓度以及均匀分布性，从而大幅提高其在高注入电流下的发光效率，作为高亮度、高功率器件结构在照明领域具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体发光二极管(LED)，特别是一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN基半导体发光二极管。
技术介绍
90年代以来，随着GaN基半导体材料生长工艺的一系列重大突破，以GaN为代表的新一代半导体材料的逐渐兴起。GaN基半导体材料可以制成高效的蓝、绿光和白光发光二极管。作为新型高效固体光源，它们具有长寿命、节能、绿色环保等显著特点，已被广泛应用于大屏幕彩色显示、汽车照明和交通信号、多媒体显示、光通讯等领域，将来还会代替白炽灯、 荧光灯，实现人类照明史上的又一次革命。但是，实验研究表明GaN基半导体发光二极管的发光效率会随着注入电流的增加而快速下降，这种现象被称为Efficiency droop.这种现象已经严重制约了 GaN基半导体发光二极管作为高亮度、高功率器件在照明领域的商业应用，因而受到了全世界GaN基半导体发光二极管研究者和制造者的广泛关注，大量的资金投入到Efficiency droop的机理研究和改善的工作中。关于Efficiency droop产生的机理，人们已经提出了多种不同的解释，其中包括由极化效应引起的漏电流；较低的空穴注入效率；量子阱中的俄歇复合；较高的结温等等。但是，不同的制备方法和测量条件，会得到不同或者相反的Efficiency droop现象和解释，因此，Efficiency droop产生的机理至今没有一个明确的解释，仍然需要进一步的研究。尽管如此，为了提高GaN基半导体发光二级管在高注入电流下的发光效率，拓宽其在照明领域的应用，人们已经提出了很多方法来改善GaN基半导体发光二级管中的 Efficiency droop现象。例如，采用InGaN材料作为多量子阱的势垒材料，不仅可以降低量子阱区域内的极化电荷，提高电子和空穴的复合效率，还可以降低电子漏电流和提高空穴的注入效率，进而提高发光二极管的在高电流下的发光效率；或者对多量子阱所有的势垒进行P型或η型掺杂来增加量子阱区域的空穴注入效率；或者通过控制AWaN电子阻挡层能带结构的方法来增加对电子的限制和提高空穴的注入效率等等。但是，这些方法在解决 Efficiency droop方面还面临着很多困难和问题。比如，在实际生长过程中工艺控制的难易程度；材料生长的质量优劣以及P型或η型杂质在量子阱中的扩散等等。因此，目前，世界各国的研究者们仍然在寻找不同的方法来提高GaN基半导体发光二级管在高电流下的发光效率。本专利就是提出了一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN基半导体发光二极管结构。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述Efficiency droop问题，提供一种能够增强高注入电流下发光效率的GaN基半导体发光二极管。本专利技术包括衬底、N型掺杂层、多量子阱发光层、P型掺杂层和电极，其结构为在衬底上依次为N型掺杂层、多量子阱发光层和P型掺杂层，电极分别制作在N型掺杂层和P型掺杂层上。所述衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。所述N型掺杂层为硅掺杂的GaN基半导体材料，可以是GaN、AlGaN或InGaN等材料，掺杂浓度为1 X IO17 1 X IO20Cm^30所述多量子阱发光层为hGaN/GaN多量子阱结构、或hGaN/InGaN多量子阱结构、或GaN/AWaN多量子阱结构，或AlGaN/AWaN多量子阱结构；多量子阱结构中靠近P型 AlGaN电子阻挡层的最后一个势垒的带隙沿生长方向线性减小，其材料为此多量子阱结构中其它势垒材料与InN或GaN形成的合金，并且InN或GaN在合金中的含量沿生长方向线性增加。所述P型掺杂层为镁掺杂的MGaN电子阻挡层和GaN基半导体材料覆盖层(可以是GaN、AlGaN或InGaN等材料)构成，掺杂浓度为1 X IO17 1 X 1020cnT3。所述的电极材料为Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn, Ti, Sn等或它们形成的合金。在传统GaN基多量子阱发光二极管中，一方面，由于极化电荷的作用造成大量电子漏电流，另一方面，由于P型GaN基半导体材料的掺杂浓度低、空穴迁移率小以及AKiaN 电子阻挡层势垒的限制，注入到量子阱区域参与复合发光的空穴浓度也很低。为了减少漏电流和提高空穴的注入效率，本专利技术采用带隙沿生长方向线性减小的新型势垒层代替原结构中的最后一个势垒层，可以在最后一个势垒层内形成一个较深的三角形势阱。