CN104641475B - 一种发光装置 - Google Patents

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Abstract

一种发光装置，包括：多个电流扩展层，包括第一P掺杂层、第一N掺杂层和第二P掺杂层，其中，所述N掺杂层具有配置为大量耗尽或完全耗尽的掺杂度和厚度。

Description

一种发光装置
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)，特别是LED中的侧向电流扩展结构。
背景技术
在过去几十年中，InGaN/GaN发光二极管(LED)取得了惊人的进展。一个遗留的问题在于性能仍然受限于P型GaN层。由于P型GaN的低掺杂浓度和低空穴迁移率(电导性差)，电流集聚效应变得非常明显，尤其在大电流工作下。在P型GaN电极下面的电流集聚的直接影响包括创造出高的局部热量和局部载流子浓度。这在多量子阱中(MQW)引起了无辐射重组率的增长，并且因此降低了光输出功率和外部量子效率(EQE)。
为了缓解不合需要的电流集聚效应，已经发展了多种技术。孙等人通过对半导体层(图1中的层3，5和7)重掺杂提出电流扩展层。如果可以保留优良的晶体质量，重掺杂的层允许更高的电导率。后来，冯等人也建议了金属垫片(图2中的标注221和225)插在透明电路扩展层(图2中的标注210，211和212)中，以便使得图2所示的侧向电流对称。特别是，如果包含了高阻层，如图3所示的，用在基于垂直GaAs的LED的掺杂Zn的P型Al0.7Ga0.3As(图3中的层34)中的无掺杂的Al0.7Ga0.3As(图3中的层32)，可以抑制电路集聚效应。同时，据报道，通过考虑带间隧道的物理学原理，电流可以均匀扩展，并且因此为实现更好的电流扩展开发了在超薄n+-GaN层(图4中的层53)上的透明电流扩展(图4中的层52)，如图4所示。在一个单独提出的技术中，LED的电流路径中设计了沟道(图5A中标注180)，以便局部地阻挡电流并改善电流分布，如图5A和5B所示。另一方面，沿着极性方向生长的六方相III-V氮化物具有很强的极化场的特性，这些极化场能够在异质结(即，AlGaN/GaN)中形成高表面电荷密度的二维电子气(2DEG)和二维空穴气(2DHG),该特性可以作为电流扩展层，如图6所示。最后，该电流扩展层也可以通过非掺杂AlGaN、非掺杂GaN、N型AlGaN和N型GaN(图7中的标注4)结合实现，这不仅使用了2DEG的特性，还通过合金工艺生成了能带变化。
发明内容
概括而言，本发明提出了一种具有改进的电流扩展层的发光装置。该电流扩展层为晶格匹配的外延沉积的PNP层。N层的厚度和掺杂选择为该N层完全被邻近的P层耗尽。结果，N层中的掺杂物变成电离的，并充当空穴扩散者。连同第一PN结的空穴阻挡效应，由此产生总体有效的电离扩展作用而没有电压消耗或少数载流子损失。这可能具有的优点在于，电流扩展比ITO效率更高、较高的辐射复合率、较低的温度、较高的输出、较高的效率、和/或较低的制造成本。
根据本发明的第一方面，提供了一种发光装置，包括：
多个电流扩展层，包括第一P掺杂层、第一N掺杂层和第二P掺杂层，
其中，所述N掺杂层具有配置为大量耗尽或完全耗尽的掺杂度和厚度。
其中，在所述电流扩展层中的耗尽区的厚度在平衡条件下可以在0nm到300nm之间。
其中，所述耗尽区的厚度在平衡条件下可以在0nm到178.37nm之间。
其中，所述N掺杂层的厚度在平衡或非平衡条件下小于所述耗尽区厚度。
其中，所述N掺杂层的厚度可能大于1nm。
其中，所述第一N掺杂层的内建电压可能大于穿通击穿电压。
其中，所述内建电压可能约为3.2V，所述穿通击穿电压可能约为0.08V。
其中，可以根据下式确定扩散长度。
其中，Dp为空穴的扩散常数，通过爱因斯坦关系式与μρ关联，并且k为波兹曼常数。
其中，势垒高度可能大于0.005eV。
其中，理想系数的范围可能为1到7。
其中，所述N掺杂层中的掺杂物可以配置为当N掺杂层大量耗尽或完全耗尽时，成为电离的，并且充当空穴扩散者。
所述装置可能还包括有源层和电子注入层，其中，所述多个电流扩展层可能配置为与所述有源层和/或所述电子注入层晶格匹配。
其中，所述多个电流扩展层的每一个都可能包括半导体材料，该半导体材料选自GaN、InGaN、AlInGaN、AiInGaPAsSb、ZbO、CdSe和其中任意组合。
其中，所述P掺杂层可能的掺杂材料选自Be、Mg、Zn、P、N、As、Sb和其中任意组合。
