CN103247728A

CN103247728A - 一种半导体紫外光源器件

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Publication number: CN103247728A
Application number: CN2013101686150A
Authority: CN
Inventors: 张剑平; 高英
Original assignee: Qingdao Jason Electric Co Ltd
Current assignee: Qingdao Jason Electric Co Ltd
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: US20140332754A1; CN103247728B

Abstract

本发明提出一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构中量子阱和量子垒在外延生长方向上存在组份梯度，量子阱和量子垒在外延生长方向上的组份梯度方向相反。本发明通过调整利用AlInGaN材料Al组份的变化来调节异质结构如多量子阱的能带结构，减少量子垒、阱的能带边倾斜，减少电子、空穴注入势垒，降低紫外LED的正向工作电压，提高量子阱的发光效率。

Description

一种半导体紫外光源器件

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种半导体固态紫外光源器件的外延结构。

背景技术

III族氮化物AlInGaN材料的能带宽度从0.7 eV到6.2 eV连续可调，是制作半导体固态紫外发光二极管(LED)主要材料体系。AlInGaN半导体紫外LED较传统紫外线光源有着无公害、体积小、寿命长、效率高、反应快、波长可调、光功率密度大、应用产品设计灵活等多方优点，故其在多种场合逐渐发挥着重要角色。高功率365 nm LED可望取代高压汞灯（I2线，365 nm）成为下一代高效紫外固化光源；高功率深紫外LED（波长 < 290 nm）则肯定会取代低压汞灯（253.7 nm线）成为下一代紫外消毒的主要光源；其它波段的紫外LED也都在特定的应用场合有着显著的应用前景，如：297 nm紫外LED能增加人体维生素D3的合成和钙的吸收，311 nm紫外LED可以在医疗上如皮肤病治疗中有着广泛应用。

目前的紫外LED (峰值波长λp<350 nm)的外延结构基本都是基于Zhang等人的设计：先是在蓝宝石上外延一高质量的AlN基底，然后是一套AlN/AlGaN超晶格以进一步降低AlN基底材料中的穿透位错密度和预备应力过度到随后的厚膜N-型AlGaN电子提供层，其后是AlGaN/AlGaN多量子阱 (MQW)发光区，随后是p-型AlGaN电子阻挡层和p-型GaN欧姆电极接触层。自深紫外LED问世以来，提高其发光效率（外量子效率EQE和电光转换效率WPE）一直是该领域的研究要点。深紫外LED的外量子效率EQE主要取决于其内量子效率IQE和光萃取效率LEE，光电转换效率WPE则进一步取决于紫外LED的工作电压Vf。

现有技术中紫外LED的外延一般是沿着c方向([0001])进行。AlInGaN材料在c方向上存在着最大的自极化和压电极化现象，因此，c平面异质界面存在大量的界面电荷，面密度可以超过10¹³/cm²，产生超过1 MV/cm的极化电场强度，严重改变异质结的能带结构。图1示出的是一现有紫外LED量子阱的能带结构图，其阱、垒Al组份都是均匀分布，上图为导带，下图为价带。为了简化起见，所示的只是一个量子阱包裹在两个量子垒中间。实际的紫外LED发光区可以包含多个类似的量子阱，得到多量子阱发光区。图1中还显示了两个异质界面，位于量子阱以下（图中为左）的异质界面S1和位于量子阱以上（图中为右）异质界面S2。导带和在导带中输运的电子及价带和在价带中输运的空穴也示意在图1中，且假设了电子从量子阱左边注入，空穴从量子阱右边注入，注入的电子和空穴被限制在量子阱中最终通过辐射复合而发出所需要的紫外光。由于AlInGaN材料在c方向具有极化特性，且极化强度在异质界面处不连续，因此c平面异质界面上有着过剩的空间电荷分布。具体到图1所示的量子阱来说，在异质界面S1上有着不可移动的负电荷，在异质界面S2上有着不可移动的正电荷（都未在图中显示）。这两处极化电荷在量子阱中形成偶极电场E_{PL_QW}，方向从右指向左(-c方向)。考虑到多量子阱的情形，同理，在量子垒的两个终端界面也存在极化电荷，导致极化电场E_{PL_QB}，方向从左指向右(c方向)。在量子阱、垒中不同方向的极化电场导致了阱、垒能带边的不同方向的倾斜。在图1中，极化电场导致垒的能带边沿着c方向递增，阱的能带边沿着c方向递减。垒中的极化电场阻碍了电子和空穴向量子阱的注入，使得LED的工作电压升高。阱中的极化电场导致注入阱中的电子和空穴在空间上分离，导致发光效率下降波长红移。这些都是现有紫外LED的缺点。