这样，在高注入电流下，大量电子就会被限制在这势阱内，减少电子漏电流，增加量子阱内的电子浓度；同时，对于P型区域的空穴，由于三角形势阱比较深，大量空穴会隧穿过AlGaN电子阻挡层进入量子阱区域，增加量子阱内的空穴浓度，从而提高GaN基多量子阱发光二极管在高注入电流下的发光效率。本专利技术在原有GaN基半导体发光二极管结构的基础上，只对量子阱最后一个势垒进行优化，在实际生产时具有方便简单，容易操作的特点，而且还可以大幅提高GaN基半导体发光二极管在高注入电流下的发光效率，作为高亮度、高功率器件结构在照明领域具有广泛的应用前景。附图说明附图1为本专利技术结构示意图。附图2为传统与新型2^0.8N//GaN多量子阱LED的能带图。附图3为传统与新型^ia2^0.8N/7GaN多量子阱LED的电子浓度分布。附图4为传统与新型^ia2^0.8N/7GaN多量子阱LED的空穴浓度分布。附图5为传统与新型^ia2^0.8N/7GaN多量子阱LED的内量子效率。具体实施例方式以下通过实施例及附图对本专利技术作进一步的详细说明。实施过程一本专利技术由衬底、N型掺杂层、多量子阱发光层、P型掺杂层和电极组成，其结构如图 1所示。所述衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅。所述N型掺杂层为硅掺杂的GaN基半导体材料，可以是GaN、AlGaN或InGaN等材料，掺杂浓度为1 X IO17 1 X IO20Cm^30所述多量子阱发光层为hGaN/GaN多量子阱结构、或hGaN/InGaN多量子阱结构、或GaN/AWaN多量子阱结构，或AlGaN/AWaN多量子阱结构；多量子阱结构中靠近P型 AlGaN电子阻挡层的最后一个势垒的带隙沿生长方向线性减小，其材料为此多量子阱结构中其它势垒材料与InN或GaN形成的合金，并且InN或GaN在合金中的含量沿生长方向线性增加。例如，对于hGaN/GaN多量子阱结构，其最后一个势垒的材料为hGaN而不是GaN， 并且1_在hGaN合金中的含量从0开始沿生长方向线性增加。对于GaN/AWaN多量子阱结构，其最后一个势垒的材料仍为AWaN，但GaN在AWaN合金中的含量在原有基础上沿生长方向线性增加。所述P型掺杂层为镁掺杂的AlGaN电子阻挡层和GaN基半导体材料覆盖层(可以是GaN、AlGaN或InGaN等材料)构成，掺杂浓度为1 X IO17 1 X 1020cnT3。所述的电极材料为Au，Ag，Cu，Al，Pt，Zn, Ti, Sn等或它们形成的合金。在实际生产工艺过程中，上述结构可以按照MOCVD实际生产工艺进行生长。在生长多量子阱区域的最后一个势垒时，通过控制反应物种类、流速以及温度可生长出带隙沿生长方向线性减小的新型势垒层。效果情况作为一种比较，分别就传统的Ina2Giia8NAiaN多量子阱LED和采用本专利设计的新型Ina2Giia8NAiaN多量子阱LED (其中量子阱区域的最本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高效ＧａＮ基半导体发光二极管，它包括衬底、Ｎ型掺杂层、多量子阱发光层、Ｐ型掺杂层和电极，其特征在于：所述的发光二极管的结构为：在衬底上依次为Ｎ型掺杂层、多量子阱发光层和Ｐ型掺杂层，电极分别制作在Ｎ型掺杂层和Ｐ型掺杂层上；所述的衬底材料为蓝宝石、硅或碳化硅；所述Ｎ型掺杂层为ＧａＮ、ＡｌＧａＮ或ＩｎＧａＮ的硅掺杂的ＧａＮ基半导体材料，掺杂浓度为１×１０１７～１×１０２０ｃｍ－３；所述多量子阱发光层为ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱结构、或ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ多量子阱结构、或ＧａＮ／ＡｌＧａＮ多量子阱结构，或ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ多量子阱结构；多量子阱结构中靠近Ｐ型掺杂层中ＡｌＧａＮ电子阻挡层的最后一个势垒的带隙沿生长方向线性减小，其材料为此多量子阱结构中其它势垒材料与ＩｎＮ或ＧａＮ形成的合金，且ＩｎＮ或ＧａＮ在合金中的含量沿生长方向线性增加；所述的Ｐ型掺杂层为镁掺杂的ＡｌＧａＮ电子阻挡层和ＧａＮ、ＡｌＧａＮ或ＩｎＧａＮ的ＧａＮ基半导体材料覆盖层构成，掺杂浓度为１×１０１７～１×１０２０ｃｍ－３；所述的电极材料为Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｐｔ，Ｚｎ，Ｔｉ，Ｓｎ或它们形成的合金。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫，夏长生，王少伟，张波，甄红楼，王兴军，陈效双，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，蓝雨软件技术开发上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31