其中，所述第一N掺杂层可能的掺杂材料选自Si、Ge、O、Ga、Al和其中任意组合。
所述P掺杂层的Mg掺杂程度可能超过本征载流子浓度，所述第一N掺杂层的Si掺杂程度可能超过本征载流子浓度。
所述装置还包括在所述多个电流扩展层上的透明电流扩展层，该透明电流扩展层可能选自掺锡氧化铟(ITO)、掺镓氧化锌(GZO)、掺铝氧化锌(AZO)、掺氟氧化锡(FTO)、石墨烯和其中任意组合。
可选地，所述装置还包括在所述多个电流扩展层上的半透明电流扩展层，该半透明电流扩展层可能包括Ni/Au合金。
其中，所述多个电流扩展层可能还包括第二N掺杂层和第三P掺杂层。
所述装置可能还包括多个额外的N掺杂层和P掺杂层。
其中，所述N掺杂层可能配置为被完全耗尽，少数载流子扩散长度可能小于N型层厚度，并且所述N型层的穿通击穿电压可能配置为通过外部偏压提供。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造发光装置的方法，包括：
在有源层上或邻近该有源层外延沉积第一P型电流扩展层，
在所述第一P型层上或邻近该第一P型层外延沉积第一N型电流扩展层，
在所述第一N型层上或邻近该第一N型层外延沉积第二P型电流扩展层，
在所述第一和第二P型层中激活掺杂物。
其中，外延沉积可能包括化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)、锁相外延(PLE)和其制备方法的任意组合。
其中，所述第一和第二P型层和第一N型层的掺杂可能在比电子注入层掺杂的温度更低的温度下进行。
其中，所述第一和第二P型层和第一N型层的掺杂可能在与电子注入层掺杂的温度相同或者更高的温度下进行。
根据本发明的第三方面，提供了一种发光二极管，包括：
PNP半导体材料电流扩展层，
其中，N型半导体配置为完全或大量耗尽，留下电离的Si原子充当电流扩展者，其中所述PNP层不消耗少数载流子，因为所述N型材料的厚度小于少数载流子的扩散长度，并且，其中，所述PNP层中的耗尽电压超过穿通击穿电压减少该PNP层中的电压损耗。
附图说明
参照以下附图对本发明的一个或多个实施例进行描述：
图1到7为LED上的现有技术的电流扩展层的横截面图；
图8为InGaN/GaN LED(装置B)上的PNP-GaN电路扩展层，以及没有透明电流扩展层的参考LED(装置A)的横截面图；
图9A为在绝缘基底(例如，蓝宝石)上生成的采用横向电流注入方案(L1>I2>I3>I4>……>In)没有透明电流扩展层的传统InGaN/GaN LED的等效电路图；
图9B为带有可能的电流路径(J1和J2)的第一实施例PNP-GaN电流扩展层InGaN/GaN LED的简化的等效电路图；
图10A为作为偏压的函数的模拟电流的图表；
图10B为作为偏压的函数的实验测得的电流的图表；
图11A为实验测得的装置A(没有透明电流扩展层的参考LED)的发射光谱的图表；
图11B为实验测得的装置B(没有透明电流扩展层的PNP-LED)的发射光谱的图表；
图12为装置A和B(装置A：没有透明电流扩展层的参考LED；装置B：没有透明电流扩展层的PNP-LED)的不同电流注入等级下的载流子温度的图表；
图13为模拟的装置A和B的光输出功率和外部量子效率的图表(装置A：没有透明电流扩展层的参考LED；装置B：没有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图14为实验测得的装置A和B的光输出功率和外部量子效率的图表(装置A：没有透明电流扩展层的参考LED；装置B：没有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图15A为计算的装置A和B的空穴分布的图表(装置A：没有透明电流扩展层的参考LED；装置B：没有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图15B为计算的装置A和B的辐射复合率的图表(装置A：没有透明电流扩展层的参考LED；装置B：没有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图16A为装置A的能带图(装置A：没有透明电流扩展层的参考LED)；
