CN1149684C - 高亮度发光二极管 - Google Patents
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Abstract
一种高亮度发光二极管包含具有一导电性的半导体基片，一具有N型的下限制层，一不掺杂质的磷化铝镓铟工作层或多重量子阱结构，以及带P型的上限制层结构。此上限制层结构包含四元素半导体材料磷化铝镓铟(AlxGa1-x)In1-yP在此结构中加入了一层薄而具有高电阻的材料，以改良发光二极管的亮度。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，特别是指一种磷化铝镓铟组成的高亮度发光二极管。
背景技术
磷化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yP四元素化合物是一晶格常数与一砷化镓(GaAs)基片相匹配的直接能带隙半导体。这种化合物在波长560nm至650nm之间的发光效率非常高，因此非常适合用来制造发光波长从红色到黄绿色光的发光二极管。
图1表示一常用的磷化铝镓铟发光二极管的剖面示意图，这种二极管有一n型砷化镓基片100，一n型磷化铝镓铟下限制层101，一不掺杂质的磷化铝镓铟工作层102，以及一P型的磷化铝镓铟上限制层103。由于P型的磷化铝镓铟掺入杂质浓度难以提高，此一上限制层的电阻也因而甚高，使得在由上面金属导电极注入的电流无法扩散至晶粒边缘。所以在上电极下方工作层所发出的光大都被不透明的电极吸收掉了，这种发光二极管的发光强度也因此都不高。
为了促进电流的扩散，美国第5,008,718号专利采用了一种高能带隙的磷化镓透明窗层，利用此窗层的低电阻来使电流能均匀地流散入工作层。虽然这种窗层含有高杂质的P型磷化镓材料，但由于电洞的移动率低，因此电阻值大约只比上限制层小一级次，所以此窗层的厚度必须相当厚，才足以改善电流的流散。
高厚度的透明窗层不但不易成长，而且成本亦高，为了减低窗层的厚度，美国第5,359,209号专利公开了含两层材料的窗层结构，其中包含一低能带隙含高杂质的P型砷化镓层和一高能带隙的磷化镓层。高杂质的P型砷化镓具有非常低的电阻值，其电阻大约比上限制层小于二级次。
含两层材料的窗层结构，因为有高杂质的P型砷化镓层的低电阻，所以整个窗层结构的电阻值也大为降低，使得整个窗层的厚度也得减小。但是因为加入了高杂质的P型砷化镓层，也使得这种发光二极管发光强度因为不透明的砷化镓层而降低了几个百分点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高亮度的发光二极管以及降低成长二极管的时间来改善上述常用二极管的缺点。为了达到这一目的，本发明在上限制层中加了一层很薄的高电阻层。
本发明的高亮度发光二极管包含：一N型的砷化镓基片，一带N型的磷化铝镓铟下限制层，一不掺杂质的磷化铝镓铟工作层或多重量子阱结构，以及带P型的磷化铝镓铟的上限制层结构。所述的带P型的磷化铝镓铟(AlxGa1-x)YIn1-yP上限制层结构包含三层，其中和工作层相邻的为与砷化镓基片及工作层都可以晶格相匹配的磷化铝镓铟层磷化铝镓铟(AlxGa1-x)yh1-yP，其中y＝0.51。
所述P型的上限制层结构的中层为很薄但电阻很高的磷化铝镓铟半导体化合物层，其组成可以是(AlxGa1-x)yh1-YP的半导体化合物中铝成份X近于1，铟成份1-y近于0，其杂质含量非常小或是不掺杂质。为便于制作上电极，该上限制层结构的上层为高能带隙及高导电层，其组成可以是(AlxGa1-x)YIn1-YP，其中铝成份X近于0，而铟成份1-y也近于0，铟的含量＜30％。因为有了一中层高电阻层，注入的电流被迫均匀分布在上限制层结构的上层，然后再通过中间层及下层而进入工作层，所以整个工作层可以均匀发光而使本发明的高亮度发光二极管的发光强度增强。
附图说明
图1为常用磷化铝镓铟发光二极管的剖面示意图；
图2为本发明的磷化铝镓铟高亮度发光二极管的第一种结构的剖面示意图；
图3为本发明的磷化铝镓铟高亮度发光二极管的第二种结构的剖面示意图。
