具有雙分級(jí)電子阻擋層的氮化物led結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]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(chē)的車(chē)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(chēng)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。
[0003]標(biāo)準(zhǔn)的LED結(jié)構(gòu)包括電子供給層(例如，通常η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(shì)皇。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(S卩，具有高鋁成分)的EBL難以使用高質(zhì)量材料生長(zhǎng)。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(shì)皇與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(chǎng)，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。
[0004]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(chǎng)對(duì)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。
[0005]用于減小內(nèi)部極化場(chǎng)在有源區(qū)與EBL之間的界面處的影響的已知方法是對(duì)EBL的成分進(jìn)行分級(jí)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(zhuān)利5083817中描述了該方法。該專(zhuān)利教導(dǎo)了對(duì)來(lái)自EBL的有源區(qū)側(cè)的鋁成分的連續(xù)或離散分級(jí)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(zhuān)利中，EBL直接在有源區(qū)的最有一個(gè)量子阱的頂部生長(zhǎng)。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。
[0006]然后，該價(jià)帶尖峰對(duì)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(zhǎng)條件(例如，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)皇層的同時(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(duì)EBL的P型層側(cè)的EBL的成分進(jìn)行分級(jí)。在(2006年7月20日公布的)WO專(zhuān)利申請(qǐng)2006/074916 Al中描述了該方法。該專(zhuān)利申請(qǐng)教導(dǎo)了對(duì)來(lái)自EBL的P型空穴供給層側(cè)的鋁成分的連續(xù)分級(jí)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。
[0007]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(zhuān)利申請(qǐng)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(zhǎng)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(zhǎng)典型的AlGaN EBL的溫度更低的溫度。更低的EBL生長(zhǎng)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(jí)的近紫外、藍(lán)和綠LED。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于傳統(tǒng)LED的上述缺陷，本發(fā)明的目的是通過(guò)提供具有高效率的LED來(lái)解決上述問(wèn)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。
[0009]本發(fā)明試圖通過(guò)減少注入的電子從有源區(qū)的泄露來(lái)提高半導(dǎo)體LED的內(nèi)部效率。
[0010]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(duì)電子阻擋層的鋁成分進(jìn)行分級(jí)。
[0011]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。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電子阻擋層可以是例如AlxGa1J或InxAlyGai_x_yN。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1示出了參考LED的能帶結(jié)構(gòu)。
[0014]圖2是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的發(fā)光器件的橫截面圖。
[0015]圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖2的電子阻擋區(qū)的橫截面圖。
[0016]圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖2的另一電子阻擋區(qū)的橫截面圖。
[0017]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的參考LED和圖4中所示的電子阻擋區(qū)的第一示例的能帶結(jié)構(gòu)。
[0018]圖6A圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的參考發(fā)光器件的IV特性和具有圖4中所示的電子阻擋區(qū)的發(fā)光器件的IV特性。
[0019]圖6B圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的參考發(fā)光器件的內(nèi)部量子效率和具有圖4中所示的電子阻擋區(qū)的發(fā)光器件的內(nèi)部量子效率。
[0020]圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的針對(duì)電子阻擋區(qū)中的最大鋁成分比率(fract1n)的不同值的在電流密度50A/cm2條件下的歸一化內(nèi)部量子效率。
[0021]圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的針對(duì)電子阻擋區(qū)中的升級(jí)(upgraded)層的不同厚度的在電流密度50A/cm2條件下的歸一化內(nèi)部量子效率。
[0022]圖9A圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的針對(duì)電子阻擋區(qū)的升級(jí)層和降級(jí)(downgraded)層的不同厚度的在電流密度50A/cm2條件下的歸一化內(nèi)部量子效率。
[0023]圖9B示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的針對(duì)圖8A中所示的電子阻擋層的能帶結(jié)構(gòu)。
[0024]圖10圖示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的針對(duì)電子阻擋區(qū)的升級(jí)層和中間層的不同厚度的在電流密度50A/cm2條件下的工作電壓。
[0025]圖11是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖2的另一電子阻擋區(qū)的橫截面圖。
[0026]圖12是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖2的另一電子阻擋區(qū)的橫截面圖。
[0027]圖13是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的圖2的另一電子阻擋區(qū)的橫截面圖。
[0028]圖14是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的發(fā)光二極管的平面圖和橫截面圖。
[0029]圖15是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的發(fā)光二極管的能帶示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0031]可以通過(guò)任意適當(dāng)?shù)姆绞讲⑶以诒绢I(lǐng)域公知的任意適當(dāng)?shù)囊r底上生長(zhǎng)本發(fā)明的器件，襯底包括但不限于:藍(lán)寶石(例如，C-平面、a-平面、m-平面、r-平面和其他面)、硅(例如，(111)平面和(100)平面)、GaN(例如，C-平面、a-平面、m-平面、r-平面和其他面)、或SiC的各個(gè)面?？梢允褂眯?off-angled)襯底(例如，相對(duì)于c_平面藍(lán)寶石傾斜0.35度或者相對(duì)于C-平面GaN傾斜2度)。襯底的面可以是平的或有圖案的。
[0032]將參照?qǐng)D2描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。圖2示出了在(Al，In，Ga)N材料系統(tǒng)中制造的發(fā)光二極管的示意圖，并且可以包含藍(lán)寶石襯底201、置于藍(lán)寶石襯底201頂部的η型(Al，In，Ga)N層202、置于η型層202頂部的發(fā)光區(qū)203、置于發(fā)光區(qū)203頂部的(Al，In，Ga)N電子阻擋層204、以及第一 ρ型(Al，In，Ga)N層205。
[0033]如本文所使用的，發(fā)光器件的發(fā)光區(qū)是指多數(shù)電載流子和少數(shù)電載流子(例如，空穴和電子)重組以發(fā)光的區(qū)域。通常，有源區(qū)可以包括量子阱結(jié)構(gòu)，其中，量子阱的總數(shù)至少為1，并且更優(yōu)選地，大于2，更優(yōu)選地，大于6，優(yōu)選地，小于20，并且更優(yōu)選地，小于14，并且量子阱層是在(Al，In，Ga)N材料系統(tǒng)中構(gòu)造的。
[0034]電子阻擋層204可以是非摻雜的，但是優(yōu)選地用鎂摻雜，例如，它是P型的。
[0035]通常，本發(fā)明的一個(gè)方面是基于III族氮化物的發(fā)光器件。在示例性實(shí)施例中，器件包括η型半導(dǎo)體層；第一 ρ型半導(dǎo)體層；有源區(qū)；電子阻擋區(qū)，該電子阻擋區(qū)包括位于有源區(qū)與第一 P型半導(dǎo)體層之間的AlGalnN，并且至少包括升級(jí)層和降級(jí)層。電子阻擋區(qū)的升級(jí)層的鋁成分從有源區(qū)側(cè)向電子阻擋區(qū)的第一 P型半導(dǎo)體層側(cè)增加，并且電子阻擋區(qū)的降級(jí)層的鋁成分從有源區(qū)側(cè)向電子阻擋區(qū)的第一P型半導(dǎo)體層側(cè)減小?；诘锏陌l(fā)光器件可以是發(fā)光二極管或激光二極管?；诘锏陌l(fā)光器件可以是發(fā)光二極管或激光二極管。
[0036]圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例具有3個(gè)層的電子阻擋區(qū)204的示例，并且可以包含:升級(jí)層301、置于升級(jí)層301上的中間層302、以