图16B为装置B的能带图(装置B：没有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图17为根据第二实施例的装置B的横截面图，同时列出装置A作为参考(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图18A为装置B的等效电流图(装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图18B为装置B简化的等效电路图(装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图19A模拟的装置A和B的作为偏压的函数电流的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图19B实验测得的装置A和B的作为偏压的函数的电流的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图20A为实验测得的装置A的发射光谱的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED)；
图20B为实验测得的装置B的发射光谱的图表(装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图21为装置A和B的载流子温度的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图22为模拟的装置A和B光输出功率和外部量子效率的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图23为实验测得的装置A和B光输出功率和外部量子效率的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图24A为计算的装置A和B的空穴分布的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图24B为计算的装置A和B的辐射复合率的图表(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED；装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)；
图25A为装置A的能带图(装置A：带有透明电流扩展层的参考LED)；
图25B为装置B的能带图(装置B：带有透明电流扩展层的PNP-LED)。
具体实施方式
如图8所述的第一实施例，包括LED装置800。该装置800形成自GaN并安置在蓝宝石基底802上。N掺杂电子注入层804、806设置在基底802上。有源发光层810夹在电子注入层804、806和空心注入层812之间。N型电极(阴极)位于n-GaN层806，P型电极(阳极)814位于空穴注入层812。
在第一实施例中，空穴注入层812提供PNP电流扩展层816。例如，存在单p-GaN/n-GaN/p-GaN结构，或存在多个结构，如图8所示的双p-GaN/n-GaN/p-GaN/n-GaN/p-GaN结构。
图17所示的第二实施例，包括LED装置1700。该装置1700的形成类似于装置800，但是包括位于空穴注入层1712顶部的ITO层1718。
这些实施例通过将PNP电流扩展层816应用到装置800中，可以设法抑制电流集聚效应。相邻的P-GaN层完全耗尽薄的n-GaN层。这可以积极地电离充当优越的空穴扩散者的Si掺杂物。
电流扩展效应
图8和17展示了PNP-GaN层8161716的能带图。PNP-GaN区的第一结Fi在加强空穴横向强输送的同时减少了垂直输送。N-GaN层在一个实施例中可以设计得足够薄，从而使得耗尽区、扩散长度大于厚度，并且穿通击穿电压低于内建电压，这将在下面的章节中描述。在一个实施例中，它还可能足够宽，以便提供足够的空穴阻挡，并且因此具有超过所需水平的空穴载流子高。还可能同时设计N-GaN区的掺杂水平来实现这一点。换句话说，N-GaN的厚度和掺杂水平可能是为解决这个完全耗尽而设计的，没有载流子损失，和/或空穴载流子电流扩展足够高。
对于生长在绝缘基底上带有横向电流注入方案的InGaN/GaN LED，电流同时在垂直和横向上传播，如图9(a)所示。由于n-GaN的薄膜电阻比p-GaN的薄膜电阻小得多，因此，电流倾向于流过低阻n-GaN层(图9(a))，在p-GaN中给出不均匀的电流分布(即，I1>I2>I3>L4>……>In)，即众所周知的电流集聚效应。如果PNPNP-GaN采用在LED架构中，可以抑制该电流集聚效应。图9(b)描绘了带有嵌入的PNPNP-GaN同质结的InGaN/GaN LED的简化的等效电路图，其中，总的电流被分成垂直电流(J1)和水平电流(J2)。总的电压降包括P型接触、P-GaN、MQW区、n-GaN以及N型接触的压降。根据图9(b)中的等效电路，得到等式1(用于电流路径1)和等式2(用于电流路径2)。
