增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构

摘要

一种增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，其特征在于：将原位电子俘获发射层3或原位空穴俘获发射层4通过具有高隧穿几率的隧穿势垒层5与量子阱层2连接，层1，3或4，5和2组成一个周期，进行重复，周期数可选择从1至10，最上和最下层均为势垒层1；原位电子俘获发射层3或原位空穴俘获发射层4的厚度介于1nm至3nm。这种结构作为有源层，可以有效地增加电子或空穴的俘获几率，从而提高氮化镓基蓝绿光发光二极管内量子效率，增加其发光效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够应用于半导体发光二极管，特别是氮化镓基蓝绿光发光二极管的，能够有效增加内量子效率的新颖的量子阱结构，可用于氮化镓基蓝光发光二极管的有源区。

背景技术

半导体发光二极管具有发光效率高，寿命长，尺寸小，颜色丰富等优点，受到广泛的重视，目前在很多领域得到应用，包括交通信号灯，手机显示屏背光，按键背光，户内户外全彩显示屏，景观照明，特殊照明，等等。随着器件性能的进一步提高，半导体发光二极管将会逐渐渗透到液晶电视背光，液晶电脑显示屏背光，及普通照明等更大规模的市场。

半导体发光二极管是利用注入的电子空穴在夹于n-型掺杂区和p-型掺杂区的有源区进行辐射复合发光的。电流注入效率越高，电子空穴辐射复合几率越大，半导体发光二极管发光效率就越高。为了增加电流注入效率和电子空穴辐射复合几率，已有各种结构被提出并加以应用，例如采用量子阱结构，加入电子或空穴阻挡层，以及采用电子俘获发射层等等。这些结构各有其优点，也各有其局限性。例如量子阱结构，利用不同带隙的材料将电子或空穴限制在一定空间内，可以大大增加其辐射复合几率；但是在氮化镓基蓝绿光发光二极管中由于极化效应在量子阱中存在很强的电场，电子和空穴被空间分离导致辐射复合几率显著降低。人们通常采用较窄的量子阱结构来增加电子空穴的辐射复合几率，然而较窄的量子阱结构导致电子和空穴的俘获几率较低，导致发光二极管电流注入效率降低。再比如电子阻挡层，虽然可以增加电流注入效率，但作为电子阻挡层的材料一般较难获得且质量较低，可能降低电子空穴辐射复合几率，例如氮化镓基蓝绿光发光二极管中的AlGaN电子阻挡层。为了增加电子俘获几率而采用的电子俘获发射层，是在n型掺杂层和量子阱有源层之间插入能量带隙比较低的材料，以降低电子的动能，然后通过该层与量子阱之间较薄的势垒隧穿，增加量子阱对电子的俘获几率。其缺点有二，一是该层仅对紧邻的量子阱有显著效果，对多个量子阱结构由于势垒较厚，隧穿几率降低，靠后的量子阱不会由于该层的存在而显著增加电子俘获几率；二是该层的存在可能导致量子阱层晶体质量降低，产生V型缺陷，增加漏电流，减少辐射复合几率。

参考文献

1.S.Nakamura and G.Fasol，The blue laser diode(Springer，Berlin，1997)

2.S.Nakamura，T.Mukai，and M.Seno，Jpn.J.Appl.Phys.，Part 2，30，L1998(1991)

3.United States Patent.5777350

4.United States Patent，6534797 B1

发明内容

本发明的目的是提供一种增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，这种结构作为有源层，可以有效地增加电子或空穴的俘获几率，从而提高氮化镓基蓝绿光发光二极管内量子效率，增加其发光效率。

本发明的技术方案是：一种增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，其特征在于：将原位电子俘获发射层3或原位空穴俘获发射层4通过具有高隧穿几率的隧穿势垒层5与量子阱层2连接，层1，3或4，5和2组成一个周期，进行重复，周期数可选择从1至10，最上和最下层均为势垒层1；

原位电子俘获发射层3或原位空穴俘获发射层4的厚度介于1nm至3nm。

如上所述的增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，其特征在于：

层1是势垒层，采用氮化镓，厚度介于5nm至20nm之间：

层3是原位电子俘获发射层，层4是原位空穴俘获发射层，均由氮化铟镓合金组成，铟组分介于3％至10％之间；

层5是隧穿势垒层，由氮化镓组成，厚度为1nm；

层2是量子阱层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至5nm之间，铟组分介于15％至25％之间，对应发光波长介于450nm至500nm之间；

如上所述的增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，其特征在于：

原位电子俘获发射层3或原位空穴俘获发射层4的铟组分介于5％至15％之间。

如上所述的增加内量子效率的半导体发光二极管的量子阱结构，其特征在于：

量子阱层2的铟组分介于25％至45％之间，对应发光波长介于500nm至550nm之间。

本发明所述的“介于”包括本数。

有益效果：

本发明与已有的具有电子俘获发射层的蓝绿光发光二极管的量子阱结构相比的区别与优点在于：已有的具有电子俘获发射层的蓝绿光发光二极管的量子阱结构，  电子俘获发射层3仅位于量子阱有源层的最前端，对靠后端的量子阱层2贡献不大，而且由于该层或由单层较厚氮化铟镓层组成或由多层较薄氮化铟镓层组成，容易引起V型缺陷产生，增加器件漏电流，降低辐射复合几率；而本发明中的量子阱结构采用原位电子3或空穴俘获发射层4，能有效增加有源层中每个量子阱层2的电子或空穴俘获效率，而且该层是单层较薄的氮化铟镓，其厚度控制在弹性应变范围内，可以避免V型缺陷的产生。

