专利名称：一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种发光二极管，尤其涉及一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管。
现在国际上普遍应用的GaN基发光二极管中的多量子阱结构如
图1所示，图中的InGaN/GaN多量子阱122，由GaN势垒123和InGaN势阱124多层交叠而成，其上形成有p型掺杂的AlGaN层121，其下形成有n型掺杂的AlGaN层120。
上述结构在生长InGaN/GaN多量子阱122时，GaN势垒123上掺Si，这样可以提高GaN的晶体质量，同时促使量子阱中的In凝聚成In团，使二极管发光增强。但这种结构也存在明显的缺点由于势垒掺Si在量子阱中引入了n型杂质，使得p-n结偏离InGaN/GaN多量子阱区，在发光二极管工作于正向偏压时，量子阱区的少数载流子为空穴，空穴在扩散过程中与电子复合发光，但由于空穴的迁移率很低，扩散长度很小，发生辐射复合的电子与空穴数目也相应减少；相反，p型掺杂的GaN层中的少数载流子为电子，其扩散长度很长，这就使复合区域大部分位于p型掺杂的GaN层中，随着载流子注入的增加，俄歇过程成为主要的复合形式，从而极大降低了辐射复合的效率，限制了以InGaN/GaN多量子阱为有源区的LED发光强度的进一步提高。
本实用新型要解决的技术问题是提供一种包含GaN基多量子阱结构的发光二极管，使电子与空穴主要在量子阱中通过辐射复合发光，以进一步提高发光二极管的发光效率。
为了达到上述目的，本实用新型提供一种具有多量子阱结构的发光二极管，包括多量子阱结构；在所述多量子阱结构之上的p型掺杂的GaN层、透明电极及p型欧姆接触；在所述多量子阱结构之下的n型掺杂的GaN层、GaN缓冲层、n型欧姆接触及衬底；其特征在于该多量子阱结构包含N个量子阱，该量子阱包括p型掺杂的势垒层及不掺杂的势阱层，该垫垒层的厚度为大于1nm且小于500nm之间的任意值，该势阱层的厚度为大于1nm且小于100nm之间的任意值，且该势阱层的带隙小于该势垒层。
上述方案中，其特点是该多量子阱结构还包括在该N个量子阱之上的p型掺杂的AlGaN层，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值；以及在该N个量子阱之下的n型掺杂的AlGaN层，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值。
上述方案中，其特点是该多量子阱结构还包括在该p型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层；以及在该n型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层，该两个GaN隔离层的厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值。
本实用新型GaN基多量子阱发光二极管结构与常规的GaN基发光二极管结构相比，有明显的优点量子阱区p型掺杂，可以有效地调整p-n结的位置，使之位于多量子阱区域，对量子阱区两侧生长的不掺杂的GaN隔离层的厚度进行调整，也可以有效地调整p-n结的位置；当发光二极管正常工作时，多量子阱区的少数载流子为电子，电子的迁移率较高，扩散长度大，可以在整个量子阱区与空穴发生辐射复合，大大增加效率，有效增强了发光二极管的发光强度。
此外，由于本实用新型GaN基发光二极管结构在制造时对生长设备和工艺条件无特殊要求，该结构不会使随后的生长及工艺步骤复杂化。
图2是本实用新型实施例发光二极管的剖面图；图3是本实用新型实施例发光二极管的光荧光图；图4是本实用新型实施例发光二极管的电流电压特性图；图5是本实用新型实施例发光二极管的发光亮度与电流的关系。
上述的GaN基多量子阱结构，该N个量子阱22中的N可为1到100的任一整数。
势垒层23为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜1；0＜y＜＝1；0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳为P型掺杂的GaN。在选择Al和In的摩尔含量时，要满足本层的带隙宽度大于势阱层的带隙宽度。其厚度可为大于1nm且小于500nm之间的任意值，优选值为250nm。
势阱层24为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜＝1；0＜y＜1；0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳为不掺杂的InGaN。在选择Al和In的摩尔含量时，要满足本层的带隙宽度小于势垒层的带隙宽度。其厚度为大于1nm且小于100nm之间的任意值，优选值为50nm。
p型掺杂的AlGaN层21及n型掺杂的AlGaN层20可为AlxGa1-xN，其中0＜x＜＝1，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值；p型掺杂的AlGaN层21及n型掺杂的AlGaN层20也可为由AlxGa1-xN和GaN组成的超晶格结构，其中0＜x＜＝1，其中的AlxGa1-xN势垒层，厚度为＞0nm和＜100nm之间的任意值，其中的GaN势阱层，厚度为大于0nm且小于100nm之间的任意值，其周期数均为大于等于1且小于等于50的整数。
上述p型掺杂的掺杂剂为II族元素，包括Mg、Zn，掺杂浓度为1×1016cm-3至5×1019cm-3；n型掺杂的掺杂剂为IV族元素，包括Si，掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1020cm-3。
GaN隔离层14-1及14-2的厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值，优选值为200nm。
