具有多量子阱和非對(duì)稱p-n結(jié)的發(fā)光二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有多量子阱的發(fā)光二極管（LED)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 圖1圖解性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有多量子阱的二極管10。
[0003] 該二極管10包括由第一 η摻雜GaN(GaN-n)層12和第二p-摻雜GaN(GaN-p)層 14形成的p-n結(jié)，其中第一 η摻雜GaN(GaN-n)層12的濃度等于IO19施主/cm3) (donors/ cm3,第二p摻雜GaN(GaN-p)層14的濃度等于2xl019受主/cm3 (acceptors/cm3)，例如這兩 個(gè)層各自的厚度為幾微米。
[0004] 在層12與層14之間設(shè)置了多個(gè)發(fā)射層16。本文中所描述的二極管10包括圖1 中不出的三個(gè)發(fā)射層16,標(biāo)記為16. 1、16. 2和16. 3,每個(gè)形成一個(gè)量子講。發(fā)射層16包括 非有意摻雜（具有剩余施主濃度nmd= 10 17Cm 3)的Inai6Gaas4N (包含16%的銦與84%的 鎵）并且厚度等于lnm。包括非有意摻雜（具有剩余施主濃度nnid= 10 17cm 3)的GaN并且 厚度等于5nm的阻擋層18 (在二極管10中有四個(gè)阻擋層，標(biāo)記為18. 1、18. 2、18. 3和18. 4) 也位于層12與層14之間。四個(gè)阻擋層18中的兩個(gè)阻擋層分別被插入在兩個(gè)連續(xù)的發(fā)射 層16之間，而其它兩個(gè)阻擋層18中的每個(gè)阻擋層分別被插入在發(fā)射層16中一個(gè)發(fā)射層與 層12之間以及發(fā)射層16中一個(gè)發(fā)射層與層14之間。
[0005] 通過在第一層12 (其隨后構(gòu)成二極管10的陰極）與第二層14 (構(gòu)成二極管10的 陽(yáng)極）側(cè)上形成電接觸來使二極管10極化。圖2中示出了由此在二極管10的不同層之間 極化的二極管10的OV帶結(jié)構(gòu)。在該圖中，單位為eV的導(dǎo)帶具有標(biāo)記20而單位也為eV的 價(jià)帶具有標(biāo)記22。圖3中示出了二極管10的I(V)特性，換言之，示出了隨二極管10的陽(yáng) 極處的電壓變化的該二極管10的陽(yáng)極處的電流密度的值。圖3示出了在二極管10的陽(yáng)極 與陰極之間施加的3. 2V的極化電壓能夠給出等于250A/cm2的二極管10的陽(yáng)極處的電流 密度，該電流密度通常對(duì)應(yīng)于非常亮的發(fā)光二極管中所需的電流密度。
[0006] 圖4示出了在二極管10的陽(yáng)極與陰極之間施加了 3. 2V的該極化電壓的情況下在 二極管10的不同層中獲得的每cm3, s的對(duì)數(shù)標(biāo)度上的輻射復(fù)合率。該圖示出了在由第三發(fā) 射層16. 3形成的量子阱中獲得了大約IO27Cm 3S 1的復(fù)合率。另一方面，在第二發(fā)射層16. 2 中該福射復(fù)合率降到大約IO23Cm3S \以及在第一發(fā)射層16. 1中降到大約IxlO19Cm3S 1C3因 此，用二極管10獲得的光發(fā)射非常差地分布在二極管10的三個(gè)量子阱之間。