其中，l表示横向电流路径的长度，l0为从台面边缘到N型接触的中心的距离，w为去除的P型接触的长度。p-GaN和n-GaN的厚度分别为tp和tn；和ρp-GaN和ρn-GaN分别为p-GaN和n-GaN的电阻率；Vpn表示InGaN/GaN LED中的多个量子阱的结电压降；Vp-contact和Vn-contact分别为跨过P型接触和N型接触的电压降。ρPNP为在每个PNP-GaN结中的势垒高引起的特定界面电阻率。N为PNP-GaN结的总数，在我们的装置中，存在两个PNP-GaN结(即，PNPNP-GaN)，因此N为2(即，总的界面电阻率为2×ρPNP)。
通过等式(1)和等式(2)，导出等式(3)。然而，l大约是装置台面尺寸，350μm×350μm，而tp为P-GaN厚度范围，～200nm。由于tp<<l，可以将等式(3)简化为等式(4)。
从等式(4)可以看出，更高的N·ρPNP/ρp-GaN比率有利于增强横向电流(即，J2)。为了增大N·ρPNP/ρp-GaN的比率，要么增大N·ρPNP，要么减小ρp-GaN。通过增大p-GaN层厚度增大横向电流也是可行的。
图18B描绘了带有透明电流扩展层(即，ITO)的InGaN/GaN LED的简化的等效电路。在PNPNP-GaN合并为电流扩展层的情况下，我们将总的电流分为垂直部分(J1)和水平部分(J2)。类似于没有透明电流扩展层的装置，总的电压降包括ITO和P型接触中的Ti/Au、p-GaN、MQW区、n-GaN，以及N型接触间的电压降。根据图18(b)中的等效电路，可以得到等式(5)(用于电流路径1)和等式(6)(用于电流路径2)。
其中，l表示横向电流路径的长度，l0为从台面边缘到N型接触的中心的距离，w为装置台面的宽度。tITO和wITO分别为ITO薄膜的厚度和宽度(在我们的实施例中，w＝350μm，wITO＝330μm)，ρITO为ITO电阻率。p-GaN和n-GaN的厚度分别为tp和tn；和ρp-GaN和ρn-GaN分别为p-GaN和n-GaN的电阻率；Vpn表示InGaN/GaN LED中的多个量子阱的结电压降；Vp-contact和Vn-contact分别为跨过P型接触(ITO上的Ti/Au)和N型接触的电压降。ρPNP为在每个PNP-GaN结中的势垒高引起的特定界面电阻率。N为PNP-GaN结的总数，在我们的装置中，存在两个PNP-GaN结(即，PNPNP-GaN)，因此N为2(即，总的界面电阻率为2×ρPNP)。
通过等式(5)和等式(6)导出等式(7)。然而，l、w和wITO大约是装置台面尺寸，350μm×350μm，而tITO为200nm(tITO<<l)，等式(7)可以被简化为等式(8)。
从等式(8)可以看出，更高的N·ρPNP/ρTCL比率有助于增强横向电流(即，J2)。因此为了增大N·ρPNP/ρTCL的比率，要么增大N·ρPNP，要么减小ρTCL。同时，通过适当增大p-GaN层厚度(tp)也可以提高电流扩展效应。
此外，由于杂质扩散，尤其是Mg扩散，PNPNP-GaN将不会有非常突变的界面。然而，通过适当提高Si掺杂浓度和/或n-GaN厚度，仍可以保持PNPNP-GaN结。通过这种方式，可以在每个PNP-GaN中形成结势垒(即，ρPNP)，并且等式3、等式4、等式7和等式8对于解释电流扩展仍然是有效的。同时，n-GaN掺杂和n-GaN厚度不得不遵循先前解决的设计原则，这样，n-GaN不得不完全耗尽，反向结F2将不会阻挡任何电流。
装置制造
可以制造两个PNP-GaN结的实施例，例如，具有总厚度为200nm的图8和17所示的装置A和B的p-GaN，这不包括N-GaN的厚度。
然而，可以分别根据其厚度和n-GaN和p-GaN区中的掺杂浓度，合入并优化多个PNP-GaN周期。
