[發(fā)明專利]具有雙分級電子阻擋層的氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)

在審

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• 申請日: 2014-12-22
• 公開（公告）號: CN104733582A
• 公開（公告）日: 2015-06-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬修·澤維爾·先尼;竹岡忠士
• 申請（專利權(quán)）人: 夏普株式會(huì)社
• 主分類號: H01L33/14
• 分類號: H01L33/14
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 王波波

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及發(fā)光器件的領(lǐng)域，更具體地，涉及發(fā)光器件的光輸出效率的提高。

背景技術(shù)

發(fā)光二極管(LED)是廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵組件，所述廣泛應(yīng)用包括液晶顯示器的背光單元、汽車的車前燈、或者一般的照明設(shè)備。例如，基于III族氮化物半導(dǎo)體的藍(lán)和綠發(fā)光LED廣泛地應(yīng)用于這些應(yīng)用中。然而，這些LED仍然在本領(lǐng)域中通常稱作“效率下降”的現(xiàn)象引起的高電流注入時(shí)遭受性能下降。

標(biāo)準(zhǔn)的LED結(jié)構(gòu)包括電子供給層(例如，通常n型半導(dǎo)體)、空穴供給層(例如，p型半導(dǎo)體)和有源區(qū)(例如，可以包括單個(gè)或多個(gè)量子阱的發(fā)光區(qū)域)。多量子阱結(jié)構(gòu)包括量子阱和量子勢壘。在文獻(xiàn)中已經(jīng)公布了效率下降的一個(gè)可能原因可能是由于所注入的電子泄露到有源區(qū)之外。為了限制該現(xiàn)象，由氮化鋁鎵(AlGaN)制成的電子阻擋層(EBL)通常被置于有源區(qū)與空穴供給層之間。從而，優(yōu)選具有大能帶隙的EBL，以便盡可能地限制電子泄露到有源區(qū)之外。然而，由于GaN與AlGaN之間的晶格失配，制造具有大能帶隙(即，具有高鋁成分)的EBL難以使用高質(zhì)量材料生長。此外，由于在c平面氮化物異質(zhì)結(jié)處(特別是有源區(qū)的最后一個(gè)量子勢壘與EBL之間的界面處以及在EBL與空穴供給層之間的界面處)(如圖1所示)的內(nèi)部極化場，具有高鋁成分的EBL將導(dǎo)致嚴(yán)重的能帶彎曲。從而，這些界面處的價(jià)帶呈現(xiàn)尖峰，這阻止了空穴被有效地注入有源區(qū)中。

因此，期望在EBL中具有高鋁成分的同時(shí)減小內(nèi)部極化場對空穴注入的影響并且提高材料質(zhì)量，從而提高III族氮化物L(fēng)ED的光輸出功率。

用于減小內(nèi)部極化場在有源區(qū)與EBL之間的界面處的影響的已知方法是對EBL的成分進(jìn)行分級并且減小價(jià)帶中的尖峰。在(2012年11月28日發(fā)布的)日本專利5083817中描述了該方法。該專利教導(dǎo)了對來自EBL的有源區(qū)側(cè)的鋁成分的連續(xù)或離散分級導(dǎo)致價(jià)帶中的尖峰的減小，從而提高了空穴注入。然而，在該專利中，EBL直接在有源區(qū)的最有一個(gè)量子阱的頂部生長。在該特殊情況下，即使價(jià)帶中的尖峰存在于最后一個(gè)量子阱與EBL之間的界面處，該尖峰也將處于量子阱中，因此空穴將在該量子阱中累積。

然后，該價(jià)帶尖峰對載流子重組合的效率的影響受到限制。此外，由于在量子阱與EBL層之間生長條件(例如，生長溫度)存在差別，因此難以在有源區(qū)的最后一個(gè)量子阱的頂部直接生長EBL。使這種EBL層與量子阱直接接觸的結(jié)果是該量子阱的銦成分將受到很大影響。從而，推薦在使得有源區(qū)的最后一個(gè)量子阱與EBL之間具有勢壘層的同時(shí)，移除EBL的有源區(qū)側(cè)價(jià)帶中的尖峰。用于提高LED的有源區(qū)中的空穴注入的另一種已知的方法(盡管存在電子阻擋層)是對EBL的p型層側(cè)的EBL的成分進(jìn)行分級。在(2006年7月20日公布的)WO專利申請2006/074916?A1中描述了該方法。該專利申請教導(dǎo)了對來自EBL的p型空穴供給層側(cè)的鋁成分的連續(xù)分級可能引起極化摻雜，因此與當(dāng)僅使用鎂摻雜相比，實(shí)現(xiàn)了更高的空穴濃度。備選地，極化摻雜可以替換鎂摻雜以產(chǎn)生空穴。

然而，為了經(jīng)由極化摻雜產(chǎn)生空穴，EBL的厚度必須較大，通常大于100nm(如該專利申請中所描述的)。由于GaN材料和AlGaN材料之間的晶格失配，因此在標(biāo)準(zhǔn)LED結(jié)構(gòu)中生長這種較大的EBL而并不由于應(yīng)變松弛引起晶體質(zhì)量下降是富有挑戰(zhàn)的。這就是推薦在EBL成分中加入銦以避免應(yīng)變松弛的原因。然而，在EBL中加入銦將需要使用比通常用于在商用近紫外、藍(lán)和綠LED中生長典型的AlGaN?EBL的溫度更低的溫度。更低的EBL生長溫度將導(dǎo)致更低的晶體質(zhì)量，這將最終影響LED性能。因此，僅加入銦不適于制造商業(yè)級的近紫外、藍(lán)和綠LED。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于傳統(tǒng)LED的上述缺陷，本發(fā)明的目的是通過提供具有高效率的LED來解決上述問題，其中，EBL具有高鋁成分，因此在不犧牲空穴注入效率的情況下減少了電子泄露。

本發(fā)明試圖通過減少注入的電子從有源區(qū)的泄露來提高半導(dǎo)體LED的內(nèi)部效率。

本發(fā)明描述了一種發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管包括多量子阱有源區(qū)和電子阻擋層，其中，在電子阻擋層的兩側(cè)對電子阻擋層的鋁成分進(jìn)行分級。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在(Al，In，Ga)N材料系統(tǒng)中構(gòu)造了發(fā)光二極管。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子阻擋層可以是例如Al_xGa_l-xN或In_xAl_yGa_l-x-yN。

附圖說明

圖1示出了參考LED的能帶結(jié)構(gòu)。