从以上分析可以看出：提高内量子效率IQE可以从降低材料缺陷密度和提高LED器件外延结构两方面着手。基于此，从提高内量子效率IQE考虑提出一种发光效率高的半导体紫外光源器件则成为本发明所面临的课题。

发明内容

本发明针对现有LED发光效率低的问题，提出一种半导体紫外光源器件，其采用如下技术方案予以实现：

一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：至少一个N-型层、至少一个P-型层和至少一个发光区，所述发光区在所述N-型层和所述P-型层之间且包含至少一个量子阱，所述量子阱至少被量子垒所包裹，其中，所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上存在组份梯度，所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上的组份梯度方向相反。

进一步地，所述量子阱和所述量子垒含有1%-90%的Al组份。

进一步地，所述量子阱含有1%-60%的Al组份，所述量子垒含有5%-85%的Al组份。

进一步地，所述量子阱、量子垒组份梯度是线性渐变的、陡变的或阶梯状变化的。

进一步地，所述量子阱含的Al组份沿外延生长方向增加，所述量子垒的Al组份沿外延生长方向减少。

进一步地，所述量子阱含的铝组份沿外延生长方向线性增加，梯度范围在0.6%/纳米至12%/纳米，所述量子垒的铝组份沿外延生长方向线性减少，梯度范围在-0.1%/纳米至-2%/纳米。

进一步地，所述量子垒中施主浓度沿外延生长方向上增加。

进一步地，所述量子垒中施主浓度沿外延生长方向上具有10¹⁷ cm^-3/nm 至10¹⁸ cm^-3/nm的浓度梯度。

进一步地，所述量子阱中施主浓度沿外延生长方向上减少。

进一步地，所述量子阱中的施主浓度沿外延生长方向上具有-2×10¹⁸ cm^-3/nm 至-2×10¹⁷ cm^-3/nm的浓度梯度。

所述量子垒中或量子阱中施主浓度在外延生长方向上的变化是线性渐变的，非线性渐变的，或者阶梯变化的。进一步地，所述N-型层的铝组份大于或等于所述量子垒的铝组份。

进一步地，所述N-型层的铝组份是所述量子垒的铝组份的1.1倍至1.2倍。

进一步地，所述器件外延材料为纤锌矿结构的三族氮化物。

进一步地，所述器件外延结构的主要外延生长面为(0001)面。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是如下：

本发明利用AlInGaN材料Al（铝）组份的变化来调节异质结构如多量子阱的能带结构，减少量子垒、阱的能带边的倾斜，减少电子、空穴注入势垒，降低紫外LED的正向工作电压，提高量子阱的发光效率。Al组份的增减能导致AlInGaN材料禁带宽带的增减，具体地，Al组份增加，能导致图1示意的导带边向上移动，价带边向下移动；Al组份减少，能导致图1示意的导带边向下移动，价带边向上移动。由此，通过Al组份的适当梯度变化，可以减缓或消除极化电场对能带边的倾斜作用，从而降低了材料缺陷密度和极化电场对电子、空穴的影响，提高内量子效率IQE。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为现有紫外LED量子阱/垒的能带结构示意图；

图2-1本发明实施例一、二紫外LED实施例中发光区量子阱/垒的Al组份变化示意图；

图2-2为本发明实施例三紫外LED实施例中发光区量子阱/垒的Al组份变化示意图；

图2-3为本发明实施例四紫外LED实施例中发光区量子阱/垒的Al组份和掺杂施主浓度变化示意图；

图3为按照本发明实施例一制作的280 nm LED的外量子效率实验数据和模拟曲线及拟合得到的内量子效率曲线；

图4为示意了本发明实施例一紫外LED外延层状结构示意图。

具体实施方式

本发明实现思想如下：AlInGaN紫外LED包含很多异质界面，在异质界面处，III族元素组份发生突变，导致很多材料、物理参数如晶格常数、压电常数及极化常数等发生突变。异质界面的合理处理是得到高效率紫外LED的关键。其一，要避免异质界面处产生缺陷，如位错。其二，要充分考虑到材料的极化现象，配置好合理的界面极化电荷密度。在紫外LED众多的异质界面中，发光区多量子阱(MQW)的阱/垒异质界面无疑是决定LED发光效率的关键。本发明基于上述思想着重从提高紫外LED内量子效率IQE和降低工作电压Vf出发来提高紫外LED的发光效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，