在此实现方案的发光二极管25中，除了上面已介绍的多量子阱结构外，还包括在所述多量子阱结构之上的p型掺杂的GaN层15、透明电极16、p型欧姆接触17；及在所述多量子阱结构之下的n型掺杂的GaN层13、n型掺杂的GaN缓冲层12、GaN缓冲层11、设在n型掺杂的GaN层13上的n型欧姆接触18，以上所述结构生长在蓝宝石衬底10上。
p型掺杂的GaN层15的厚度为大于等于10nm且小于2000nm之间的任意值，其掺杂剂为II族元素，包括Mg、Zn，其掺杂浓度为1×1016cm-3至5×1019cm-3。
n型掺杂的GaN层13的厚度为大于等于100nm和小于9000nm之间的任意值，其掺杂剂为IV族元素，包括Si，其掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1020cm-3之间。
如图5所示，采用本实用新型结构的蓝光二极管的发光强度达到6mW，其前向电压为3.5V，如图4所示。
权利要求1.一种具有多量子阱结构的发光二极管，包括多量子阱结构；在所述多量子阱结构之上的p型掺杂的GaN层、透明电极及p型欧姆接触；在所述多量子阱结构之下的n型掺杂的GaN层、GaN缓冲层、n型欧姆接触及衬底；其特征在于该多量子阱结构包含N个量子阱，该量子阱包括p型掺杂的势垒层及不掺杂的势阱层，该势垒层的厚度为大于1nm且小于500nm之间的任意值，该势阱层的厚度为大于1nm且小于100nm之间的任意值，且该势阱层的带隙小于该势垒层。
2.如权利要求1所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该多量子阱结构还包括在该N个量子阱之上的p型掺杂的AlGaN层，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值；以及在该N个量子阱之下的n型掺杂的AlGaN层，其厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值。
3.如权利要求2所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该多量子阱结构还包括在该p型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层；以及在该n型掺杂的AlGaN层与该N个量子阱之间的GaN隔离层，该两个GaN隔离层的厚度为大于0nm且小于500nm之间的任意值。
4.如权利要求1、2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该N个量子阱中的N为大于等于1且小于等于100的整数。
5.如权利要求1、2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该势垒层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物；该势阱层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物。
6.如权利要求1、2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该势垒层为p型掺杂的GaN；该势阱层为不掺杂的InGaN。
7.如权利要求2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该p型掺杂的AlGaN层及n型掺杂的AlGaN层为AlxGa1-xN，或由AlxGa1-xN和GaN组成的超晶格结构，其中0＜x＜＝1。
8.如权利要求7所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于所述AlxGa1-xN和GaN组成的超晶格中，该AlxGa1-xN势垒层的厚度为大于0nm且小于100nm之间的任意值，该GaN势阱层的厚度为大于0nm且小于100nm之间的任意值，该超晶格的周期数为大于等于1且小于等于50的整数。
9.如权利要求1、2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于所述p型掺杂的掺杂剂为II族元素，掺杂浓度为1×1016cm-3至5×1019cm-3；所述n型掺杂的掺杂剂为IV族元素，掺杂浓度为1×1016cm-3至1×1020cm-3。
10.如权利要求1、2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该p型掺杂的GaN层的厚度为大于等于10nm且小于2000nm之间的任意值，其掺杂剂为II族元素，掺杂浓度在1×1016cm-3至5×1019cm-3之间；该n型掺杂的GaN层的厚度为大于等于100nm和小于9000nm之间的任意值，其掺杂剂为IV族元素，掺杂浓度在1×1016cm-3至1×1020cm-3之间。
11.如权利要求1、2或3所述的具有多量子阱结构的发光二极管，其特征在于该GaN缓冲层与该n型掺杂的GaN层之间还形成有n型掺杂的GaN缓冲层，该n型欧姆接触形成在该n型掺杂的GaN层上。
专利摘要本实用新型公开一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管，该二极管的多量子阱结构包括p型掺杂的AlGaN层；n型掺杂的AlGaN层；及在AlGaN层之间的由p型掺杂的GaN层与不掺杂的InGaN层组成的N个量子阱；还包括在p型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层及在n型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层，通过合理调整GaN隔离层的厚度，可以有效地调整p－n结的位置，使之位于多量子阱区域，有效增强发光二极管的发光强度。
文档编号H01L33/00GK2596556SQ0228926
公开日2003年12月31日 申请日期2002年11月22日 优先权日2002年9月30日
发明者陈弘, 于洪波, 周均铭, 贾海强, 韩英军, 黄绮 申请人:中国科学院物理研究所