[0007] 二極管10中光發(fā)射的這種不均勻分布是由于電荷尤其是空穴在不同的量子阱之 間的非均勻分布而造成的，因?yàn)榱孔于逯械妮椛鋸?fù)合率與量子阱中的空穴與電子的濃度的 乘積成正比。圖5示出了如上所述用3. 2V的電壓極化后的二極管10的不同層中獲得的每 cm3的電子（用標(biāo)記為24的十字表示）和空穴（用標(biāo)記為26的菱形表示）的濃度。從該 圖5中可以看出，電子趨于進(jìn)入到使二極管10的量子阱中的輻射復(fù)合率降低的第二GaN-p 層14中。已知的是，可以通過在第四阻擋層18. 4與第二GaN-p層14之間插入包含AlGaN 的電子阻隔層來使該問題緩和。另一方面，在該圖中還可以看出空穴不均勻地分布在量子 阱中：在由位于面向第二GaN-p層14的一側(cè)上的第三發(fā)射層16. 3形成的量子阱中每cm3存 在大約IO19個(gè)空穴，而在由第二發(fā)射層16. 2形成的量子阱中每cm3存在大約10 17個(gè)空穴， 以及在由位于面向第一 GaN-n層12的一側(cè)上的第一發(fā)射層16. 1形成的量子阱中每cm3存 在大約1〇14個(gè)空穴。然而，不同的量子阱中的電子濃度是均勻的并且等于大約IO 19Cm 3。二 極管10的光發(fā)射僅來源于由面向第二GaN-p層14的一側(cè)上的第三發(fā)射層16. 3形成的量 子阱的事實(shí)是由于空穴不均勻地分布在二極管10的不同的量子阱之中的事實(shí)而造成的。
[0008] 圖6中示出了隨二極管10中的電流密度（單位為A/cm2)變化的該二極管10的 內(nèi)量子效率，其中，二極管10的內(nèi)量子效率對(duì)應(yīng)于注入的電子數(shù)與由二極管10的量子講發(fā) 射的光子數(shù)之間的比率。從該圖中可以看出二極管10的最大內(nèi)量子效率為大約4%，并且 該最大內(nèi)量子效率是針對(duì)大約600A/cm 2的電流密度而獲得的。該內(nèi)量子效率受限于：
[0009] -在二極管10中發(fā)生的非輻射俄歇和SRH(Shockley-Read-Hall)類型的復(fù)合， [0010]-從量子阱到第二GaN-p層14的電子逃逸，
[0011]-以及還由于光發(fā)射在二極管的不同的量子阱中不均勻的事實(shí)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的一個(gè)目的是要公開一種具有多量子阱的發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管相比 于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)光二極管具有更好的內(nèi)量子效率。
[0013] 通過公開一種下述發(fā)光二極管來實(shí)現(xiàn)該目的，所述發(fā)光二極管包括：
[0014] -能夠形成所述二極管的陰極的第一 η摻雜半導(dǎo)體層和能夠形成所述二極管的陽(yáng) 極的第二P摻雜半導(dǎo)體層，使得所述第一層和所述第二層形成所述二極管的ρ-η結(jié)；
[0015] -位于所述第一層與所述第二層之間的活性區(qū)，所述活性區(qū)包括包含有半導(dǎo)體并 且能夠形成量子阱的至少兩個(gè)發(fā)射層和多個(gè)半導(dǎo)體阻擋層，使得每個(gè)發(fā)射層位于在所述發(fā) 射層的相對(duì)的兩個(gè)面處與該發(fā)射層接觸的兩個(gè)阻擋層之間；
[0016] -位于第一層與活性區(qū)之間的η摻雜半導(dǎo)體緩沖層，所述緩沖層的η摻雜半導(dǎo)體具 有小于或者等于第二層的P摻雜半導(dǎo)體的帶隙能量的大約97%的帶隙能量。
[0017] 本發(fā)明還公開一種下述發(fā)光二極管，所述發(fā)光二極管包括：
[0018] -能夠形成所述二極管的陰極的第一 η摻雜半導(dǎo)體層和能夠形成所述二極管的陽(yáng) 極的第二P摻雜半導(dǎo)體層，所述第一層和所述第二層形成所述二極管的ρ-η結(jié)；
