[发明专利]提高电子注入效率的氮化镓基发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化镓(GaN)系发光二极管，特别是涉及一种由两组或多组不同铟组分的n型电子耦合层的氮化镓系发光二极管。

背景技术

目前III-V族半导体光电材料被誉为第三代半导体材料。而GaN系发光二极管，由于可以通过控制材料的组成来制作出各种色光(尤其是需要高能隙的蓝光或紫光)的发光二极管(简称为“LED”)，而成为业界研究的重点。

以GaN为基础的半导体材料或器件的外延生长目前主要采用MOCVD技术。在利用MOCVD技术生长氮化物半导体(GaN、AlN、InN及它们的合金氮化物)的工艺中，由于没有与GaN晶格匹配的衬底材料，故通常采用蓝宝石作为衬底进行异质外延。然而，在蓝宝石与氮化物半导体之间存在较大的晶格失配(-13.8％)和热膨胀系数的差异，于是生长没有龟裂、表面平整的高质量氮化物半导体非常困难。目前最有效的外延生长方法通常采用两步外延生长法(参见H.Amano，N.Sawaki和Y.Toyoda等，“使用AlN缓冲层的高质量GaN薄膜的金属有机气相外延生长”，Appl.Phys.Lett.48，1986，353)，虽然晶体质量在一定程度上得到改善，但由于蓝宝石与氮化物之间的晶格失配，外延层中存在很大的应力。同时，活性发光层中铟镓氮和氮化镓之间也同样存在着较大的热失配，即在温度发生变化时，活性层中也会产生一定的应变。由于III族氮化物具有压应变特性，这些应变会在InGaN/GaN多量子阱有源区内产生很大的压应力。从而在多量子阱有源区内形成较大的压应变电场(即压电场效应(piezo-electrical field effect))，而压电场效应的存在一方面使得电子与空穴的波函数在空间上分离，从而引起辐射复合强度的减弱；另一方面由于压电场的存在，使得LED的n区费米能级抬高，甚至高于p区费米能级(Appl.Phys.Lett.，94，2009，231123)，造成电子从n区越过有源区直接到达p区发生非辐射复合。为了减少电子的过冲，早期的方法是在活性发光层前生长一层厚的低铟组分的铟镓氮插入层作为电子储蓄层，但是由于铟镓氮层的质量随着厚度的增加迅速降低，在后来的研究中将该层铟镓氮换成铟镓氮与氮化镓的量子阱或超晶格结构(参看专利CN1552104A及专利CN101174662A)。这两种结构在小电流注入的条件下对减少电子的过冲，增加电子的注入效率，起到了很好的作用。但是，随着注入电流密度的增加，由于外加电场与活性层中的压应变电场方向一致，导致n区费米能级的进一步提高，电子的过冲行为加重，仍然有大量的电子越过活性层直接到达p区。

为了减少电子在大电流注入条件下的过冲行为，提高电子的注入效率，我们在有源区活性层下方加入两组或多组由不同铟组分的铟镓氮和铝铟镓氮构成的多量子阱结构，以此作为电子耦合层。每一组量子阱结构中的铟组分是不等的，越靠近活性发光层，铟镓氮中的铟组分越高。随着铟组分的增加，铟镓氮量子阱对电子的限制作用增强，更多的电子将被束缚在电子耦合层内部，以此来减少电子的过冲。电子耦合层之间通过铝铟镓氮薄层作为隧穿势垒层。通过调节各个电子耦合层中铟镓氮量子阱层的宽度来调节量子阱中的能级，并最终达到电子在不同耦合层之间以及耦合层和活性发光层之间的能级共振；通过调节铝铟镓氮隧穿势垒层的厚度，提高电子在共振能级间的隧穿几率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化镓系发光二极管，通过该结构设计可以增加大电流注入下对电子的限制，减少电子的过冲，从而提高电子的注入效率，以此提高发光二极管的发光效率。

本发明提供一种提高电子注入效率的氮化镓系发光二极管，其包括：

一衬底；

一氮化镓成核层，该氮化镓成核层制作在衬底上；

一缓冲层，该缓冲层制作在氮化镓成核层上；

一n型接触层，该n型接触层制作在缓冲层上，在该n型接触层的上面的一侧形成一台面，该n型接触层由n型氮化镓构成；

一下多周期n型电子耦合层，该下多周期n型电子耦合层制作在n型接触层上台面另一侧的上面；

一下隧穿势垒层，该下隧穿势垒层制作在下多周期n型电子耦合层上；

一上多周期n型电子耦合层，该上多周期n型电子耦合层制作在下隧穿势垒层上；

一上隧穿势垒层，该上隧穿势垒层制作在上多周期n型电子耦合层上；

一多周期活性发光层，该活性发光层制作在上隧穿势垒层上；

一负电极，该负电极制作在n型接触层的台面上；

一p型电子阻挡层，该p型电子阻挡层制作在多周期活性发光层上；