CN102623599B - 渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，通过能带工程设计与优化，在其外延结构中引入六种不同方式变化的类超晶格铝镓氮电子阻挡层来实现铝组分的变化，从而调节电子阻挡层中的极化效应，实现高的空穴注入，以解决紫外光半导体发光二极管中P型掺杂效率低空穴浓度不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及高注入下紫外半导体发光二极管量子阱中溢出电子的阻挡与内量子效率的保持，尤其是一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管。
背景技术
紫外半导体发光二极管，由于其发光波长很短，相对蓝光和绿光而言，禁带宽度大。金属镁在氮化镓中的激活能在200meV左右，已经非常之大，在铝氮中则达到630meV之巨。单质硅在氮化镓中的激活能仅为15meV,在铝氮中却达到282meV之巨（John Simon et al, SCIENCE vol 327, Jan. 2011）。因而，杂质在宽禁带铝氮中的掺杂效率是非常低的，无论是N型的掺杂，还是P型的掺杂。相对蓝绿光而言，含有高铝组分的紫外光半导体发光二极管中电子的注入和空穴的注入效率都是非常低的， 由于高的激活能，空穴的注入效率则更低。如何有效地提高紫外光半导体发光二极管的载流子注入效率，直接影响到其内量子效率和发光效率的提升。
六方晶系的氮化镓、铝镓氮及铝氮材料，由于原子电负性的差异，及在c面上的非对称排布，其材料本身就具有很高的自发极化效应。晶格的不匹配，应力也将产生极化效应。两者的作用使得能带发生扭曲，极化电荷的不均匀分布，极化电场的存在，导致量子阱内，电子和空穴空间上的分离，波函数不再重叠。这些由极化效应产生的问题使得紫外半导体发光二极管的量子效率难以提升。因而，极化效应被认为是紫外半导体发光二极管的发光效率提升的一个阻碍的和负面的因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，在氮化镓紫外半导体发光二极管中引入铝组分渐变的电子阻挡层，优化氮化镓紫外半导体发光二极管的能带结构，在P型层利用极化效应产生的所谓三维自由空穴气来提升其空穴的注入效率， 从而提升氮化镓紫外半导体发光二极管的量子效率和发光效率。
本发明的技术方案为：一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，该发光二极管从下向上依次为，蓝宝石、一层非掺杂的氮化镓层、一层N型的氮化镓层、至少5对铝镓氮/铟镓氮多量子阱结构、铝组分渐变的电子阻挡层、P型的铝镓氮层、P型的铝镓氮盖层；其特征在于：铝镓氮电子阻挡层为一特殊的组分渐变的类超晶格结构。所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为两组铝组分递增的薄层铝镓氮层多次交替叠加组成，两组之间的铝组分具有一定的差别，越靠近P区，薄层铝镓氮层铝的含量越高，直到最高铝组分。所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为两组铝组分递减的薄层铝镓氮层多次交替叠加组成，两组之间的铝组分具有一定的差别，越靠近N区，薄层铝镓氮层铝的含量越高，越靠近P区，薄层铝镓氮层中铝的含量越低。所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层交替叠加组成，越靠近N区，薄层铝镓氮层中铝的含量越高，越靠近P区，薄层铝镓氮层中铝的含量越高，而中间某层铝组分最低。所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层交替叠加组成，越靠近N区，薄层铝镓氮层中铝的含量越低，越靠近P区，薄层铝镓氮层中铝的含量越低，而中间某层铝组分最高。所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层和铝组分固定的薄层铝镓氮层交替叠加组成，越靠近N区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越低，越靠近P区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越低，而中间某层铝组分最高。所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层和铝组分固定的薄层铝镓氮交替叠加组成，越靠近N区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越高，越靠近P区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越高，而中间某层铝组分最低。所述的铝组分渐变的类超晶格电子阻挡层，适用于紫外光半导体发光二极管。
