專利名稱：具有不對稱諧振隧道的發(fā)光二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光二極管(LED)。
發(fā)射紅、綠、藍、紅外、和紫外光的半導體LED出現(xiàn)在市場已有許多年。為在LED中產(chǎn)生光，采用了電子和空穴在有源層中的輻射復合。有源層可以是通常的p-n結(jié)、異質(zhì)結(jié)、單量子阱或多量子阱。在某些LED中，用單量子阱或多量子阱作有源層。為制造高效器件，應使有源層內(nèi)復合的載流子數(shù)最大，而使有源層外復合的載流子數(shù)最小。這便要求優(yōu)化進入有源層的電子和空穴的俘獲率。半導體中，通?？昭ǖ挠行з|(zhì)量比電子大得大，而遷移率比電子小得多。因此，未被俘獲到有源層中的一些電子逸出有源層，在其外復合。所以，妨礙了高效LED器件的制造。
本發(fā)明提供一種基于具有不對稱隧道的雙阱系統(tǒng)的LED設計，該系統(tǒng)包括第一和第二耦合阱，即，寬阱(WW)和有源量子阱(QW)，這些阱通過能夠透過電子而阻擋空穴的諧振隧道勢壘(RTB)耦合。寬阱和有源量子阱都可以由單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
本發(fā)明可以增大俘獲在具有量子阱的有源層中的電子數(shù)，可以制造高效LED。
LED例如可以是GaN LED、GaAs LED、AlGaInP或ZnSe LED。更一般說，LED可以是利用Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族半導體的LED。
如果LED是GaN LED，寬阱可以包括InGaN，諧振隧道勢壘包括GaN，量子阱包括InGaN。
p-接觸層可以是GaN、p-AlxGa1-xN和p-型多晶GaN。
p-接觸層可以利用Mg和Al中的一種或兩種，通過等電子雙摻雜而被摻雜。
LED的襯底可以去掉，或已通過濕法腐蝕或激光磨蝕去掉。
歐姆接觸可以在LED結(jié)構(gòu)上部和下部，或都在上部。
兩阱之間的諧振隧道是指WW底部的能級位置必須等于有源QW的最小次能帶的能級位置。通過調(diào)節(jié)WW和QW中的合金組分，并選擇合適的QW寬度，可以解決該問題。
這種設計的基礎(chǔ)是例如GaN中的電子空穴的質(zhì)量不平衡。
可以使有源QW中的電子次能帶位置固定于WW的底部，同時，使QW中最小次能帶對于空穴來說保持低于WW的底部，從而禁止空穴透過，同時WW中沒有熱激發(fā)。重要的是，由于它們較重的質(zhì)量，對所選勢壘寬度來說，少量的熱激發(fā)空穴不能隧穿到WW中。
以下是對該結(jié)構(gòu)的介紹-由于電子從WW直接隧穿到QW中，所以提高了到有源QW的電子俘獲效率-抑制了電子到p型層的漏電-消除了有源層外產(chǎn)生的雜光-由于失配減輕(～4倍)，所以，用WW作良好的電流傳輸層，意味著有源QW質(zhì)量的提高。原因是生長于高張力應變薄GaN勢壘層上的有源In0.2Ga0.8N(例如)QW的晶格常數(shù)接近In0.15Ga0.85N(例如)WW-由于n-GaN/In0.15Ga0.85N(例如)界面上具有大應力，所以WW還用作螺旋位錯的停止層-不需要使用電子阻擋層作該技術(shù)中的構(gòu)成部分-由于對于例如GaN LED中的較薄n-GaN層來說，我們希望獲得相同質(zhì)量的有源QW，所以生長時間減少最后，與常規(guī)結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)應該能制造更便宜且更有效的LED。
下以結(jié)合附圖以例子的方式介紹本發(fā)明，各附圖中

圖1、3、5、7、8和9是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的例子，圖2、4、和6分別是圖1、3和5所示結(jié)構(gòu)的簡化能帶圖。
圖1示出了第一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是基于具有不對稱隧道的雙阱系統(tǒng)的GaN藍光LED設計。所說系統(tǒng)包括兩個耦合阱寬阱(WW)和有源量子阱(QW)。這些阱通過能透過電子而阻擋空穴的諧振隧道勢壘(RTB)耦合。表1列出了以該第一結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的藍光LED的各參數(shù)。表2列出了以該第一結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的綠光LED的各參數(shù)。
表1
表2
圖3示出了與第一結(jié)構(gòu)類似的第二結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)具有額外的p-Al0.1Gax-0．1N電子阻擋層，用于進一步減少電子流漏電。
圖5示出了與第二結(jié)構(gòu)類似的第三結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)沒有p-GaN層。
p-Al0.1Gax-0．1N電子阻擋層用作接觸。這樣將減小p型層的厚度，促進空穴注入有源層，改善光通過寬帶隙窗口的引出。
圖7示出了第四結(jié)構(gòu)，除淀積額外的多晶GaN層，以制造有效的p-型歐姆結(jié)構(gòu)外，該結(jié)構(gòu)與第一、第二和第三結(jié)構(gòu)類似。
該圖示結(jié)構(gòu)是具有額外的多晶GaN層的第一結(jié)構(gòu)的改進型。