[0019] -位于所述第一層與所述第二層之間的活性區(qū)，所述活性區(qū)包括包含有半導(dǎo)體并 且能夠形成量子阱的至少兩個(gè)發(fā)射層和多個(gè)半導(dǎo)體阻擋層，使得每個(gè)發(fā)射層位于在所述發(fā) 射層的相對(duì)的兩個(gè)面處與該發(fā)射層接觸的兩個(gè)阻擋層之間；
[0020] -位于第一層與活性區(qū)之間的η摻雜半導(dǎo)體緩沖層，所述緩沖層的η摻雜半導(dǎo)體具 有小于或者等于第二層的P摻雜半導(dǎo)體的帶隙能量的大約97%的帶隙能量；
[0021] 其中，所述阻擋層的半導(dǎo)體為InxGa1 ΧΝ，所述緩沖層的半導(dǎo)體為InzGa1 ΖΝ，以及所 述發(fā)射層的半導(dǎo)體為InyGa1 ΥΝ，其中X、y以及ζ為使得0. 025 < X，并且0. 025 < ζ，并且 0.1 < y，并且x〈y，并且z〈y的實(shí)數(shù)；或者
[0022] 其中，當(dāng)所述二極管包括m個(gè)阻擋層時(shí)，所述阻擋層中的每個(gè)阻擋層的半導(dǎo)體為 InxiGa1 XiN，其中i為1與m之間的整數(shù)，所述緩沖層的半導(dǎo)體為InzGa1 ZN，以及所述發(fā)射層 的半導(dǎo)體為InyGa1 YN，其中Xi、y以及z為使得0. 025彡z，并且0. 1彡y，并且Xi〈y，并且z〈y 的實(shí)數(shù)，并且其中，每個(gè)阻擋層的半導(dǎo)體中的銦組分X1與其它阻擋層的銦組分不同，這些銦 組分逐漸變化并且從第一值X1開始減小直至另一值X "，所述第一值X1對(duì)應(yīng)于所述阻擋層中 與所述緩沖層接觸的一個(gè)阻擋層的半導(dǎo)體中的銦組分且X1S z，所述另一值X "對(duì)應(yīng)于所述 阻擋層中與所述第二層接觸的一個(gè)阻擋層的半導(dǎo)體中的銦組分且Xni〈Xl，并且其中m多3。
[0023] 和根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有多量子阱的發(fā)光二極管不同，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管包 括下述η摻雜半導(dǎo)體緩沖層，該η摻雜半導(dǎo)體緩沖層導(dǎo)致二極管的結(jié)構(gòu)中的非對(duì)稱，并且更 具體地導(dǎo)致二極管的ρ-η結(jié)中的非對(duì)稱，這是由于該η摻雜半導(dǎo)體緩沖層的帶隙能量小于 或者等于第二層的帶隙能量的大約97%，換言之，使得緩沖層的帶隙比ρ-η結(jié)的第二ρ摻 雜半導(dǎo)體層的帶隙小至少3% (Eg11。彡0.97Egm)。這種非對(duì)稱利于二極管中的空穴的循 環(huán)，使得在二極管的活性區(qū)中的不同的量子阱中可以獲得均勻的載流子（電子和空穴）的 分布。這導(dǎo)致了二極管的不同量子阱中的均勻的光發(fā)射，并且因此導(dǎo)致了二極管的更好的 內(nèi)量子效率。
[0024] 優(yōu)選地，緩沖層帶隙比發(fā)射層或者量子阱的帶隙大至少2%，由此改進(jìn)量子阱中的 限制（Eg n。彡 1.02Eg106)〇
[0025] 所述第一層的η摻雜半導(dǎo)體和/或所述第二層的p摻雜半導(dǎo)體可以為GaN，和/或 所述發(fā)射層的半導(dǎo)體和/或所述阻擋層的半導(dǎo)體和/或所述緩沖層的半導(dǎo)體可以為InGaN。
[0026] 緩沖層（例如包含InGaN)的η摻雜半導(dǎo)體中的銦濃度可以比例如包括GaN (在這 種情況下，在第二層的P摻雜半導(dǎo)體中的銦濃度為零）或者InGaN的第二層的ρ摻雜半導(dǎo) 體中的銦濃度多至少2. 5%。
[0027] 所述緩沖層和所述第一層可以包括具有相同組分和/或摻雜的半導(dǎo)體。因此，第 一層的η