本发明的优点在于：优化氮化镓紫外半导体发光二极管的能带结构，在P型层利用极化效应产生的所谓三维自由空穴气来提升其空穴的注入效率， 从而提升氮化镓紫外半导体发光二极管的量子效率和发光效率。
附图说明
图1为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管结构示意图；
图2为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管铝镓氮电子阻挡层设计之一；
图3为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管铝镓氮电子阻挡层设计之二；
图4为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管铝镓氮电子阻挡层设计之三；
图5为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管铝镓氮电子阻挡层设计之四；
图6为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管铝镓氮电子阻挡层设计之五；
图7为本发明一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管铝镓氮电子阻挡层设计之六；
图8为本发明紫外光半导体发光二极管外延结构示意图。
具体实施方式
本发明旨在通过能带工程设计，在紫外光半导体发光二极管外延结构中，引入一层铝组分渐变的电子阻挡层，由于极化诱导产生的三维自由空穴，可以有效地提高P型层的掺杂效率，提高空穴的注入效率。以下内容，将从外延结构设计和外延生长的角度，阐述本发明内容中六个实例。
实施方式一：
1） 在蓝宝石衬底（8）上生长一层氮化镓层（9），其生长温度在500-600摄氏度之间，最优温度在540摄氏度附近，生长压力在300Torr-700Torr 之间，最好为500Torr。氮化镓层（9）厚度在15nm—100nm之间，最好控制在25nm。见附图8。
2） 在氮化镓层（9）上生长一层非掺杂的氮化镓层（10），其生长温度在1000-1100摄氏度，最优温度在1050摄氏度，生长压力在100-500Torr,最好为300Torr。氮化镓层（10）的厚度为500-5000nm，2500nm为最优厚度。见附图8。
3） 在氮化镓层（10）之上生长一层N型的氮化镓层（11），掺杂杂质为单质硅，掺杂浓度在1E18—1E19每立方厘米之间。氮化镓层（11）的生长温度范围在1000-1100摄氏度，最优温度为1050摄氏度，生长压力在100-500Torr之间，最优的腔内压力为200Torr。氮化镓层（11）的厚度范围在500-5000nm，最优的厚度为2500nm 。见附图8。
4） 在氮化镓层（11）之上生长5对AlzGa1-zN/InxGa1-xN多量子阱结构作为有源层（12），阱层铟镓氮中铟的组分x在0—0.1之间，垒层铝镓氮中铝的组分z在0.3—0.1之间。垒层铝镓氮的生长温度在850-950摄氏度之间，最优值为880摄氏度。阱层铟镓氮的生长温度在700-800摄氏度之间，最优值为780摄氏度。生长压力在100-700Torr之间，最好为200Torr。见附图8。
5） 在有源层（12）之上生长P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）,掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E19-5E20每立方厘米量级。生长温度在850-1000摄氏度之间，960摄氏度为最优的生长温度，生长压力在50—500Torr之间，最好控制在100Torr。
通过铝源的控制来实现发明内容8）所述铝镓氮电子阻挡层（5）设计之一。具体的变化如下（见附图2所示）：薄层铝镓氮层（501）为厚1纳米的铝组分为0.3+0.02*x的铝镓氮层，薄层铝镓氮层（502）为厚1纳米组分为0.4+0.02*x纳米的铝镓氮层(x为层数)，总的铝镓氮电子阻层由薄层铝镓氮层（501）和（502）交替组成，20对则总的铝镓氮电子阻挡层的厚度为40nm，最后一层薄层铝镓氮（501）和（502）的铝组分分别为0.5和0.6。
6） P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）之上生长P型的铝镓氮层AluGa1-uN（14），铝组分u高于有源层中铝镓氮垒层的铝组分z，低于铝镓氮电子阻挡层（13）中的最低铝组分y,即：z<u<y。掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度在1E19-1E20每立方厘米之间。生长温度在800—950 摄氏度之间，最好为920摄氏度，生长压力在100-700Torr, 最优值在250Torr。厚度50—300nm之间，最优为150 nm 。见附图8。
