CN105226145B - 量子阱结构、发光二极管外延结构及发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种量子阱结构，其包括靠近P掺杂区的单量子阱结构及靠近N掺杂区的多量子阱结构，所述单量子阱结构为有源层的发光区，且所述单量子阱结构的禁带宽度小于所述多量子阱结构的禁带宽度。所述量子阱结构能够显著提高较低禁带宽度量子阱的辐射复合效率，进而可以很好地提高长波长LED的发光效率。本发明另外提供一种发光二极管外延结构及一种发光二极管。

Description

量子阱结构、发光二极管外延结构及发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)技术领域，特别涉及一种高内量子效率的量子阱结构、发光二极管外延结构及发光二极管。

背景技术

以GaN为代表的宽禁带材料，是继Si和GaAs之后的第三代半导体。由于外延技术的突破，在上个世纪九十年代期间有快速的发展。在近二十年的时间内，GaN半导体照明已变成全球性研究发展课题，而GaN市场中LED又占了主要份额。

波长为540nm-570nm的黄绿光是人们生理视觉上最敏感的响应区域，这一波段的单色光在相同辐射能量下，人眼的感受最为敏感。如果能将波长在540nm-570nm的高效的黄绿光LED器件，加入到光源的制作中，不但能够使全彩显示光源更具多样化的选择，而且对提高白光LED的显色指数和流明效率大有帮助，必将加速推进LED器件取代传统照明和显示光源的步伐。

我们目前通常在C面蓝宝石衬底上外延GaN基LED，得到的是c面GaN，Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的空间结构不具有空间中心反演对称，并且Ⅴ族元素的原子和N原子的电负性相差很大，因此沿GaN的<0001>方向具有很强的极性。这一极化效应将产生强度较高的内建电场，并且使正负载流子在空间上分离，这样导致发光波长红移，更严重的后果是电子和空穴波函数交叠变少，材料的发光效率大大降低。

并且，黄绿光LED主要采用高In组分氮化物合金作为有源区的发光材料。氮化物材料LED随着波长的红移，有源区In组分的提高，其内外量子效率都会迅速下降。当波长大于530nm时，其内量子效率甚至低于10％。通常情况下，LED的波长由量子阱的厚度和In的组分共同调节，由于波长对量子阱的厚度十分敏感，因此，在常用的调节波长的方法中，随着量子阱In组分的增加，极化电场也会相应的增加，这两方面因素大大制约了长波长LED内量子效率的提升。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新量子阱结构的LED外延材料结构，以提高LED发光效率。

一种量子阱结构，其包括靠近P掺杂区的单量子阱结构及靠近N掺杂区的多量子阱结构，所述单量子阱结构为有源层的发光区，且所述单量子阱结构的禁带宽度小于所述多量子阱结构的禁带宽度。

本发明一较佳实施方式中，所述多量子阱结构中量子阱的数目大于等于2。

本发明一较佳实施方式中，所述单量子阱结构和所述多量子阱结构的量子阱均由含铟和镓的氮化物构成。

本发明一较佳实施方式中，所述单量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，其中0.20<x<0.45,所述多量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，其中0.05<y<0.2。

本发明一较佳实施方式中，所述单量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，所述多量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，x>y,x-y>0.05。

本发明一较佳实施方式中，所述单量子阱结构的阱宽为2nm～3nm，所述多量子阱结构的阱宽为2nm～3nm。

本发明一较佳实施方式中，所述单量子阱结构和所述多量子阱结构之间的垒宽为10nm～20nm，所述多量子阱结构的垒宽为10nm～20nm。

本发明一较佳实施方式中，所述多量子阱结构还包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

一种发光二极管外延结构，其包括衬底、成核层、不掺杂的氮化物缓冲层、N型电子注入层、P型空穴注入层及如上所述的量子阱结构，所述量子阱结构位于所述N型电子注入层和所述P型空穴注入层之间。