通过ATXTRON紧耦合莲蓬头金属有机化学气相沉积(MOCVD)反应器，在C平面图形蓝宝石基底上生长两组InGaN/GaN LED晶片(即，图8所描绘的参考LED和PNPNP-GaN LED)。TMGa/TEGa/TMIn和NH3分别用作第三族源和第四族源。稀释的Cp2Mg和SiH4分别用作P型和N型GaN的掺杂母体。生长从30nm低温GaN缓冲层开始，接着是2μm u-GaN层和4μm n-GaN层(Nd＝5×1018cm-3)，它们都在1050℃下生成。在生成的LED EPI样本中，有源层包括五个周期In0.5Ga0.75N/GaN的多量子阱(MQM)，阱和势垒的厚度分别为3nm和12nm。这些阱和势垒生长在相同的730℃温度下。参考LED具有0.2μm厚空穴浓度3×1017cm-3的P-GaN层。通过向p-GaN层均匀地***两个20nm的n-GaN(Nd＝2×1017cm-3)层，我们得到PNPNP-GaN结构(0.067μm/20nm/0.067μm/20nm/0.067μm)，其厚度与参考装置中的p-GaN层的厚度相同。PNPNP-GaN层全都生长在1020℃温度下，该温度低于生长u-GaN和n-GaN的温度(1050℃)，以便抑制来自InGaN量子阱的InN的外扩散。具体而言，在PNPNP-GaN结构中的n-GaN和p-GaN的生长强度设为150mbar。在PNPNP-GaN生长过程中的V/III比率(NH3/TMGa)保持在4100。在EPI晶片生成后，我们执行热退火来激活P-GaN层的Mg掺杂物质。参考LED和PNPNP-GaN LED晶片的退火都在N2环境中在720℃温度下进行10分钟。
在LED晶片生成后，通过以下标准制造工艺制造四组LED芯片。EPI晶片通过活性离子腐蚀(RIE)刻画为350μm×350μm大小的台面。Ni/Au薄膜(10nm/150nm)首先沉积为P型电极，接着P型接触在大气压力下在O2和N2的混合气体中在515℃退火5分钟。最后，Ti/Au(30nm/150nm)沉积为N型电极。我们已经制备了两组没有掺锡氧化铟(ITO)包覆(即，没有ITO的参考LED和没有ITO的PNPNP-GaN LED)的装置。另外两组制备有作为透明电流扩展层的ITO包覆(即，带有ITO的参考LED和带有ITO的PNPNP-GaN LED，它们显示在补充材料中)。透明电流扩展层(即，ITO)在沉积电极前在N2环境中在500℃溅射和退火120秒。同时，我们还在APSYS中为四组装置进行数值模拟，其采用适当的边界条件求解泊松方程、连续性方程和薛定谔方程。在这些模拟中使用的俄歇复合系数为1×10-30cm6s-1，并且导带和价带间的能带偏移为70/30。考虑到通过生成位移的晶体松弛，假设有40％的理论极化电荷。其他参数可以在I.Vurgaftman和J.R.Meyer的“含氮半导体的带参数”(J.Appl.Phys.94(6),3675-3696(2003))中找到，该文献以应用的方式并入本文中。
图17所示的包覆有作为外部透明电流扩展层的ITO薄膜的InGaN/GaN LED(即，带有ITO包覆的参考LED和带有ITO包覆的PNPNP-GaN LED)也可以采用类似的工艺制造。200nm厚的ITO薄膜喷镀在每个装置上，接着在N2环境下在500℃退火120秒。在这些装置中，沉积的Ti/Au(30nm/150nm)接触分别用作P型电极和N型电极。
p-GaN(67nm)的掺杂浓度为3×1017cm-3，n-GaN(20nm)的掺杂浓度为2×1017cm-3。
耗尽区
如图8和17所示，PNPNP-GaN LED(即，没有ITO的PNPNP-GaN LED和带有ITO的PNPNP-GaN LED)拥有两层薄n-GaN(20nm)，夹在67nm厚的p-GaN层之间。每个薄n-GaN在界面(即，F1和F2)形成两个结。当InGaN/GaN LED正向偏置，F1也正向偏置，而F2反向偏置。随着偏置电压的增加，F1的耗尽区缩小，而F2扩大它的耗尽区穿过n-GaN。从而，在整个n-GaN层中的耗尽区可以被恢复，因此，这里电离化的Si施主充当空穴扩散者。由于n-GaN(2×1017cm-3)和p-GaN(3×1017cm-3)的掺杂浓度，p-GaN/n-GaN中的内建电势为e为基本电荷，GaN的ni＝1.9×10-10cm-3)。如果n-GaN和p-GaN具有有限的长度，总的耗尽区厚度为GaN的er＝8.9，e0为绝对介电常数)，其包括n-GaN中的耗尽区的97.70nm厚度和p-GaN中的耗尽区的65.13nm厚度。因此，n-GaN层只有20nm厚度，在PNPNP-GaN LED中被完全耗尽。同时，根据同质结的耗尽区中的电中性原理，在PNP-GaN结的p-GaN的实际耗尽宽度只有13.33nm。
耗尽区宽度可能大于n-GaN厚度，因此，装置可以得到减小的正向电压。可选地，耗尽区宽度也可能小于n-GaN厚度，并且通过外部偏压可以有利于n-GaN的完全耗尽。然而这可能导致装置正向电压的增大。
