CN103247730A - 用于发射紫外光的发光二极管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种紫外发光二极管及其制造方法，所述紫外发光二极管包括：n型半导体层；布置在所述n型半导体层上的有源层；布置在所述有源层上并且由p型AlGaN形成的p型半导体层；以及布置在所述p型半导体层上并且由掺杂了p型掺杂剂的石墨烯形成的p型石墨烯层。所述紫外发光二极管通过降低与p型半导体层的接触电阻并使得紫外线透射率最大化而具有提高的发光效率。

Description

用于发射紫外光的发光二极管及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年2月1日提交到韩国知识产权局的韩国专利申请No.10-2012-010383的优先权，其全部公开通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及发光二极管，更具体地涉及用于发射紫外光的紫外
（UV）发光二极管。
背景技术
发光二极管（LED）在诸如显示器、光学通信、汽车和普通照明之类的各种领域中被用作高效、环保的光源。随着白光LED技术的发展，LED技术在普通照明中的应用近来受到了众多关注。
可以通过使用UV LED作为光源激发红色、绿色和蓝色（RGB）磷光体来引起用于照明的白光产生。因此，存在提高UV LED效率的需要。
发明内容
本公开提供了一种通过将紫外线透射率最大化而提高了发光效率的紫外（UV）发光二极管。
根据本公开的一个方面，一种UV发光二极管，包括：n型半导体层；布置在所述n型半导体层上的有源层；布置在所述有源层上并且由p型AlGaN形成的p型半导体层；以及布置在所述p型半导体层上并且由掺杂了p型掺杂剂的石墨烯形成的p型石墨烯层。
所述UV发光二极管可以通过如下步骤来制造：在衬底上形成n型半导体层；在所述n型半导体层上形成有源层；在所述有源层上形成p型半导体层；以及在所述p型半导体层上形成p型石墨烯层。
所述p型石墨烯层降低接触电阻并且使UV透射率最大化。
为此目的，p型石墨烯层对于280nm波长的UV光可以具有90%或更大的透射率。所述p型石墨烯层与所述p型半导体层之间的接触电阻可以是10-4ohm/cm2或更小。
所述p型掺杂剂可以是HNO3和AuCl3中的至少一种。
所述p型石墨烯层可以具有纳米结构。例如，所述纳米结构的截面可以具有三角形单元结构。根据另一示例，所述纳米结构的截面可以具有矩形单元结构。
所述p型半导体层的上表面可以与所述p型石墨烯层的纳米结构对应。
所述UV发光二极管还可以包括布置在所述p型石墨烯层上的反射层，所述反射层反射从所述有源层发射的UV光。用于形成所述反射层的材料可以包括金属。
所述UV发光二极管还可以包括布置在所述p型半导体层与所述p型石墨烯层之间的p型接触层，所述p型接触层由p-GaN形成。所述p型接触层的厚度可以为20nm或更小。
所述有源层可以发射具有从200nm至400nm的波长范围的光。
根据本公开的另一方面，提供了一种UV发光二极管，包括：n型半导体层；布置在所述n型半导体层上的有源层；布置在所述有源层上并且由p型AlGaN形成的p型半导体层；以及布置在所述p型半导体层上并且由掺杂了p型掺杂剂的石墨烯量子点形成的p型石墨烯量子点层。
所述p型半导体层上表面可以具有纳米结构。
例如，所述纳米结构的截面可以具有三角形单元结构。根据另一示例，所述纳米结构的截面可以具有矩形单元结构。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述，将会更清楚地理解本公开的各示例，在附图中：
图1是要与本公开相比较的比较示例的紫外（UV）发光二极管的截面图；
图2是根据本公开一个示例的UV发光二极管的截面图；
图3是石墨烯的透射率与光波长之间的关系的曲线图；
图4是示出取决于石墨烯是否掺杂了p型掺杂剂的电气特性的实验结果的曲线图；
图5和图6是根据本公开一个示例的包括纳米结构p型石墨烯层的UV发光二极管的截面图；
图7和图8是根据本公开一个示例的包括反射层的UV发光二极管的截面图；
图9和图10是根据本公开另一示例的UV发光二极管的截面图；以及
图11是根据本公开另一示例的UV发光二极管的截面图。
具体实施方式
现在将参照示出了本公开各示例的附图来更全面地描述根据本公开的紫外（UV）发光二极管。附图中的相同附图标记代表相同元件，并且，在附图中，为说明的清楚和方便，可能夸大了元件的尺寸。处于一列元件之前的诸如“至少一个”之类的表达是对整个一列的元件进行修饰，而不是修饰该列中的单个元件。