一种发光二极管，其包括如上所述的发光二极管外延结构。

相对于现有技术，本发明提供的所述量子阱结构中，发光的窄禁带宽度的单量子阱结构复合宽禁带宽度的多量子阱结构，能够显著提高较低禁带宽度量子阱的辐射复合效率，进而可以很好地提高长波长LED的发光效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的量子阱结构的示意图；

图2为本发明第二实施例提供的发光二极管外延结构的剖视图；

图3为本发明实施例1的电荧光谱图；

图4为本发明实施例2的电荧光谱图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种量子阱结构10，其包括靠近P掺杂区的单量子阱结构100及靠近N掺杂区的多量子阱结构200，所述单量子阱结构100为有源层的发光区，且所述单量子阱结构100的禁带宽度小于所述多量子阱结构200的禁带宽度。

可以理解的是，所述单量子阱结构100包括一个量子阱101，所述多量子阱结构200包括多个量子阱201。

本实施例中，所述多量子阱结构200中量子阱201的数目大于等于2，即所述多量子阱结构200包括至少两个量子阱201，图1所示所述多量子阱结构200包括三个量子阱201，当然，并不局限于次，所述多量子阱结构200还可以包括更多的量子阱201。

本实施例中，所述单量子阱结构100和所述多量子阱结构200均由含铟和镓的氮化物构成。具体地，所述单量子阱结构100的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，其中0.20<x<0.45,所述多量子阱结构200的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，其中0.05<y<0.2。进一步地，所述单量子阱结构100的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，所述多量子阱结构200的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，x>y,x-y>0.05。

优选地，所述单量子阱结构100的阱宽为2nm～3nm，所述多量子阱结构200的阱宽为2nm～3nm，即所述多量子阱结构200中的量子阱的阱宽为2nm～3nm。

优选地，所述单量子阱结构100和所述多量子阱结构200之间的垒宽为10nm～20nm；所述多量子阱结构200的垒宽为10nm～20nm，即所述多量子阱结构200中的量子阱之间的垒宽为10nm～20nm。

可以理解的是，所述多量子阱结构200的阱宽可以相同或不同，且所述多量子阱结构200的合金材料的组分也可以相同或不同。

进一步地，所述多量子阱结构200还包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构(即具有超晶格特点的耦合多量子阱结构)。

所述量子阱结构中，发光的窄禁带宽度的单量子阱结构100复合宽禁带宽度的多量子阱结构200，能够显著提高较低禁带宽度量子阱的辐射复合效率，进而可以很好地提高长波长LED的发光效率。

所述量子阱结构10可通过多个耦合阱的阱宽不同或耦合阱的合金材料组分不同、多个窄垒的垒宽不同或多个窄垒的合金材料组分不同以及基本周期性结构和基本多量子阱结构、基本超晶格结构组合的方式，来产生多色光以及白光。

请参阅图2，本发明第二实施例提供一种发光二极管外延结构20，其包括衬底21、成核层22、不掺杂的氮化物缓冲层23、N型电子注入层24、P型空穴注入层25及所述量子阱结构10，所述量子阱结构10位于所述N型电子注入层24和所述P型空穴注入层25之间。

本实施例中，所述发光二极管外延结构20为GaN基LED外延结构。

优选地，所述衬底21包括可以为Si衬底、SiC衬底或蓝宝石衬底。

优选地，所述成核层22的材料为GaN或AlxGa1-xN(0≤x≤0.2)，当然，也可以为GaN和AlxGa1-xN(0≤x≤0.2)的组合。

优选地，所述氮化物缓冲层23的材料为GaN、AlxGa1-xN和InxGa1-xN中的一种或多种，其中，0≤x≤0.2。

优选地，所述N型电子注入层24的材料为N型掺杂的GaN、AlxGa1-xN和InxGa1-xN中的一种或多种，其中，0≤x≤0.2。

优选地，所述P型空穴注入层25的材料是P型掺杂的GaN、AlxGa1-xN和InxGa1-xN中的一种或多种，其中，0≤x≤0.2。

所述GaN基LED外延结构中，所述量子阱结构10为复合式结构，即包括靠近P掺杂区的单量子阱结构100及靠近N掺杂区的多量子阱结构200。

本实施例中，所述多量子阱结构200的数目大于等于2，即所述多量子阱结构200包括至少两个量子阱。所述单量子阱结构100和所述多量子阱结构200均由含铟和镓的氮化物构成。具体地，所述单量子阱结构100的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，其中0.2<x<0.45,所述多量子阱结构200的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，其中0.05<y<0.2。进一步地，所述单量子阱结构100的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，所述多量子阱结构200的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，x>y,x-y>0.05。