例如，在平衡情况下，耗尽区可以在0nm到178.37nm之间。如果p-GaN载流子浓度(NA)可以理想地大于n-GaN载流子浓(ND)，即，ND<<NA，并且，我们假设ND＝1×1017cm-3，这能够与u-GaN(即，通过氧和/或氮空位非故意N型掺杂的GaN)载流子浓度相比，接着，为了在平衡情况下n-GaN的完全耗尽，该厚度不得不小于n-GaN。对于其他典型的材料***，该厚度和掺杂水平彼此紧密相关，并且要被首先选择。对于任何其他非氮化物材料***，在平衡情况下，耗尽区的厚度可能在0nm到300nm之间。
扩散长度
n-GaN厚度可以小于少数载流子(即，本情况中的空穴)的扩散长度。可以根据n-GaN层的掺杂浓度转变扩散长度。
可以使用(其中，Dp为空穴的扩散常数，通过爱因斯坦关系与μρ相关联，并且k为玻尔兹曼常数)得到在n-GaN中的空穴的扩散长度。因此，在掺杂浓度2×1017cm-3的n-GaN中的少数载流子(空穴)的寿命假定为0.8ns，而空穴迁移率设置为26cm2/Vs。可以通过在不同n-GaN掺杂水平下的电子束诱生电流(EBIC)测量μρ和tp，或者可以使用经验估计值。因此，空穴的扩散长度计算为～231.9nm，这比PNPNP-GaN LED.的每个PNP-GaN结中的n-GaN(20nm)的厚度大得多。结果，没有穿过n-GaN区的少数载流子(空穴)损失。此外，这意味着在不消耗额外电能的情况下提高载流子注入(在本情况下为空穴注入)。
少数载流子的扩散长度取决于掺杂浓度和位错密度。不得不降低位错密度以便保持长的扩散长度。扩散长度可能大于n-GaN厚度以便没有载流子损失。扩散长度还可能小于n-GaN厚度，但是这可能导致少数载流子损失。
内建电压
存在有用于反向偏置结(即，F2)的穿通击穿电压，在本情况下，穿通击穿电压为0.08V(并且WN为n-GaN的宽度)。值得一提的是，在p-GaN/n-GaN结中BVRT小于上面确定的内建电势，这也通过留下电离的Si掺杂物作为空穴扩散者体现了完全耗尽。
因此，在耗尽区延伸穿过整个n-GaN区后，任何高于0.08V的进一步的偏压增加都将促进来自正向偏压结(即，F1)的少数载流子(即，这种情况下的空穴)的注入，得到提高的电导率和高电流。这导致在PNP-GaN结没有明显的电压消耗(电能的浪费)。这转而减少了工作过程中PNP-GaN LED中的正向偏置，如图10B和19B所示，其分别与图10A和19A所示的传统的LED相比较。
穿通击穿电压可能小于3.2V。当偏置的时候，穿通击穿电压可能延伸耗尽区穿过整个n-GaN层。在这种情况下，电流可以穿过。这种优化的穿通可能发生在任何偏置之前，即，n-GaN在平衡情况下已经完全耗尽。
在这种情况下，平衡可以理解为没有施加外部偏置。类似的，非平衡可能是有偏置的时候。在一个实施例中，n-GaN可能完全耗尽而没有任何外部偏置；通过这种方式，在PNPNP-GaN层，可能没有电压消耗。在可选的实施例中，n-GaN在外部偏置该装置之后可能完全耗尽，但是这可能导致一些额外的电压降。势垒高度
为了探测内嵌的PNPNP-GaN的扩展电路，我们提出电路作为电压的函数，如图10(b)和19(b)所示。在低正向电压机制中(图10(b)和19(b)中的0～3V)，没有ITO包覆的PNPNP-GaN LED关于图10(b)中的没有ITO薄膜的参考LED表现出更低的漏电流，对于带有ITO包覆的PNPNP-GaN LED关于根据图19(b)的带有ITO的参考LED可以做出相同的结论。参考LED(即，没有和带有ITO的参考LED)和PNPNP-GaN LED(即，没有和带有ITO的PNPNP-GaNLED)具有类似的晶体质量，它们在(102)和(002)X光衍射光谱的半峰全宽同样分别为约213.5和216.0角秒。因此，在PNPNP-GaN LED中抑制的漏电流来自增加的结势垒高度。由于PNPNP-GaN结内嵌在这种具有多个异质结的InGaN/GaN LED中，因此其难以提取PNPNP-GaN的势垒高度。这里，我们通过下式计算有效的全部势垒高度，