圖8示出了基于具有電荷不平衡諧振隧道的雙阱系統(tǒng)的AlGaInP基LED。該LED具有厚100-300微米的n-型GaAs襯底和所附著的金屬接觸。該襯底上，淀積有n-型GaAs緩沖層。n-接觸層淀積于緩沖層上，由0.3-1微米厚的n-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，摻雜濃度為5×1017-1020cm-3。在該層上，外延生長有由單未摻雜層或多量子阱結(jié)構(gòu)構(gòu)成的電子發(fā)射寬阱。未摻雜電子發(fā)射層可由0.02-0.2微米厚的(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0.2≤x≤0．5。多量子阱結(jié)構(gòu)可由小于1微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP／(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4。然后，外延淀積由10-100埃厚的未摻雜(AlxGa1-x)0.5In0.5P層構(gòu)成的電荷不平衡諧振隧道勢壘，其中0.7≤x≤1。優(yōu)化勢壘的寬度和高度，以允許電子從電子注入寬阱層到有源阱的諧振隧穿，同時阻擋空穴從有源阱隧穿到電子注入層。有源阱層可以是單量子阱(SQW)結(jié)構(gòu)或多量子阱(MQW)結(jié)構(gòu)。SQW結(jié)構(gòu)可以由小于200埃厚的未摻雜(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0≤x≤0.4。MQW結(jié)構(gòu)可以由小于3微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP/(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4?？昭òl(fā)射層由p-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1。窗層由p-型InxGa1-xP構(gòu)成，其中x≤0.1。在空穴發(fā)射層上，淀積有金屬歐姆接觸。表3列出了基于電荷不平衡諧振隧道結(jié)構(gòu)的AlInGaP LED的各參數(shù)。
表3
圖9示出了第五結(jié)構(gòu)，除沒有襯底和歐姆接觸位于該結(jié)構(gòu)的上部和下部外，該結(jié)構(gòu)與第一、第二、第三和第四類似。額外的厚GaN層淀積于GaN緩沖層上，以便在利用193或248nm UV范圍的準分子激光去掉了藍寶石襯底后，該結(jié)構(gòu)能獨立存在。
權(quán)利要求
1.一種基于具有電荷不平衡諧振隧道的雙阱系統(tǒng)的LED，包括第一和第二耦合阱，一個阱是寬阱，另一個阱是有源量子阱，這些阱通過諧振隧道勢壘耦合，該勢壘能透過電子，阻擋空穴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，該LED是GaN基LED。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的LED，其中寬阱包括InGaN，諧振隧道勢壘包括GaN，量子阱包括InGaN。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，其中有源阱是多量子阱結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，其中緩沖層是應變超晶格。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，其中p-接觸層是GaN、p-AlxGa1-xN和p-型多晶GaN中的一種。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，其中p接觸層利用Mg和Al中的一種或兩種，通過等電子雙摻雜而被摻雜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，其中襯底可以去掉，或已通過濕法腐蝕或激光磨蝕去掉。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，其中歐姆接觸都在LED結(jié)構(gòu)的上部或在上部和下部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的LED，該LED是AlGaInP基LED，包括厚100-300微米的n-型GaAs襯底；附著于襯底上的金屬歐姆接觸；n-型GaAs緩沖層，其摻雜濃度為5×1017-1019cm-3，厚度為0．1-0.3微米；n-包覆層，該層由0.3-2微米厚的n-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，摻雜濃度為5×1017-1020cm-3；電子發(fā)射層，該層包括單未摻雜電子發(fā)射層或多量子阱結(jié)構(gòu)，所說單未摻雜電子發(fā)射層由厚0.01-0.2微米的(AlxGa1-x)0.5In0.5P層構(gòu)成，其中0.2≤x≤0.5，所說多量子阱結(jié)構(gòu)由小于1微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP/(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4；電荷不平衡諧振隧道勢壘，包括～10-100埃厚的未摻雜(AlxGa1-x)0.5In0.5P層，其中0.7≤x≤1；有源阱層，該層為單量子阱結(jié)構(gòu)或多量子阱結(jié)構(gòu)，所說單量子阱結(jié)構(gòu)由小于200埃厚的未摻雜(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0≤x≤0.4，多量子阱結(jié)構(gòu)由小于1微米厚的(AlxGa1-x)1-yInyP/(Alx1Ga1-x1)1-y1Iny1P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，0.4≤y≤0.6，0≤x1≤0.4，0≤y1≤0.4；0.3-1微米厚的空穴發(fā)射層，該層由p-型(AlxGa1-x)0.5In0.5P構(gòu)成，其中0.5≤x≤1，摻雜濃度為5×1016-1018cm-3；小于12微米的窗層，該層由p-型InxGa1-xP構(gòu)成，其中x≤0.1，摻雜濃度為5×1017-5×1018cm-3；及淀積于空穴發(fā)射層上的金屬歐姆接觸。
全文摘要
一種基于具有電荷不平衡諧振隧道的雙阱系統(tǒng)的LED,包括第一和第二耦合阱,一個阱是寬阱,另一個阱是有源量子阱。這些阱通過諧振隧道勢壘耦合,該勢壘能透過電子,阻擋空穴。
文檔編號H01L33/06GK1283875SQ0011764
公開日2001年2月14日 申請日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月28日
發(fā)明者王望南, 優(yōu)利·G·施里特, 優(yōu)利·T·里班 申請人:華上光電股份有限公司