可以理解的是，所述多量子阱结构200的阱宽可以相同或不同，且所述多量子阱结构200的合金材料的组分也可以相同或不同。

进一步地，所述多量子阱结构200还可包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构(即具有超晶格特点的耦合多量子阱结构)。

所述量子阱结构10可通过多个耦合阱的阱宽不同或耦合阱的合金材料组分不同、多个窄垒的垒宽不同或多个窄垒的合金材料组分不同以及基本周期性结构和基本多量子阱结构、基本超晶格结构组合的方式，来产生多色光以及白光。

以下以具体应用实施例来进行说明。

实施例1

所述发光二极管外延结构20为GaN基LED外延结构，如图2所示，包括衬底21、在所述衬底上依次形成的成核层22、不掺杂的氮化物缓冲层23、N型电子注入层24、量子阱结构10及P型空穴注入层25。

表1 高亮度绿光LED外延结构

实施例1的EL测试结果如图3所示，其中：峰值波长546nm，主波长549nm，发光强度35.7mcd。可知，所述发光二极管外延结构20能够显著提高较低禁带宽度量子阱的辐射复合效率，可以较好地提高长波长LED的发光效率。

实施例2

所述发光二极管外延结构20为GaN基LED外延结构，如图2所示，包括衬底21、在所述衬底上依次形成的成核层22、不掺杂的氮化物缓冲层23、N型电子注入层24、量子阱结构10及P型空穴注入层25。

表2 高亮度蓝光LED外延结构

实施例2的EL测试结果如图4所示，其中：峰值波长488nm，主波长489nm，发光强度166mcd。可知，所述发光二极管外延结构20能够显著提高较低禁带宽度量子阱的辐射复合效率，可以较好地提高长波长LED的发光效率。

本发明第三实施例提供一种发光二极管，其包括本发明第二实施例提供的所述发光二极管外延结构20。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种量子阱结构，其特征在于，包括靠近P掺杂区的单量子阱结构及靠近N掺杂区的多量子阱结构，所述单量子阱结构为有源层的发光区，且所述单量子阱结构的禁带宽度小于所述多量子阱结构的禁带宽度。

2.如权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于，所述多量子阱结构中量子阱的数目大于等于2。

3.如权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于，所述单量子阱结构和所述多量子阱结构的量子阱均由含铟和镓的氮化物构成。

4.如权利要求3所述的量子阱结构，其特征在于，所述单量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，其中0.2<x<0.45,所述多量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，其中0.05<y<0.2。

5.如权利要求3所述的量子阱结构，其特征在于，所述单量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_xGa_1-xN，所述多量子阱结构的量子阱的含铟和镓的氮化物为In_yGa_1-yN，x>y,x-y>0.05。

6.如权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于，所述单量子阱结构的阱宽为2nm～3nm，所述多量子阱结构的阱宽为2nm～3nm。

7.如权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于，所述单量子阱结构和所述多量子阱结构之间的垒宽为10nm～20nm，所述多量子阱结构的垒宽为10nm～20nm。

8.如权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于，所述多量子阱结构还包括基本多量子阱结构和/或基本超晶格结构。

9.一种发光二极管外延结构，其特征在于，所述发光二极管外延结构包括衬底、成核层、不掺杂的氮化物缓冲层、N型电子注入层、P型空穴注入层及如权利要求1～8任一项所述的量子阱结构，所述量子阱结构位于所述N型电子注入层和所述P型空穴注入层之间。

10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求9所述的发光二极管外延结构。