实施例一，为方便加工，本实施例半导体紫外光源器件的外延材料为纤锌矿结构的三族氮化物，所述器件外延结构的主要外延生长面为（0001）面。

本实施例紫外LED形成在衬底10上（见图4），衬底10可以是硅（如Si）、蓝宝石(如c面蓝宝石或c面图形化的蓝宝石)、AlN、GaN或者AlGaN等适宜衬底材料。在衬底10上形成一外延基板20，优选是外延形成的AlN外延层，或者高Al组份的AlGaN外延层。外延基板20的厚度优选地是100 nm至3μm。在外延基板之上是电子提供层40 N-型AlGaN，其厚度最少是2μm，以便有着很好的导电性和材料质量。为了提高层40的材料质量，一般在层40和外延基板20之间插入有应力控制机制30，如AlGaN/AlGaN或者AlN/AlGaN多层材料或超晶格材料。在电子提供层40之上是发光区多量子阱55。本发明为了提高紫外LED发光效率降低工作电压，多量子阱发光区55优选地具有组份渐变的量子垒551和量子阱552，且量子垒551的Al组份梯度方向与量子阱552的Al组份梯度方向相反。

本实施例选用沿c方向外延形成的AlInGaN紫外LED，其发光区由AlInGaN/AlInGaN多量子阱构成，图2-1示意的是量子阱/垒的Al组份分布。多量子阱发光区55至少包含一个量子阱552和一对量子垒551，量子阱552由沿外延方向如c方向排列的两个界面S1和S2界定。量子阱552和量子垒551中的Al组份沿外延方向存在梯度，且量子垒和量子阱沿外延方向上的Al组份梯度方向相反，即：量子垒的Al组份x_Al-QB沿c方向的组份梯度满足：

Figure 2013101686150100002DEST_PATH_IMAGE002

，量子阱的Al组份x_Al-QW沿c方向的组份梯度满足：。图2-1所示的量子阱、垒的能带倾斜将显著小于图1所示量子阱、垒的能带倾斜，降低了紫外LED的工作电压，提高了发光效率。为简化起见，图2-1所示的量子阱、垒的Al组份变化都是线性的，当然量子阱、量子垒组份梯度可以是线性渐变的、非线性渐变的、陡变的或阶梯状变化的。

此实施例中的紫外LED的多量子阱可以发出230 nm至350 nm任一波段的紫外线，量子垒的Al（平均）组份在20%-85%，量子阱的（平均）Al组份在5%-70%。，量子垒、阱中的In组份小于1%。所述量子阱沿外延生长方向的铝组份梯度范围在0.6%/纳米至6%/纳米，所述量子垒沿外延生长方向的铝组份梯度范围在-0.1%/纳米至-2%/纳米。

图3是按照本实施例制作的280 nm紫外LED的量子效率数据。实验测试得到其最高的外量子效率EQE可以达到3.5%（电流密度=75 A/cm²）。同时，根据载流子复合ABC模型，模拟出该LED的内量子效率最高可达64%（电流密度=75 A/cm²）和光萃取效率（LEE=6%）。按照本实施例制作的紫外LED具有更高的发光效率和更低的正向工作电压。

实施例二，与实施例一的不同之处在于：本实施例电子提供层40的Al组份高于量子垒552的Al组份或者量子垒的平均Al组份，如N-型电子提供层40的铝组份是量子垒的铝组份的1.1倍至1.2倍。这样便于对量子垒施加面内双轴压应力，引起压电极化电场部分抵消自极化电场，便于电子、空穴向量子阱的输运。

实施例三，本实施例沿c方向外延形成的AlINGaN紫外LED，其发光区由AlInGaN/AlInGaN多量子阱构成，其中量子垒的Al组份x_Al-QB参考图2-2，沿c方向的组份梯度满足：

当

Figure 2013101686150100002DEST_PATH_IMAGE006

时，，即：在垒的前半部分，所述量子垒沿外延生长方向的铝组份梯度是零；

当

Figure 2013101686150100002DEST_PATH_IMAGE010

时，

，在垒的后半部分，所述量子垒沿外延生长方向的铝组份梯度范围在-0.1%/纳米至-2%/纳米；

且量子阱的Al组份，x_Al-QW，沿c方向的组份梯度满足：

当

时，

，即：在阱的前半部分，所述量子阱沿外延生长方向的铝组份梯度是零；

当

时，

，在阱的后半部分，所述量子阱沿外延生长方向的铝组份梯度是0.6%/纳米至12%/纳米；

其中L_QB，L_QW分别为垒、阱的厚度。

本实施例中的紫外LED的多量子阱可以发出230 nm至350 nm任一波段的紫外线。量子垒的Al（平均）组份在5%-85%，量子阱的Al（平均）组份在1%-70%。，量子垒、阱中的In组份小于1%，且量子阱、垒的能带总体倾斜小于图1所示量子阱、垒的能带倾斜，量子阱、垒带边更平缓，增加了电子-空穴的空间交叠几率，提高了发光效率。