本文使用的术语“石墨烯”是指具有多个碳原子的多环芳香族分子，所述多个碳原子彼此共价键合以形成二维（2D）蜂巢晶格（即2D蜂巢薄层）。共价键合的碳原子可以形成6元环作为基本重复单元，但也可以形成5元环和/或7元环。因此，石墨烯可以呈现为单层的共价键合碳原子（通常是sp2键）。石墨烯可以具有根据石墨烯中可能包含的5元环和/或7元环的量而确定的多种结构。石墨烯可以具有单层结构或者其中堆叠了多个单层的多层结构。
图1是要与本公开相比较的比较示例的UV发光二极管的截面图。
参照图1，在衬底10上顺序地堆叠了缓冲层20、n型半导体层30、有源层40、和p型半导体层50。n型电极61连接到n型半导体层30，并且p型电极60连接到p型半导体层50。在该情况下，p型半导体层50与p型电极60之间会由于它们之间的功函数（workfunction）差异而产生较大的接触电阻。因此，会减小空穴注入效率。
为了解决该问题，在p型半导体层50与p型电极60之间布置了用于降低接触电阻的p型接触层70，并且可以使用p-GaN层作为p型接触层70。
图2是根据本公开的一个示例的UV发光二极管的截面图。
参照图2，示出了衬底100、n型半导体层300、有源层400、p型半导体层500和p型石墨烯层600。首先，将简要描述该UV发光二极管的基本结构。
在UV发光二极管中，在衬底100上顺序地堆叠了n型半导体层300、有源层400和p型半导体层500。当对UV发光二极管施加正向电压时，n型半导体层300中的电子和p型半导体层500中的空穴在它们之间转移从而彼此重新键合，并且从有源层400发射与对应于电子空穴转移的能量大小相当的光。发光二极管根据使用的半导体的类型和材料来产生具有不同波长的光束。为使得有源层400产生具有从200nm到400nm的波长范围的UV区域中的光（以下称为UV光），可以使用AlGaN来形成n型半导体层300和p型半导体层500。换句话说，可以使用由n型AlGaN形成的半导体层作为n型半导体层300，并且可以使用由p型AlGaN形成的半导体层作为p型半导体层500。下面将详细描述UV发光二极管的各元件。
衬底100可以是用于半导体单晶生长的衬底100，并且可以由例如蓝宝石、Si、玻璃、ZnO、GaAs、SiC、MgAl2O4、MgO、LiAlO2、或LiGaO2形成。当衬底100由蓝宝石形成时，蓝宝石衬底100是具有六菱形（Hexa-Rhombo R3c）对称的晶体，并且具有c轴方向上的
Figure BDA00002789306400041
Figure BDA00002789306400042
的晶格常数和a轴方向上的
Figure BDA00002789306400043
的晶格常数，以及具有作为蓝宝石方位平面的C平面（0001）、A平面（1120）和R平面（1102）。蓝宝石衬底100的C平面使得氮化物薄膜能够相对容易地在其上生长，并且即使在高温下也很稳定，从而其可以用作用于氮化物生长的衬底100。
n型半导体层300可以由掺杂了n型杂质的半导体材料形成。如上所述，可以通过对具有AlGaN的半导体材料掺杂n型杂质来形成n型半导体层300，以便有源层400产生UV光。n型杂质的示例可以包括Si、Ge、Se和Te。n型半导体层300可以通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）、分子束外延（MBE）等形成。
由于n型半导体层300由具有AlGaN的半导体材料形成，因此可以在衬底100与n型半导体层300之间布置缓冲层200，以在衬底100上适当地生长n型半导体层300。缓冲层200可以由AlN形成。
有源层400由于电子与空穴的复合而发射具有预定量的能量的光。有源层400可以具有这样的结构，其中量子阱层和阻挡层可以通过彼此交替至少一次的方式一个堆叠在另一个上。尽管图2中未示出，然而在有源层400中还可以包括超晶格结构层。可以以各种方式修改有源层400。
p型半导体层500可以由掺杂了p型杂质的半导体材料形成。如上所述，可以通过对具有AlGaN的半导体材料掺杂p型杂质来形成p型半导体层500，以便有源层400产生UV光。p型杂质的示例可以包括Mg、Zn和Be。p型半导体层500可以通过MOCVD、HVPE、MBE等形成。
根据本示例，在p型半导体层500上布置p型石墨烯层600以使得与p型半导体层500的接触电阻最小化，并且还使得发射的UV光的透射率最大化，即，使被吸收的UV光量最小化。
