具有双分级电子阻挡层的氮化物led结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光器件的领域，更具体地，涉及发光器件的光输出效率的提高。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED)是广泛应用的关键组件，所述广泛应用包括液晶显示器的背光单元、汽车的车前灯、或者一般的照明设备。例如，基于III族氮化物半导体的蓝和绿发光LED广泛地应用于这些应用中。然而，这些LED仍然在本领域中通常称作“效率下降”的现象引起的高电流注入时遭受性能下降。
[0003]标准的LED结构包括电子供给层(例如，通常η型半导体)、空穴供给层(例如，P型半导体)和有源区(例如，可以包括单个或多个量子阱的发光区域)。多量子阱结构包括量子阱和量子势皇。在文献中已经公布了效率下降的一个可能原因可能是由于所注入的电子泄露到有源区之外。为了限制该现象，由氮化铝镓(AlGaN)制成的电子阻挡层(EBL)通常被置于有源区与空穴供给层之间。从而，优选具有大能带隙的EBL，以便尽可能地限制电子泄露到有源区之外。然而，由于GaN与AlGaN之间的晶格失配，制造具有大能带隙(S卩，具有高铝成分)的EBL难以使用高质量材料生长。此外，由于在c平面氮化物异质结处(特别是有源区的最后一个量子势皇与EBL之间的界面处以及在EBL与空穴供给层之间的界面处)(如图1所示)的内部极化场，具有高铝成分的EBL将导致严重的能带弯曲。从而，这些界面处的价带呈现尖峰，这阻止了空穴被有效地注入有源区中。
[0004]因此，期望在EBL中具有高铝成分的同时减小内部极化场对空穴注入的影响并且提高材料质量，从而提高III族氮化物LED的光输出功率。
[0005]用于减小内部极化场在有源区与EBL之间的界面处的影响的已知方法是对EBL的成分进行分级并且减小价带中的尖峰。在(2012年11月28日发布的)日本专利5083817中描述了该方法。该专利教导了对来自EBL的有源区侧的铝成分的连续或离散分级导致价带中的尖峰的减小，从而提高了空穴注入。然而，在该专利中，EBL直接在有源区的最有一个量子阱的顶部生长。在该特殊情况下，即使价带中的尖峰存在于最后一个量子阱与EBL之间的界面处，该尖峰也将处于量子阱中，因此空穴将在该量子阱中累积。
[0006]然后，该价带尖峰对载流子重组合的效率的影响受到限制。此外，由于在量子阱与EBL层之间生长条件(例如，生长温度)存在差别，因此难以在有源区的最后一个量子阱的顶部直接生长EBL。使这种EBL层与量子阱直接接触的结果是该量子阱的铟成分将受到很大影响。从而，推荐在使得有源区的最后一个量子阱与EBL之间具有势皇层的同时，移除EBL的有源区侧价带中的尖峰。用于提高LED的有源区中的空穴注入的另一种已知的方法(尽管存在电子阻挡层)是对EBL的P型层侧的EBL的成分进行分级。在(2006年7月20日公布的)WO专利申请2006/074916 Al中描述了该方法。该专利申请教导了对来自EBL的P型空穴供给层侧的铝成分的连续分级可能引起极化掺杂，因此与当仅使用镁掺杂相比，实现了更高的空穴浓度。备选地，极化掺杂可以替换镁掺杂以产生空穴。
[0007]然而，为了经由极化掺杂产生空穴，EBL的厚度必须较大，通常大于100nm(如该专利申请中所描述的)。由于GaN材料和AlGaN材料之间的晶格失配，因此在标准LED结构中生长这种较大的EBL而并不由于应变松弛引起晶体质量下降是富有挑战的。这就是推荐在EBL成分中加入铟以避免应变松弛的原因。然而，在EBL中加入铟将需要使用比通常用于在商用近紫外、蓝和绿LED中生长典型的AlGaN EBL的温度更低的温度。更低的EBL生长温度将导致更低的晶体质量，这将最终影响LED性能。因此，仅加入铟不适于制造商业级的近紫外、蓝和绿LED。
【发明内容】
[0008]鉴于传统LED的上述缺陷，本发明的目的是通过提供具有高效率的LED来解决上述问题，其中，EBL具有高铝成分，因此在不牺牲空穴注入效率的情况下减少了电子泄露。
[0009]本发明试图通过减少注入的电子从有源区的泄露来提高半导体LED的内部效率。
[0010]本发明描述了一种发光二极管，该发光二极管包括多量子阱有源区和电子阻挡层，其中，在电子阻挡层的两侧对电子阻挡层的铝成分进行分级。
[0011]根据本发明的一个方面，在(Al，In，Ga)N材料系统中构造了发光二极管。
[0012]根据本发明的另一方面，电子阻挡层可以是例如AlxGa1J或InxAlyGai_x_yN。
【附图说明】
[0013]图1示出了参考LED的能带结构。