实施例四，与实施例一的不同之处在于：本实施例对发光区量子阱、垒的掺杂作出了进一步的调制，可以进一步降低量子阱、垒中的电场，提高LED的发光效率，降低LED的工作电压。本实施例中量子阱、垒的铝组份变化可以和实施例一相同，进一步地，量子阱、垒中的掺杂施主浓度在外延方向上也是变化的。参考图2-3，在外延生长方向上，量子垒中的施主浓度[D]增加，量子阱中掺杂施主浓度可以是零，或一常数，优选地，是沿外延生长方向上减少。施主浓度在外延生长方向上的变化可以是线性渐变的，非线性渐变的，或者阶梯变化的，只要满足，量子垒中的施主浓度在外延生长方向上总体上是递增的，量子阱中的施主浓度在外延生长方向上总体上是不变的或者优选地递减的。掺杂的施主可以是硅（Si）或者锗（Ge）。

按照实施例四，量子垒551中的施主浓度可以从零变化到1×10¹⁹ cm^-3，或者从1×10¹⁷ cm^-3增加到1×10¹⁹ cm^-3。在线性递增时，量子垒中的施主浓度可以具有沿外延生长方向上的浓度梯度10¹⁷ cm^-3/nm 至10¹⁸ cm^-3/nm；量子阱552中的施主浓度可以从5×10¹⁸ cm^-3减少到零，或者从1×10¹⁸ cm^-3减少到零。在线性递减时，量子阱中的施主浓度可以具有沿外延生长方向上的浓度梯度-2×10¹⁸ cm^-3/nm 至-2×10¹⁷ cm^-3/nm。

当量子阱、垒中的施主浓度是阶梯变化时，量子垒551的前半部分（外延上先形成）的施主浓度可以是零或5×10¹⁷ cm^-3，后半部分（外延上后形成）可以是3×10¹⁸ cm^-3或5×10¹⁸ cm^-3；量子阱552的前半部分（外延上先形成）的施主浓度可以是1×10¹⁸ cm^-3或5×10¹⁷ cm^-3，后半部分（外延上后形成）可以是3×10¹⁷ cm^-3或零。

本实施例通过量子垒/阱中施主浓度的梯度变化，来抵消或减小量子垒/阱中的极化电场，使得量子垒/阱带边更平缓，增加了电子-空穴的空间交叠几率，从而提高量子阱的发光效率，同时可以提供更低的正向工作电压。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种半导体固态紫外光源器件，所述器件的外延结构包括：至少一N-型层、至少一P-型层和至少一发光区，所述发光区在所述N-型层和所述P-型层之间且包含至少一个量子阱，所述量子阱至少被量子垒所包裹，其特征在于：所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上存在组份梯度，所述量子阱和所述量子垒在外延生长方向上的组份梯度方向相反。

2.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱和所述量子垒均含有1%-90%的Al组份。

3.如权利要求2所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱含有1%-70%的Al组份，所述量子垒含有5%-85%的Al组份。

4.如权利要求1、2或3所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱、量子垒组份梯度是线性渐变的、陡变的或阶梯状变化的。

5.如权利要求4所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱的Al组份沿外延生长方向增加，所述量子垒的Al组份沿外延生长方向减少。

6.如权利要求5所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱的铝组份沿外延生长方向线性增加，梯度范围在0.6%/纳米至12%/纳米，所述量子垒的铝组份沿外延生长方向线性减少，梯度范围在-0.1%/纳米至-2%/纳米。

7.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述N-型层的铝组份大于或等于所述量子垒的铝组份。

8.如权利要求7所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述N-型层的铝组份是所述量子垒的铝组份的1.1倍至1.2倍。

9.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述器件外延材料为纤锌矿结构的三族氮化物。

10.如权利要求9所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述器件外延结构的主要外延生长面为c面。

11.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子垒中施主浓度沿外延生长方向上增加。

12.如权利要求11所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子垒中施主浓度沿外延生长方向上具有10¹⁷ cm^-3/nm 至10¹⁸ cm^-3/nm的浓度梯度。

13.如权利要求1所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱中施主浓度沿外延生长方向上减少。

14.如权利要求13所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子阱中的施主浓度沿外延生长方向上具有-2×10¹⁸ cm^-3/nm 至-2×10¹⁷ cm^-3/nm的浓度梯度。

15.如权利要求11或13所述的半导体固态紫外光源器件，其特征在于：所述量子垒中或量子阱中施主浓度在外延生长方向上的变化是线性渐变的，非线性渐变的，或者阶梯变化的。