在比较示例中，用作p型接触层70的p-GaN层降低了接触电阻但却大大减小了UV光发射效率，这是因为它吸收了太多UV光。然而，根据本示例，代替p-GaN层而使用p型石墨烯层600可以减小接触电阻并且仍然增大UV光发射效率。
根据本示例，由于在p型半导体层500上包括p型石墨烯层600，因此与p型半导体层500的接触电阻为10-4ohm/cm2或更小，并且具有280nm波长的UV光的透射率为90%或更大。
石墨烯是碳原子以2D蜂巢晶格排列的导电材料，并且具有单个原子层的厚度，例如大约0.34nm的厚度。石墨烯是结构稳定且化学稳定的，并且是优良导体，具有比硅高约100倍的电荷移动性，并且相比铜而言可以允许约100倍的更大的电流流过。另外，石墨烯具有高透明度，例如具有比用作透明电极的氧化铟锡（ITO）更高的透明度。
图3是石墨烯透射率与光波长之间关系的曲线图。在图3中可以看出，石墨烯的透射率在大多数波长处都是90%或更大。石墨烯的透射率在从200nm至400nm波长范围的UV区域中有一定程度的降低，但与其他导体相比仍然相对较高。例如，单层石墨烯对280nm波长处的UV光具有90%或更大的透射率。在大多数材料中，UV光透射率相比于可见光透射率迅速下降。例如，用于形成图1的比较示例中的p型接触层70的p-GaN，其UV光透射率相比于可见光透射率迅速下降。
由于对石墨烯掺杂p型掺杂剂能够调节p型石墨烯层600的功函数，因此可以使与由AlGaN形成的p型半导体层500的接触电阻最小化。P型掺杂剂的示例可以包括HNO3、AuCl3等。
图4是示出取决于是否对石墨烯掺杂了p型掺杂剂的电气特性的实验结果的曲线图。
在该实验中，测量了未掺杂的石墨烯和掺杂了HNO3作为p型掺杂剂的石墨烯的电气特性。参照图4，与未掺杂的石墨烯相比，p型掺杂后的石墨烯的迪拉克点（Dirac point）在正方向上移动了至少150V或更大。因此，可以看出，p型掺杂后的石墨烯具有p型导电性，并且可以看出，适当地调节了p型掺杂后的石墨烯的功函数。因此，即使在代替p-GaN层而使用具有高UV透射率的p型石墨烯时，由于p型石墨烯的功函数的调节是平滑的，因而与由p-AlGaN形成的p型半导体层500的接触电阻也可以减小到10-4ohm/cm2或更小。
图5和图6是根据本公开一个示例的包括具有纳米结构的p型石墨烯层600的UV发光二极管的截面图。
根据本示例，UV发光二极管包括n型半导体层300、有源层400、p型半导体层500和p型石墨烯层600。p型石墨烯层600可以具有纳米结构。具有纳米结构的p型石墨烯层600使得入射角多样化，因此防止了发光效率由于全反射而减小。当光从具有小折射率的材料传播到具有大折射率的材料，并且光入射到这两种材料之间的界面上的角度大于临界角时，光会被该界面全部反射，而无法传播到具有大折射率的材料。光被界面全部反射的这种属性被称为全反射。由于根据本示例的UV发光二极管通过使用具有纳米结构的p型石墨烯层600而使得入射角多样化，因此其防止了全反射的发生，从而使得有源层400中产生的光能够发射到UV发光二极管的外部。换句话说，在有源层400中产生的UV光可以经由p型石墨烯层600的纳米结构而发射到UV发光二极管的外部。
p型石墨烯层600的纳米结构可以具有任何形状，只要其能够使得有源层400中产生的UV光的入射角多样化即可。根据一个示例，p型石墨烯层600的纳米结构的截面可以具有如图5所示的三角形单元结构。根据另一示例，p型石墨烯层600的纳米结构的截面可以具有如图6所示的矩形单元结构。
图7和图8是根据本公开的一个示例的包括反射层800的UV发光二极管的截面图。
根据本示例，紫外发光二极管在p型石墨烯层600上还可以包括反射层800。布置在p型石墨烯层600上的反射层800可以改变从有源层400发射的UV光的方向。
从有源层400发射的UV光通常指向p型半导体层500，但在p型半导体层500上布置反射层800可以使得UV光能够指向与p型半导体层500相反的n型半导体层300。
由于反射层800布置在用作透明电极的p型石墨烯层600上，因此考虑到导电性，反射层800可以包括金属材料。
根据本示例，p型石墨烯层600可以具有图5和图6的示例中的纳米结构。具有纳米结构的p型石墨烯层600可以有助于增大发光效率，并且布置在p型石墨烯层600上的反射层800可以改变发射的UV光的方向。
图9和图10是根据本公开另一示例的UV发光二极管的截面图。