具体实施方式
参照图2和图3，本发明的高亮度发光二极管包含一N型的砷化镓基片200，在该基片上成长带N型的磷化铝镓铟下限制层201，在下限制层上的是一磷化铝镓铟工作层202或者是磷化铝镓铟的多重量子阱结构302，量子阱结构302是由量子阱层3021以及障壁层3022交替叠组而成，其结构如图3所示。
本发明的发光层亦即工作层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP，其中X可以是从0到0.4，其值决定于发光的波长。如果X为0.15时，其发出光的波长约610nm，在此工作层上方是带P型的磷化铝镓铟上限制结构203。本发明的上限制层是具有三层材质的结构，其中最下层与发光层相接触的一层是由(AlxGa1-x)yIn1-yP组成的磷化铝镓铟层2031，该层的晶格常数与砷化镓相匹配以免产生位错，其中铝的成分从0.7到1以达到较好的电子限制效应。中间层是一很薄的高电阻层2032，可以利用很多不同的方式来形成此层，譬如磷化铝镓或磷化铝含有低浓度杂质，而厚度大约200埃的高电阻层3032都是适当的中间层。
一般说来，磷化铝镓铟半导体化合物的电阻在铝成分增高和杂质浓度降低时会随着增加，所以(AlxGa1-x)yIn1-yP组成的材料中铝成分高而铟成分低并含有低浓度的杂质即可为这中间层的良好选择，该电阻层2032的成分最好是0.7≤X≤1.0和0.9≤y≤1.0而组成的(AlxGa1-x)yIn1-yP。
该中间层最佳厚度为0.005μm到0.1μm，其中的组成并不一定要固定，例如用磷化铝镓铟的超晶格结构如AlP/GaP或是AlGaP/GaP或磷化铝镓铟的渐变组成，成分由(AlxGa1-x)0.51In0.49P渐变到AlGaP或AlP的材质都可以用来做为中间薄层的高电阻层2032。
上层则是以(AlxGa1-x)yIn1-yP高能带隙低电阻为材质的导电接触层2033，其中，0≤X≤0.1，而0.7≤y≤1。此一导电接触层2033的必要条件是必须有比工作层更高的能带隙以免吸收光线。除此之外，其杂质的浓度必须高而电阻值必须低以利具有高导电率磷化铝镓铟半导体化合物的形成，如果铝成分较低则较容易加入杂质以增高该层的载子浓度，最好成分是磷化铝镓铟(AlxGa1-x)yIn1-yP中含有小于10％的铝。然而，为避免吸收光，铟的成分必须小于30％。
因为该上限制层结构中含有一高电阻层2032的中间层和低电阻导电接触层2033的上层，从上面接触电极注入的电流被迫均匀流散在上导电接触层2033然后经过中间高电阻层2032和下层磷化铝镓铟层2031再到发光层。在加入了这一中间高电阻层2032之后，此一高能带隙低电阻的上导电接触层2033厚度比常用的薄，其厚度大约0.5μm至10μm。加入该高电阻层2032所造成的缺点只是正向偏压略为增加而已。
本发明的高亮度发光二极管发光强度便大为增加，以下举出几个实际实验的实施例。
实施例1
本发明的高亮度二极管结构如图2、图3所示成长在一n型砷化镓基片200上，其成长是以向[111]方向偏差2°，并含杂质浓度1×1018cm-3。n型砷化镓基片200的厚度大约350μm，先在上面成长一杂质浓度1×1018cm-3的n型砷化镓缓冲层，再将1μm厚度带n型导电性的磷化铝镓铟下限制层201成长在缓冲层上。
在n型磷化铝镓铟下限制层201的上方系以不掺杂质的磷化铝镓铟工作层202形成的发光层。该不掺杂质的磷化铝镓铟工作层202可为不掺杂质的多重量子阱结构302(如图3所示)，其结构包含多层磷化铝镓铟(AlGa)InP量子阱层3021及多层磷化铝镓铟(AlGa)InP障壁层3022交替叠组而成。
不掺杂质的磷化铝镓铟工作层202或多重量子阱结构302的上方为P型磷化铝镓铟(AlGa)InP上限制层结构203，其中包含1μm的P型磷化铝镓铟层2031，200埃的磷化铝镓或磷化铝镓铟高电阻层2032以及5μm的高杂质的P型磷化铝镓铟或磷化铟镓(In0.1Ga0.9P)的导电接触层2033。
