[發(fā)明專(zhuān)利]GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度發(fā)光二極管及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910112086.6
• 申請(qǐng)日: 2009-06-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101593804A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉寶林;李曉瑩
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廈門(mén)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L33/00
• 分類(lèi)號(hào): H01L33/00
• 代理公司: 廈門(mén)南強(qiáng)之路專(zhuān)利事務(wù)所
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，尤其是涉及一種GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度發(fā)光二極管(LED)。

背景技術(shù)

寬禁帶III族氮化物是最近研究比較活躍的半導(dǎo)體材料系。由III族氮化物及由其組成的連續(xù)變化固溶體合金所構(gòu)成的半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，具有禁帶寬度大、電子漂移飽和速度高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)大、介電常數(shù)小、導(dǎo)熱性能好、耐高溫、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)([1]S?Nakamura，M?Senoh，N?Iwasaand?S?Nagahama，1995Appl.Phys.Lett.67，1868)，使其在制作短波長(zhǎng)發(fā)光器件等方面擁有極其光明的應(yīng)用前景。特別是以高亮度GaN基LED為代表的半導(dǎo)體照明光源具有體積小、環(huán)保、節(jié)能、耐候性好、安全性高以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)([2]M?Koike，N?Shibata，H?Karo?and?Y?Takahashi，2002IEEE?Joural?ofSelected?Topics?in?Quantum?Electronics，Vol.8，No.2，271)。它一出現(xiàn)就引起人們的廣泛關(guān)注，并以驚人的速度實(shí)現(xiàn)了商品化。它的發(fā)展必將引起照明技術(shù)的一場(chǎng)革命，最終將取代傳統(tǒng)照明光源([3]N.Savage?2000Technology?Review，103(5)，38)。目前，以InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)為有源區(qū)的藍(lán)光LED與黃色(YAG)熒光粉結(jié)合而成的白光LED已經(jīng)成功研制并被廣泛使用。但是，商品化的白光LED的發(fā)光效率(25lm/W)仍然低于熒光燈(75lm/W)。因此，如何提高LED的量子發(fā)射效率就顯得極其重要。

最近研究表明，InGaN/GaN發(fā)射機(jī)制的一個(gè)重要特征是InGaN有源層的光學(xué)特性的微觀不均勻性對(duì)發(fā)射效率影響很大。而這種光學(xué)特性的微觀空間不均勻性是由于InGaN層中In組分空間分布漲落引起的。因此，由電注入或者光激發(fā)產(chǎn)生的載流子就被局限在InGaN層中納米尺度準(zhǔn)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的富In區(qū)，對(duì)載流子起到三維限制作用，使載流子更難遷移到非輻射復(fù)合中心，從而大大提高輻射復(fù)合發(fā)光效率。InGaN/GaN發(fā)射機(jī)制的另一個(gè)重要特征是InGaN應(yīng)變多量子阱中由于強(qiáng)烈的壓電極化場(chǎng)(≈MV/cm)引起的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)。內(nèi)建電場(chǎng)會(huì)使InGaN能帶發(fā)生傾斜，導(dǎo)致電子和空穴的波函數(shù)被局限在量子阱兩側(cè)。電子和空穴空間分離會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果：一是帶間躍遷能量相對(duì)量子限制平帶情況發(fā)生紅移(＞200meV)；二是電子和空穴波函數(shù)重疊程度減小，降低發(fā)射效率。進(jìn)而，載流子的輻射復(fù)合時(shí)間延長(zhǎng)，被非輻射復(fù)合中心俘獲的幾率增大。而且，隨著InGaN多量子阱區(qū)In組分的增加和勢(shì)阱層厚度的增加，QCSE也會(huì)逐漸增強(qiáng)。因此，盡量避免QCSE對(duì)于提高LED的性能至關(guān)重要([4]K?Okamoto，A?Kaneta，Y?Kawakami，S?Fujita，J?Choi，M?Terazima?and?T?Mukai，2005J.Appl.Phys.98，064503)。

現(xiàn)在較為常見(jiàn)的GaN基LED的結(jié)構(gòu)為，首先在(0001)面藍(lán)寶石襯底上沉積GaN緩沖層，接著生長(zhǎng)n型摻雜的GaN層，隨后生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，然后再生長(zhǎng)p型摻雜的AlGaN層和p型摻雜的GaN層，最后用常規(guī)技術(shù)制作p型歐姆接觸和n型歐姆接觸。在生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱時(shí)，勢(shì)阱層是傳統(tǒng)的In組分固定的方形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)存在以下明顯缺點(diǎn)：由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN、InGaN等材料總是沿著[0001]或者[000-1]方向垂直于襯底生長(zhǎng)，而這兩個(gè)方向恰恰是極性軸方向，因此GaN基材料會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的晶格極化，導(dǎo)致InGaN/GaN多量子阱區(qū)強(qiáng)烈的極化效應(yīng)(包括壓電極化和自發(fā)極化)。QCSE極大地限制了電子和空穴的輻射復(fù)合幾率，成為內(nèi)量子效率降低的重要原因([5]N.F.Gardner，J.C.Kim，J.J.Wierer，Y.C.Shen?and?M.R.Krames，2005Appl.Phys.Lett.86，111101)。