7） P型的铝镓氮层AluGa1-uN（14）之上生长一层P型的铝镓氮层AluGa1-uN（15）作为P型金属接触层。掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E20-1E21每立方厘米之间。除掺杂浓度比P型的铝镓氮层AluGa1-uN（14）高之外，其余各项生长条件与之相同。
见附图8。
实施方式二：
1）-4）和6）-7）均与实施方式之一相同，仅仅只是实施方式5）即渐变铝组分铝镓氮电子阻挡层不同。
5) 在有源层（12）之上生长P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）,掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E19-5E20每立方厘米量级。生长温度在850-1000摄氏度之间，960摄氏度为最优的生长温度，生长压力在50—500Torr之间，最好控制在100Torr。通过铝源的控制来实现发明内容8）所述铝镓氮电子阻挡层（5）设计之二。具体的变化如下（见附图3所示）：薄层铝镓氮层（501）为厚1纳米的铝组分为0.6-0.02*x的铝镓氮层，薄层铝镓氮层（502）为厚1纳米组分为0.5-0.02*x纳米的铝镓氮层(x为层数)，总的铝镓氮电子阻层由薄层铝镓氮层（501）和（502）交替组成，20对则总的铝镓氮电子阻挡层的厚度为40nm，最后一层薄层铝镓氮（501）和（502）的铝组分分别为0.4和0.3。
实施方式三：
1）-4）和6）-7）均与实施方式之一相同，仅仅只是实施方式5）即渐变铝组分铝镓氮电子阻挡层不同。
5) 在有源层（12）之上生长P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）,掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E19-5E20每立方厘米量级。生长温度在850-1000摄氏度之间，960摄氏度为最优的生长温度，生长压力在50—500Torr之间，最好控制在100Torr。通过铝源的控制来实现发明内容8）所述铝镓氮电子阻挡层（5）设计之三。具体的变化如下（见附图4所示）：薄层铝镓氮层（501）为厚1纳米的铝组分为0.6-0.02*x（x<x_mid）或0.6-0.02*x_mid+0.02*(x-x_mid)（x>x_mid）的铝镓氮层，薄层铝镓氮层（502）为厚1纳米组分为0.5-0.02*x（x<x_mid）或0.5-0.02*x_mid+0.02*(x-x_mid)（x>x_mid）的铝镓氮层(x为层数)，总的铝镓氮电子阻挡层由薄层铝镓氮层（501）和（502）交替组成，20对则总的铝镓氮电子阻挡层的厚度为40nm，第一层和最后一层薄层铝镓氮（501）和（502）的铝组分分别为0.6和0.5,中间某层分别为0.4和0.3。
实施方式四：
1）-4）和6）-7）均与实施方式一相同，仅仅只是实施方式5）即渐变铝组分铝镓氮电子阻挡层不同。
5) 在有源层（12）之上生长P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）,掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E19-5E20每立方厘米量级。生长温度在850-1000摄氏度之间，960摄氏度为最优的生长温度，生长压力在50—500Torr之间，最好控制在100Torr。通过铝源的控制来实现发明内容8）所述铝镓氮电子阻挡层（5）设计之三。具体的变化如下（见附图5所示）：薄层铝镓氮层（501）为厚1纳米的铝组分为0.3+0.02*x（x<x_mid）或0.3+0.02*x_mid-0.02*(x-x_mid)（x>x_mid）的铝镓氮层，薄层铝镓氮层（502）为厚1纳米组分为0.4+0.02*x（x<x_mid）或0.4+0.02*x_mid-0.02*(x-x_mid)（x>x_mid）的铝镓氮层(x为层数)，总的铝镓氮电子阻挡层由薄层铝镓氮层（501）和（502）交替组成，20对则总的铝镓氮电子阻挡层的厚度为40nm，第一层和最后一层薄层铝镓氮（501）和（502）的铝组分分别为0.302（0.402）和0.3（0.4）,中间某层分别为0.5和0.6。
实施方式五：
1）-4）和6）-7）均与实施方式一相同，仅仅只是实施方式5）即渐变铝组分铝镓氮电子阻挡层不同。
5) 在有源层（12）之上生长P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）,掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E19-5E20每立方厘米量级。生长温度在850-1000摄氏度之间，960摄氏度为最优的生长温度，生长压力在50—500Torr之间，最好控制在100Torr。通过铝源的控制来实现发明内容8）所述铝镓氮电子阻挡层（5）设计之三。具体的变化如下（见附图6所示）：薄层铝镓氮层（501）为厚1纳米的铝组分为0.3+0.02*x（x<x_mid）或0.3 +0.02*x_mid-0.02*(x-x_mid)（x>x_mid）的铝镓氮层，薄层铝镓氮层（502）为厚1纳米组分为0.6，总的铝镓氮电子阻挡层由薄层铝镓氮层（501）和（502）交替组成，20对则总的铝镓氮电子阻挡层的厚度为40nm，第一层和最后一层薄层铝镓氮（501）铝组分分别为0.32和0.3,中间某层分别为0.5。