为了便于比较，实验中也准备了一个常用的发光二极管，本发明和常用的二极管都能通以20mA的电流。比较结果发现本发明的发光二极管的电流流散极为良好，而且从晶粒上发散的光极为均匀。本发明的二极管发光强度在590nm至615nm之间大约65mcd，而传统式的二极管则只有40mcd，而本发明的二极管的正向偏压大约为2.2伏特，比常用的高约0.2伏特。
本发明的高亮度发光二极管，如果在砷化镓基片与工作层中加入分散式布拉格反射器来反射本来就会被基片吸收的光，那么发光强度则又可以增加，以下是一实验例子。
实施例2
将本发明二极管结构成长在n型的砷化镓基片300上，其成长方向是以[111]方向偏差2°，并含有杂质浓度1×1018cm-3。砷化镓基片的厚度大约为350μm，在其上先长一n型砷化镓缓冲层，该缓冲层的浓度1×1018cm-3。
一包含十二组的AlAs/GaAs分散式布拉格反射器成长在GaAs的缓冲层上，再将约1μm的n型(AlGa)InP下限制层成长在分散布拉格反射器上。该n型下限制层上方为不掺杂质的磷化铝镓铟的多重量子阱结构302做发光层，所述多层量子阱结构302包含多层的磷化铝镓铟量子阱层3021及磷化铝镓铟障壁层3022交替叠组而成。
在多重量子阱结构302的上方是P型的磷化铝镓铟3031上限制层结构，该结构包含1μm的P型磷化铝镓铟层3031，三组GaP/AlP超晶体结构用来作为高电阻层3032，以及一5μm的高杂质的磷化铝镓铟或磷化铟镓(In0.1Ga0.9P)导电接触层3033。以两种不同厚度的超晶体结构其厚度分别为45埃以及80埃。所产生的两种磷化铝镓铟发光二极管亮度都是95mcd，而有45埃厚度的超晶格结构的正向电压为2.15伏特，而有80埃厚度的超晶格结构的正向电压为3.3伏特。
综合所述，本发明的高亮度发光二极管因为上限制层结构中加了一很薄的高电阻层而使得发光强度增加了1.5到2倍，唯一的不足只是正向偏压稍微提高了。然而本发明只需要一次MOVPE的成长，而且上面高能带隙的导电接触层厚度可以减少，所以本发明具有容易成长以及降低成本的优点。
Claims (7)
1、一种高亮度发光二极管，其特征在于，包含：
一N型砷化镓基片；
一形成于该基片上N型的磷化铝镓铟下限制层；
一形成于该下限制层之上，不掺杂质的磷化铝镓铟工作层；以及
一上限制层结构，包含：
成长在所述工作层上，是晶格常数与所述基片匹配的第一层P型的磷化铝镓铟层；
成长在所述第一层P型的磷化铝镓铟层之上，具有高电阻的第二层P型的磷化铝镓铟电阻层；
成长在上述第二层P型的磷化铝镓铟层之上，是第三层P型的高能带隙高导电性磷化铝镓铟接触层，其中：0＜铟＜30％。
2、如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于，所述与基片匹配的第一层P型的磷化铝镓铟层，其磷化铝镓铟中铝成分为0.7～1。
3、如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于，所述第二层P型的磷化铝镓铟电阻层，包含(AlsGal1-s)tln1-tP导体材料，而0.7≤s≤1.0以及0.9≤t≤1.0，厚度为0.005～0.1μm。
4、如权利要求3所述的高亮度发光二极管，其特征在于，所述第二层P型的磷化铝镓铟电阻层，其包含磷化铝镓铟(AlGa)InP的超晶格结构如AlP/GaP或AlGaP/GaP。
5、如权利要求3所述的高亮度发光二极管，其特征在于，所述第二层P型的磷化铝镓铟电阻层，包含磷化铝镓铟(AlGa)InP的渐变组成。
6、如权利要求1所述的高亮度发光二极管，其特征在于，所述第三层P型的高能带隙高导电性磷化铝镓铟接触层，包含(AlxGa1-x)yln1-yP半导体材料，其中0≤x≤0.1而0.7≤y≤1.0，厚度为0.5～10μm。
7、如权利要求1或6所述的高亮度发光二极管，其特征在于，所述第三层P型的高能带隙高导电性磷化铝镓铟接触层，其磷化铝镓铟中含：0＜铝＜10％，0＜铟＜30％。
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