專利名稱：一種GaN基LED結構及提高其光電轉換效率的方法
技術領域：
本發明涉及光電子器件技術領域，特別是涉及一種GaN基LED結構及提高其光電轉換效率的方法。
背景技術：
現有的GaN基LED結構如圖1所示，從下至上包括以下幾個部分:在襯底上生長非摻雜的u型GaN層、η型摻雜η型GaN、在η型GaN上刻蝕出來的η電極、多量子阱有源區(Mult1-Quantum Wells, MQff)> ρ型摻雜的ρ型GaN、透明電極ITO和ρ電極。在上述結構中，電流分布嚴重不均勻。如圖1所示的箭頭所示，每一根電場線可以看成一個串聯電阻，這樣LED的剖面圖可以看成許多串聯電阻的并聯電路，在同一外加電壓下，電阻越小，電流就越大，越靠近η電極電阻越小，結果在η型GaN層平面上越靠近η電極電流密度越大，越遠離η電極電流密度越小，在多量子阱有源區MQW中，遠離η電極區域因電子供給不足而不能充分發光，這樣一顆LED有較大部分不能充分利用，其光電轉換效率大大降低。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種GaN基LED結構及提高其光電轉換效率的方法，用于解決現有GaN基LED結構的光電轉換效率低的問題。本發明解決上述技術問題的技術方案如下:一種GaN基LED結構，從上至下依次包括P電極、透明電極、P型GaN層、多量子阱有源區、η型GaN層、在η型GaN層上刻蝕的η電極、第一 u型GaN層和襯底，且在所述多量子阱有源區和所述η型GaN層之間插入第二 u型GaN層，或者在所述多量子阱有源區和所述η型GaN層之間插入由u型AlxGa1J層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，其中χ表示AlxGai_xN中鋁的成分，且χ的取值范圍為O < χ < I。在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步,所述第二 u型GaN層或所述超晶格層的厚度為100nm-300nm。進一步，所述第二 u型GaN層或所述u型AlxGa1J層的硅摻雜濃度小于5 X 1017cnT3，所述低摻雜η型GaN層的硅摻雜濃度小于IX 1018cnT3。進一步，所述的GaN 基 LED 結構通過 MOCVD (Metal-organic Chemical VaporDeposition,金屬有機化學氣相沉積)或MBE (Molecular Beam Epitaxy,分子束外延)系統依次逐層生長。對應上述GaN基LED結構，本發明的技術方案還給出了一種提高GaN基LED結構光電轉換效率的方法，包括:步驟I,構建傳統的GaN基LED結構:從上至下依次包括P電極、透明電極、P型GaN層、多量子阱有源區、η型GaN層、在η型GaN層上刻蝕的η電極、第一 u型GaN層和襯底；步驟2，對步驟I構建的GaN基LED結構進行改進:在所述多量子阱有源區和所述η型GaN層之間插入第二 u型GaN層，或者在所述多量子阱有源區和所述N型GaN層之間插入由u型AlxGa1J層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，其中χ表示AlxGa1J中招的成分，且χ的取值范圍為O彡χ彡I ;步驟3，采用MOCVD技術或MBE技術依次逐層生長步驟2中構建的GaN基LED結構。對于上述一種提高GaN基LED結構光電轉換效率的方法的技術方案，本發明還可以做如下改進。進一步，所述第二 u型GaN層或所述超晶格層的厚度為100nm-300nm。進一步，所述第二 u型GaN層或所述u型AlxGa1J層的硅摻雜濃度小于5 X 1017cnT3，所述低摻雜η型GaN層的硅摻雜濃度小于IX 1018cnT3。本發明的有益效果是:本發明在傳統GaN基LED結構中，在所述多量子阱有源區和所述η型GaN層之間插入第二 u型GaN層或者由u型AlxGa1J層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，其主要有以下幾個方面的優點:一、使得橫向的電阻差異變小，有擴展電流的作用，從而降低了 GaN基LED結構的正向電壓；二、使得沿電場線方向的電阻增大，從而可減小GaN基LED結構的反向電流；
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三、由于電流得到了擴展，正向電壓得到降低，反向電流減小，發光區域增大，因此提高了 LED的光電轉換效率。
圖1為傳統GaN基LED結構的示意圖；圖2為本發明實施例一的第一種GaN基LED結構的示意圖；圖3為本發明實施例一的第二種GaN基LED結構的示意圖。附圖中，各標號所代表的部件列表如下:Up電極，2、透明電極，3、ρ型GaN層，4、多量子阱有源區，5、η電極，6、η型GaN層，
7、第一 u型GaN層，8、襯底，9、第二 u型GaN層，10、超晶格層。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。如圖2所示，本實施例給出了一種GaN基LED結構，從上至下依次包括ρ電極1、透明電極2、ρ型GaN層3、多量子阱有源區4、η型GaN層5、η電極6、第一 u型GaN層7和襯底8，且在所述多量子阱有源區4和所述η型GaN層5中插入第二 u型GaN層9。如圖3所示，本實施例還有另外一種改進，即在所述多量子阱有源區4和所述η型GaN層5中插入超晶格層10，且所述超晶格層10是由u型AlxGa1J層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層10，其中χ表示AlxGa1J中鋁的成分，且χ的取值范圍為O彡χ彡I。在本實施例中，透明電極可采用銦錫氧化物透明電極。對應上述GaN基LED結構，本實施例還給出了一種提高GaN基LED結構光電轉換效率的方法，包括:
步驟I，構建傳統的GaN基LED結構:從上至下依次包括P電極、透明電極、P型GaN層、多量子阱有源區、η型GaN層、在η型GaN層上刻蝕的η電極、第一 u型GaN層和襯底；步驟2，對步驟I構建的GaN基LED結構進行改進:在所述多量子阱有源區和所述N型GaN層之間插入第二 u型GaN層或者插入由u型AlxGa1J層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，其中X表示AlxGahN中鋁的成分，且X的取值范圍為OSxSl;步驟3，采用MOCVD技術或MBE技術依次逐層生長步驟2中構建的GaN基LED結構。對于上述的LED結構及相應方法，其中，所述第二 u型GaN層或所述超晶格層的厚度為100nm-300nm，所述第二 u型GaN層或所述u型AlxGapxN層的硅摻雜濃度小于5 X 1017cnT3，所述低摻雜η型GaN層的硅摻雜濃度小于IX 1018cnT3。本實施例的工作原理如下所述:如圖2和圖3中的虛線箭頭所示，在現有結構中的η型GaN層與多量子阱緩沖區MQff之間插入一個u型GaN層或者插入由u型AlxGai_xN層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，相當于沿電場線方向增加了一個電阻較大的串聯電阻，使得沿電場線方向串聯電阻的差值變小，這樣電流密度分布嚴重不均勻的缺點得到消除或改善。另外，在多量子阱有源區MQW中，遠離N電極區域電子供給更加充分，這樣一顆LED的光電轉換效率大大提聞。同時，本領域人員易知，電壓與電流的關系為:V=I X R其中，V為電壓，I為電流，R為電阻。在本實施例的LED結構中電阻R雖然增大，但電流密度I分布均勻，即平均電流I較小，正向電壓V不會上升，反而下降。并且，由于增大了電阻，反向電流也會比傳統結構的更小。因此，可證明上述理論分析的正確性。綜上所述，本實施例所述的兩種LED結構使得橫向的電阻差異變小，有擴展電流的作用，從而降低了 GaN基LED正向電壓；同時，使得沿電場線方向的電阻增大，從而可減小GaN基LED反向電流。因此，由于電流得到了擴展，正向電壓得到降低，反向電流減小，發光區域增大，所述能提高LED的光電轉換效率。 以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種GaN基LED結構，從上至下依次包括P電極、透明電極、P型GaN層、多量子阱有源區、η型GaN層、在η型GaN層上刻蝕的η電極、第一 u型GaN層和襯底，其特征在于，在所述多量子阱有源區和所述η型GaN層之間插入第二 u型GaN層，或者插入由u型AlxGai_xN層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，其中χ表示AlxGai_xN中鋁的成分，且x的取值范圍為O彡X彡I。
2.根據權利要求1所述的GaN基LED結構，其特征在于，所述第二u型GaN層或所述超晶格層的厚度為100nm-300nm。
3.根據權利要求1所述的GaN基LED結構，其特征在于，所述第二u型GaN層或所述u型AlxGahN層的硅摻雜濃度小于5 X 1017cm_3，所述低摻雜η型GaN層的硅摻雜濃度小于I X IO18Cm 3O
4.根據權利要求1至3中任一所述的GaN基LED結構，其特征在于，所述的GaN基LED結構通過金屬有機化學氣相沉積或分子束外延系統依次逐層生長。
5.一種提高GaN基LED結構光電轉換效率的方法，其特征在于，包括: 步驟1，構建傳統的GaN基LED結構:從上至下依次包括ρ電極、透明電極、P型GaN層、多量子阱有源區、η型GaN層、在η型GaN層上刻蝕的η電極、第一 u型GaN層和襯底； 步驟2，對步驟I構建的GaN基LED結構進行改進:在所述多量子阱有源區和所述η型GaN層之間插入第二 u型GaN層，或者插入由u型AlxGa1J層和低摻雜η型GaN層交替生長形成的超晶格層，其中χ表示AlxGa1J中鋁的成分，且χ的取值范圍為O彡χ彡I。
6.根據權利 要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟2中的第二u型GaN層或所述超晶格層的厚度為100nm-300nm。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，所述步驟2中第二u型GaN層或所述u型AlxGahN層的硅摻雜濃度小于5X 1017cm_3，所述低摻雜η型GaN層的硅摻雜濃度小于I X IO18Cm 3O
8.根據權利要求5至7中任一所述的方法，其特征在于，所述提高GaN基LED結構光電轉換效率的方法還包括: 步驟3，采用金屬化學有機物氣相沉積技術或分子束外延技術依次逐層生長步驟2中構建的GaN基LED結構。
全文摘要
本發明涉及光電器件領域，特別是一種GaN基LED結構，從上至下依次包括p電極、透明電極、p型GaN層、多量子阱有源區、n型GaN層、在n型GaN層上刻蝕的n電極、第一u型GaN層和襯底，并且在所述多量子阱有源區和所述n型GaN層之間插入第二u型GaN層或者插入由u型AlxGa1-xN層與低摻雜n型GaN交替生長形成的超晶格層，其中x表示AlxGa1-xN中鋁的成分，且x的取值范圍為0≤x≤1。對應地，本發明還給出了一種提高GaN基LED結構光電轉換效率的方法。本發明消除或減小了GaN基LED結構橫向的電阻差異，使電流得到了擴展，正向電壓得到降低，反向電流減小，發光區域增大，因此提高了LED的光電轉換效率。
文檔編號H01L33/06GK103094441SQ201310037389
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者羅紹軍, 靳彩霞, 董志江, 艾常濤, 李鴻建, 李四明 申請人:武漢迪源光電科技有限公司