实施方式六：
1）-4）和6）-7）均与实施方式一相同，仅仅只是实施方式5）即渐变铝组分铝镓氮电子阻挡层不同。
5) 在有源层（12）之上生长P型的铝镓氮AlyGa1-yN电子阻挡层（13）,掺杂杂质为金属镁，掺杂浓度为1E19-5E20每立方厘米量级。生长温度在850-1000摄氏度之间，960摄氏度为最优的生长温度，生长压力在50—500Torr之间，最好控制在100Torr。通过铝源的控制来实现发明内容8）所述铝镓氮电子阻挡层（5）设计之三。具体的变化如下（见附图7所示）：，薄层铝镓氮层（501）为厚1纳米的铝组分为0.5-0.02*x（x<x_mid）或0.5 -0.02*x_mid+0.02*(x-x_mid)（x>x_mid）的铝镓氮层，薄层铝镓氮层（502）为厚1纳米组分为0.6，总的铝镓氮电子阻挡层由薄层铝镓氮层（501）和（502）交替组成，20对则总的铝镓氮电子阻挡层的厚度为40nm，第一层和最后一层薄层铝镓氮（501）铝组分分别为0.48和0.5,中间某层分别为0.3。
Claims (8)
1.一种渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，该发光二极管从下向上依次为，蓝宝石、一层非掺杂的氮化镓层、一层N型的氮化镓层、至少5对铝镓氮/铟镓氮多量子阱结构、铝组分渐变的电子阻挡层、P型的铝镓氮层、P型的铝镓氮盖层；其特征在于：铝镓氮电子阻挡层为两组组分渐变薄层铝镓氮交替构成的类超晶格结构，在每一对超晶格中上述两种薄层铝镓氮的铝组份不同。
2.根据权利要求1所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于：所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为两组铝组分递增的薄层铝镓氮层多次交替叠加组成，两组之间的铝组分是不同的；越靠近P区，薄层铝镓氮层铝的含量越高，直到最高铝组分， 最高铝组份数值在0.5-0.8之间。
3.根据权利要求1或2所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于：所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为两组铝组分递减的薄层铝镓氮层多次交替叠加组成，两组之间的铝组分具有一个差值，越靠近N区，薄层铝镓氮层铝的含量越高，越靠近P区，薄层铝镓氮层中铝的含量越低。
4.根据权利要求1或2所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于：所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层交替叠加组成，越靠近N区，薄层铝镓氮层中铝的含量越高，越靠近P区，薄层铝镓氮层中铝的含量越高，而中间某层铝组分最低。
5.根据权利要求1或2所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层交替叠加组成，越靠近N区，薄层铝镓氮层中铝的含量越低，越靠近P区，薄层铝镓氮层中铝的含量越低，而中间某层铝组分最高。
6.根据权利要求1或2所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于：所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层和铝组分固定的薄层铝镓氮层交替叠加组成，越靠近N区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越低，越靠近P区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越低，而中间某层铝组分最高。
7.根据权利要求1或2所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于：所述的渐变铝组分铝镓氮阻挡层结构为多个铝组分变化的薄层铝镓氮层和铝组分固定的薄层铝镓氮交替叠加组成，越靠近N区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越高，越靠近P区，非固定薄层铝镓氮层中铝的含量越高，而中间某层铝组分最低。
8.根据权利要求1或2所述渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管，其特征在于：所述的铝组分渐变的类超晶格电子阻挡层，适用于紫外光半导体发光二极管。
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