[0014]图2是根据本发明的示例性实施例的发光器件的横截面图。
[0015]图3是根据本发明的示例性实施例的图2的电子阻挡区的横截面图。
[0016]图4是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
[0017]图5示出了根据本发明的示例性实施例的参考LED和图4中所示的电子阻挡区的第一示例的能带结构。
[0018]图6A图示了根据本发明的示例性实施例的参考发光器件的IV特性和具有图4中所示的电子阻挡区的发光器件的IV特性。
[0019]图6B图示了根据本发明的示例性实施例的参考发光器件的内部量子效率和具有图4中所示的电子阻挡区的发光器件的内部量子效率。
[0020]图7图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区中的最大铝成分比率(fract1n)的不同值的在电流密度50A/cm2条件下的归一化内部量子效率。
[0021]图8图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区中的升级(upgraded)层的不同厚度的在电流密度50A/cm2条件下的归一化内部量子效率。
[0022]图9A图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区的升级层和降级(downgraded)层的不同厚度的在电流密度50A/cm2条件下的归一化内部量子效率。
[0023]图9B示出了根据本发明的示例性实施例的针对图8A中所示的电子阻挡层的能带结构。
[0024]图10图示了根据本发明的示例性实施例的针对电子阻挡区的升级层和中间层的不同厚度的在电流密度50A/cm2条件下的工作电压。
[0025]图11是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
[0026]图12是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
[0027]图13是根据本发明的示例性实施例的图2的另一电子阻挡区的横截面图。
[0028]图14是根据本发明的示例性实施例的发光二极管的平面图和横截面图。
[0029]图15是根据本发明的示例性实施例的发光二极管的能带示意图。
【具体实施方式】
[0030]将参照附图描述本发明的优选实施例。
[0031]可以通过任意适当的方式并且在本领域公知的任意适当的衬底上生长本发明的器件，衬底包括但不限于:蓝宝石(例如，C-平面、a-平面、m-平面、r-平面和其他面)、硅(例如，(111)平面和(100)平面)、GaN(例如，C-平面、a-平面、m-平面、r-平面和其他面)、或SiC的各个面。可以使用斜(off-angled)衬底(例如，相对于c_平面蓝宝石倾斜0.35度或者相对于C-平面GaN倾斜2度)。衬底的面可以是平的或有图案的。
[0032]将参照图2描述本发明的示例性实施例。图2示出了在(Al，In，Ga)N材料系统中制造的发光二极管的示意图，并且可以包含蓝宝石衬底201、置于蓝宝石衬底201顶部的η型(Al，In，Ga)N层202、置于η型层202顶部的发光区203、置于发光区203顶部的(Al，In，Ga)N电子阻挡层204、以及第一 ρ型(Al，In，Ga)N层205。
[0033]如本文所使用的，发光器件的发光区是指多数电载流子和少数电载流子(例如，空穴和电子)重组以发光的区域。通常，有源区可以包括量子阱结构，其中，量子阱的总数至少为1，并且更优选地，大于2，更优选地，大于6，优选地，小于20，并且更优选地，小于14，并且量子阱层是在(Al，In，Ga)N材料系统中构造的。
[0034]电子阻挡层204可以是非掺杂的，但是优选地用镁掺杂，例如，它是P型的。
[0035]通常，本发明的一个方面是基于III族氮化物的发光器件。在示例性实施例中，器件包括η型半导体层；第一 ρ型半导体层；有源区；电子阻挡区，该电子阻挡区包括位于有源区与第一 P型半导体层之间的AlGalnN，并且至少包括升级层和降级层。电子阻挡区的升级层的铝成分从有源区侧向电子阻挡区的第一 P型半导体层侧增加，并且电子阻挡区的降级层的铝成分从有源区侧向电子阻挡区的第一P型半导体层侧减小。基于氮化物的发光器件可以是发光二极管或激光二极管。基于氮化物的发光器件可以是发光二极管或激光二极管。
[0036]图3中示出了根据本发明的第一实施例具有3个层的电子阻挡区204的示例，并且可以包含:升级层301、置于升级层301上的中间层302、以