其中，为LED装置中的总体势垒高度，n为二极管的理想因子。对于没有ITO的参考LED和对于没有ITO的PNPNP-GaN LED，分别计算为1.10V和1.31V。其清楚地表明当PNPNP-GaN特性集成在P型层中，得到更高的总体势垒高度。对于没有ITO的参考LED和对于没有ITO的PNPNP-GaN LED理想因子分别为5.32和4.19。在PNPNP-GaN LED中改进的电流扩展是由减小的理想因子引起的。此外，由于没有ITO的PNPNP-GaN LED中的改进的电流扩展效应，当施加的偏置大于3V时，电气性能相对于没有ITO的参考LED提高了。类似的，对于带有ITO的参考LED和对于带有ITO的PNPNP-GaN LED，分别计算为1.33V和1.44V。此外，对于带有ITO的参考LED和对于带有ITO的PNPNP-GaN LED理想因子分别为6.52和4.51。我们还观察到在带有ITO的PNPNP-GaN LED中增加的总体能量势垒高度，与此同时，相比于带有ITO的参考LED，带有ITO的PNPNP-GaN LED特征在于减小的理想因子和增大的电气性能。这是归因于通过PNPNP-GaN同质结的结合提高的电流扩展效应。
参考LED(即，没有和带有ITO的参考LED)和PNPNP-GaN LED(即，没有和带有ITO的PNPNP-GaNLED)的能带图分别显示在图16(a)和25(a)中。根据同样16(a)，当参考LED中的空穴输送穿过p-GaN不会经历势垒。相反的，对于PNPNP-GaN LED，如图图16B和25B所示，存在两个由于n-GaN层中电离的Si施主产生的空穴能量势垒1600、2500。通过空穴势垒的帮助，增强了空穴扩展，并且这减轻了InGaN/GaN LED中的空穴集聚效应，并且导致了提高的横向空穴分布。
例如，势垒高度可能大于0.005eV。一方面，优化的势垒高度可以有效地扩展电流(因此，n-GaN层不能太薄)，另一方面，它不会增加正向电压(n-GaN层不能太厚)。这种优化可能取决于应用；例如，在任何偏置前，n-GaN已经被完全耗尽，并且发生可穿通。
然而，势垒高度、穿通击穿电压等没有唯一的解决方案。这些参数可能彼此关联，并且它们根据应用的需求，每种情况都被设计。主要需求可能是n-GaN在任何偏置前必须被完全耗尽。相应地设计掺杂水平和/或厚度。
如图13、14、22和23所示，相比于传统的LED，PNP-GaN LED中实现了增大的光功率和EQE。图11A、11B、20A和20B举例说明的发射光谱还显示了PNP-GaN LED相比于传统的LED的优势。首先，由于电流聚集导致的局部过热对于LED工作和它的工作寿命都产生严重影响。然而，如果PNP-GaN***在InGaN/GaN LED中，不能明显减少局部过热。图12显示了在PNP-GaN LED中比在参考LED中低的载流子温度，并且一旦如图21所示增加透明电流扩展层，可以进一步减小载流子温度。
在10、20、30、40和50mA的注入电流下同时收集没有和带有ITO的参考LED，以及没有和带有ITO的PNPNP-GaN LED的电致发光(EL)光谱(图11(a)、图11(b)、图20(a)和图20(b))。在图11(a)和11(b)中的没有ITO的参考LED和没有ITO的PNPNP-GaN LED的EL光谱显示了随着注入电流水平的增加而变化的红移，这是由于在测试过程中逐渐增加的结温度。然而，在图20(a)和20(b)中观察到的带有ITO的参考LED和带有ITP的PNPNP-GaN的EL光谱中的不那么明显的红移归因于在加入ITO后明显提高的电流扩展，其抑制了由电流聚集产生的高的局部热量。我们还可以看出，相比于没有和带有ITO的参考LED，没有和带有ITO的PNPNP-GaN LED的EL强度分别增强了。我们还测量出集成的光输出功率和EQE(图14和23)，其与四组研究的装置(图13和22)的模拟结果进行比较。我们可以看出在实验和模拟中，没有和带有ITO的PNPNP-GaN LED的光输出功率和EQE都提高了。相比于图14所示的没有ITO的参考LED，没有ITO的PNPNP-GaN LED在20mA和100mA分别显示了10.19％和12.16％的功率增强，而图23中的带有ITO的PNPNP-GaN LED相比于带有ITO的参考LED，在20mA和100mA输出功率分别增强了16.98％和14.37％。没有和带有ITO的PNPNP-GaN LED中提高的装置性能归因于减少的电流集聚效应。这反过来抑制了高的局部载流子浓度，导致在多量子阱中的非辐射俄歇复合的减少。
如图15A和15B所示，在PNPNP-GaN LED中得到在台面边缘50μm处收集的更高的空穴浓度和辐射复合率，这也应用到采用带有透明电流扩展层的PNP-GaN电流扩展层的LED上，如图24A和24B所示。
