[发明专利]多量子阱结构、发光二极管和发光二极管封装件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发光领域，特别是涉及一种多量子阱结构、发光二极管以及发光二极管封装件。

背景技术

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)由于具有寿命长、耗能低等优点，应用于各种领域，尤其随着其照明性能指标日益大幅提高，LED在照明领域常用作发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。

研究人员最近取得铟氮化镓基蓝色发光二极管电光转换效率在60％左右，然而，由电子和空穴载流子复合产生光的内量子效率仍然较低。更糟的是，内量子效率通常在电流密度大大低于工作电流时达到峰值，并伴随着电流的增大而单调降低。这种现象通常称为“下垂(droop)”。为达到铟氮化镓基LED的最高效率，理解和减少“下垂”是至关重要的。人们已经提出各种导致这种“下垂”效应的可能机制，包括载流子逃逸，位错造成的损失以及俄歇效应。

具体请参考图1，其为现有的一种发光二极管的剖面示意图，所述发光二极管10为L型结构的铟氮化镓基的发光二极管，所述发光二极管10为蓝宝石衬底的发光二极管。所述发光二极管10包括：蓝宝石衬底100；依次位于蓝宝石衬底100上的n型半导体层120、多量子阱结构(MQW)130和p型半导体层140。由于蓝宝石衬底100不导电，因此，发光二极管还需要形成深度延伸至n型半导体层120的开口，其中，n型电极160位于所述开口内，用于连接n型半 导体层120和电源负极，p型电极170位于p型半导体层140上方，用于连接p型半导体层140和电源正极。其中，n型半导体层120通常由n-GaN构成，p型半导体层140通常由p-GaN构成。

请参考图2和图3，其中，图2为图1所示的多量子阱结构的剖面示意图，图3为图2所示的多量子阱结构的能带图。所述多量子阱结构130通常包括多个势垒层131以及被势垒层131隔开的多个有源层132，所述有源层也被称为势阱层或活性层，所述有源层132的导带能量和价带能量之间的能量带隙小于势垒层131的能量带隙，所述有源层132和势垒层131均由III-V半导体化合物构成。一般的，所述有源层132由In_1-xGa_xN材料构成，所述势垒层131由氮化镓构成。并且，多个有源层132的禁带宽度均相同，即多个有源层132的能量带隙Eg均相同，也就是说，每个阱的深度均是相同的。

所述发光二极管10用于发光时，将第一电极160电连接至电源负极、第二电极170电连接至电源正极，由于n型半导体层120与p型半导体层140的掺杂类型相反，n型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使电子漂移，p型掺杂的氮化镓通过外部电压驱动使空穴漂移，在PN结正向偏压下，在PN结区附近或阱里，导带中高能量的电子落到价带与空穴复合后，多余的能量以光和热的形式释放出来。通过调整材料的能带结构和能量带隙，可以改变发光二极管所发出光的波长，也就是光谱或颜色；通过调节流经发光二极管电流的大小，便可调节发光二极管光的强度。可以理解的是，尽管在所述发光二极管10中，由于采用了多量子阱结构，其相比于传统的单量子阱结构而言，载流子更加不容易逃逸，但是，这仍然不能满足需求。如何能进一步的防止载流子逃逸，从而提高发光二极管的内量子效率，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

为了解决载流子逃逸的问题，现有技术中还公开了另一种多量子阱结构。如图4所示，所述多量子阱结构通过将两端的势垒层加高的方式，来达到阻挡载流子逃逸的目的。然而，所述多量子阱结构的有源层的能量带隙Eg均相同，仅仅依靠加高势垒层，仍然不能达到较佳的抑制载流子逃逸的效果。

CN 1518137A专利申请公开了一种具有量子阱的光学器件，该具有量子阱的光学器件通过使量子阱的导带能量和价带能量具有预定的线性倾斜，或者，具有使用多个有源层的带隙阶梯结构，由此提高了电子和空穴的复合率。然而，该专利仅仅是在施加驱动电压时使电子和空穴可以均匀的分布，却不能非常有效地阻挡载流子逃逸。

CN 1567607A专利申请公开了一种具有GaN基多量子阱的发光二极管，该发光二极管的量子阱区不掺杂，量子阱区两侧生长有不掺杂的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，提高电子和空穴的复合几率。然而，该专利也仅仅使量子阱中的电子和空穴在空间上重合在一起，不能非常有效地阻挡载流子逃逸。

发明内容