附图说明

图1-1，是本发明实施例1的用于蓝光发光二极管的具有增加电子俘获能力的量子阱结构。

图1-2，是图1-1的能带示意图。

图2-1，是本发明实施例2的用于绿光发光二极管的具有增加电子俘获能力的量子阱结构。

图2-2，是图2-1的能带示意图。

图3-1，是本发明实施例3用于蓝光发光二极管的具有增加空穴俘获能力的量子阱结构。

图3-2，是图3-1的能带示意图。

图4-1，是本发明实施例4的用于绿光发光二极管的具有增加空穴俘获能力的量子阱结构。

图4-2，是图4-1的能带示意图。

其中，1势垒层，2量子阱层，3原位电子俘获发射层，4原位空穴俘获发射层，5隧穿势垒层。

具体的实施方式

本发明的新颖的量子阱结构的实施例1-4可见图1-1至图4-1。

图1-1是用于蓝光发光二极管的具有增加电子俘获能力的量子阱结构，能带示意图1-2；其中，从上往下看，层1，3，5和2组成一个周期，进行重复，周期数可选择从1至10。层1是势垒层，采用氮化镓，厚度介于5nm至20nm之间。层2是量子阱层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至5nm之间，铟组分介于15％至25％之间，对应发光波长介于450nm至500nm之间。层3是原位电子俘获发射层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至3nm之间，铟组分介于3％至10％之间。层5是隧穿势垒层，由氮化镓组成，厚度为1nm。当电子由势垒层1通过层3注入时，由于层3采用氮化铟镓，属较窄带隙，电子能量降低，部分电子被层3俘获。由于层5很薄，层3中被俘获的电子很容易隧穿至量子阱层2，参与辐射复合。同时通过层3未被俘获的电子由于能量较低，被量子阱层2俘获的几率大大增加，从而增加了辐射复合几率。另外，通过调整电子俘获发射层3的组分及厚度，可使层3中的电子的能级与量子阱层2中的高激发能级共振，从而大大增加层3中电子隧穿至量子阱层2的几率。

图2-1是用于绿光发光二极管的具有增加电子俘获能力的量子阱结构，能带示意图2-2，其中，从上往下看，层1，3，5和2组成一个周期，进行重复，周期数可选择从1至10。层1是势垒层，采用氮化镓，厚度介于5nm至20nm之间。层2是量子阱层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至3nm之间，铟组分介于25％至45％之间，对应发光波长介于500nm至550nm之间。层3是原位电子俘获发射层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至3nm之间，铟组分介于5％至15％之间。层5是隧穿势垒层，由氮化镓组成，厚度为1nm。当电子由势垒层1通过层3注入时，由于层3采用氮化铟镓，属较窄带隙，电子能量降低，部分电子被层3俘获。由于层5很薄，层3中被俘获的电子很容易隧穿至量子阱层2，参与辐射复合。同时通过层3未被俘获的电子由于能量较低，被量子阱层2俘获的几率大大增加，从而增加了辐射复合几率。另外，通过调整电子俘获发射层3的组分及厚度，可使层3中的电子的能级与量子阱层2中的高激发能级共振，从而大大增加层3中电子隧穿至量子阱层2的几率。

图3-1是用于蓝光发光二极管的具有增加空穴俘获能力的量子阱结构，能带示意图3-2，其中，从下往上看，层1，4，5和2组成一个周期，进行重复，周期数可选择从1至10。层1是势垒层，采用氮化镓，厚度介于5nm至20nm之间。层2是量子阱层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至5nm之间，铟组分介于15％至25％之间，对应发光波长介于450nm至500nm之间。层4是原位空穴俘获发射层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至3nm之间，铟组分介于3％至10％之间。层5是隧穿势垒层，由氮化镓组成，厚度为1nm。图3-1中从下往上看，当空穴由势垒层1通过层4注入时，由于层4采用氮化铟镓，属较窄带隙，空穴能量降低，部分空穴被层4俘获。由于层5很薄，层4中被俘获的空穴很容易隧穿至量子阱层2，参与辐射复合。同时通过层4未被俘获的空穴由于能量较低，被量子阱层2俘获的几率大大增加，从而增加了辐射复合几率。另外，通过调整空穴俘获发射层4的组分及厚度，可使层4中的空穴的能级与量子阱层2中的高激发能级共振，从而大大增加层4中空穴隧穿至量子阱层2的几率。

图4-1是用于绿光发光二极管的具有增加空穴俘获能力的量子阱结构，能带示意图4-2，其中，从下往上看，层1，4，5和2组成一个周期，进行重复，周期数可选择从1至10。层1是势垒层，采用氮化镓，厚度介于5nm至20nm之间。层2是量子阱层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至5nm之间，铟组分介于25％至45％之间，对应发光波长介于500nm至550nm之间。层4是原位空穴俘获发射层，由氮化铟镓合金组成，厚度介于1nm至3nm之间，铟组分介于5％至15％之间。层5是隧穿势垒层，由氮化镓组成，厚度为1nm。当空穴由势垒层1通过层4注入时，由于层4采用氮化铟镓，属较窄带隙，空穴能量降低，部分空穴被层4俘获。由于层5很薄，层4中被俘获的空穴很容易隧穿至量子阱层2，参与辐射复合。同时通过层4未被俘获的空穴由于能量较低，被量子阱层2俘获的几率大大增加，从而增加了辐射复合几率。另外，通过调整空穴俘获发射层4的组分及厚度，可使层4中的空穴的能级与量子阱层2中的高激发能级共振，从而大大增加层4中空穴隧穿至量子阱层2的几率。