第一和第二实施例相比于图1中显示的工作可能保持良好的晶体质量，其采用重掺杂层，并且该晶体很容易被生成的位移损坏。同时，PNP电流扩展层可能直接在金属有机气相沉积(MOCVD)中实现，节省了如图2、图5A和5B所示的后生长处理。此外，如果我们结合PNP半导体材料而不是使用图3所示的无掺杂区，能量势垒高度对更好的电流扩展效果更有意义。正如已经提到的，PNP区可能不消耗电压，这与图4不同，其为了带间隧道需要更高的偏置来产生强电场。最后，N型半导体材料和P型半导体材料(例如，N-GaN和P-GaN)可能享有类似的生长工艺，并且在两个层之间没有晶格失配，因此，为了更好的电流扩展效应，可以确定地生长更多PNP周期，而仍然可以轻易地保持良好的晶体质量，此外，相比于图6和图7的技术，可以节省生长的预算。
商业应用
综上所述，实施例不仅限于InGaN/GaN LED，可以是所有类型的半导体LED。一个或多个实施例可能实现增强的光输出功率和外部量子效率(EQE)，同时减少电能损耗。换句话说，可以实现发光效率(以每瓦流为单位)的提高，和单灯的成本(以$/流明为单位)的降低。在提高的光输出功率和发光效率之上，一个或多个实施例还可以减少由于电流聚集导致的局部过热，这反过来有利于大功率LED工作，并且还降低了在工作过程中由于LED局部加热而导致的失效率。实施例可以应用在光电子产业，尤其是LED应用，如基于GaAs、GaP和GaN的LED。
虽然对本发明的示范性实施例进行了详细的描述，但是，本领域技术人员可以在本发明的范围内对本发明进行多种变形。

Claims (13)

1.一种发光装置，包括：
多个电流扩展层，包括第一P掺杂层、N掺杂层和第二P掺杂层，
其中，所述N掺杂层与邻近所述N掺杂层的所述第一P掺杂层形成第一结，
其中，所述N掺杂层与邻近所述N掺杂层的所述第二P掺杂层形成第二结，
其中，所述N掺杂层的掺杂度和厚度配置为用于完全耗尽。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述N掺杂层的厚度为20nm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述N掺杂层的内建电压大于穿通击穿电压。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述内建电压为3.23V，所述穿通击穿电压为0.08V。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述N掺杂层中的掺杂物被配置为当N掺杂层完全耗尽时，成为电离的，并且充当空穴扩散者。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述P掺杂层的材料和所述N掺杂层的材料配置为彼此晶格匹配。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个电流扩展层中的每一个都包括GaN。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述N掺杂层掺杂有Si。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述P掺杂层的掺杂浓度为3×1017cm-3，所述N掺杂层的掺杂浓度为2×1017cm-3。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位于所述多个电流扩展层上的透明电流扩展层。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个电流扩展层还包括额外的N掺杂层和第三P掺杂层。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述N掺杂层配置为被完全耗尽。
13.一种发光二极管，包括：
PNP半导体材料电流扩展层，
其中，所述PNP半导体材料包括：
N型半导体材料，其与邻近所述N型半导体材料的第一P型半导体材料形成第一结，并且所述N型半导体材料还与邻近所述N型半导体材料的第二P型半导体材料形成第二结；
其中，所述N型半导体配置为完全耗尽，留下电离的Si原子充当电流扩展者，其中PNP层不消耗少数载流子，N型材料的厚度小于少数载流子的扩散长度，并且，PNP层中的耗尽电压超过穿通击穿电压。
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