参照图9和图10，在UV发光二极管中，堆叠了n型半导体层300、有源层400和p型半导体层500，并且可以在p型半导体层500上布置由掺杂了p型掺杂剂的石墨烯量子点Q形成的p型石墨烯量子点层601来代替p型石墨烯层600。p型石墨烯量子点层601可以有助于增大UV透射率并获得光放大。
每个石墨烯量子点Q代表具有纳米单位晶体结构的样本的石墨烯片，该纳米单位晶体结构的样本具有比德布罗意波长（deBroglie's wavelength）的尺度更小的三维尺寸。石墨烯量子点Q中具有大量的电子，但是其中包含的自由电子的数量可以限制在1到大约100。在该情况下，由于电子的能级是不连续地受限的，因此石墨烯量子点Q可以具有与形成连续带的石墨烯片不同的电气和光学特性。由于石墨烯量子点Q根据石墨烯量子点Q的不同尺寸而具有不同的能级，因此可以调节石墨烯量子点Q的尺寸来控制带隙。换句话说，可以通过简单地控制石墨烯量子点Q的尺寸来控制发射的光的波长。另外，由于与石墨烯片相比每个石墨烯量子点Q在带隙边缘具有非常高的电子和空穴态密度（state density），因此许多受激发的电子和空穴相互结合，从而使得能够增大发光效率。
而且，通过调节要掺杂在石墨烯量子点Q中的p型掺杂剂的量来控制石墨烯量子点Q的功函数，可以使得石墨烯量子点层601与p型半导体层500之间的接触电阻最小化。
在该情况下，p型半导体层500的上表面可以具有纳米结构。具有纳米结构的上表面的p型半导体层500使得从有源层400发射的UV光入射到p型半导体层500的上表面上的角度多样化，从而防止了全反射的发生。
根据本示例，紫外发光二极管还可以包括布置在p型石墨烯量子点层601上的反射层800。反射层800可以使得被p型石墨烯量子点层601放大的UV光朝向n型半导体层300。
图11是根据本公开另一实施例的UV发光二极管的截面图。
参照图11，该UV发光二极管包括n型半导体层300、有源层400、p型半导体层500和p型石墨烯层600，并且还可以在p型石墨烯层600与p型半导体层500之间包括p型接触层700。由于除了p型接触层700之外的n型半导体层300、有源层400、p型半导体层500和p型石墨烯层600均与前述示例大致相同，因此省略其详细描述。
使用p-GaN层作为p型接触层700，以便使得与p型半导体层500的接触电阻最小化，但考虑到p-GaN的UV透射率和成本，可以将p-GaN层形成得尽可能薄。可以将p-GaN层形成为具有20nm或更小的厚度。
尽管已经参照其示例具体示出并描述了本公开，然而将会理解的是，这些示例应当看作仅描述性的，而不用于限制的目的。例如，可以在石墨烯量子点层601上布置反射层800，并且可以以衬底100与n型半导体层300之间的层的形式来布置n型电极610。本领域普通技术人员还将理解，可以在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下在这些示例中作出形式和细节上的多种改变。

Claims (20)

1.一种紫外发光二极管，包括：
n型半导体层；
布置在所述n型半导体层上的有源层；
布置在所述有源层上并且由p型AlGaN形成的p型半导体层；以及
布置在所述p型半导体层上并且由掺杂了p型掺杂剂的石墨烯形成的p型石墨烯层。
2.权利要求1的紫外发光二极管，其中所述p型石墨烯层构造为降低接触电阻并且使紫外线透射率最大化。
3.权利要求2的紫外发光二极管，其中所述p型石墨烯层对于280nm波长的紫外光具有90%或更大的透射率。
4.权利要求2的紫外发光二极管，其中所述p型石墨烯层与所述p型半导体层之间的接触电阻是10-4ohm/cm2或更小。
5.权利要求2的紫外发光二极管，其中所述p型掺杂剂是HNO3和AuCl3中的至少一种。
6.权利要求2的紫外发光二极管，其中所述p型石墨烯层具有纳米结构。
7.权利要求6的紫外发光二极管，其中所述纳米结构的截面具有三角形单元结构。
8.权利要求6的紫外发光二极管，其中所述纳米结构的截面具有矩形单元结构。
9.权利要求6的紫外发光二极管，其中所述p型半导体层的上表面与所述p型石墨烯层的纳米结构对应。
10.权利要求2的紫外发光二极管，还包括布置在所述p型石墨烯层上的反射层，所述反射层构造为反射从所述有源层发射的紫外光。
11.权利要求10的紫外发光二极管，其中用于形成所述反射层的材料包括金属。
12.权利要求2的紫外发光二极管，还包括布置在所述p型半导体层与所述p型石墨烯层之间的p型接触层，所述p型接触层包含p-GaN，
其中所述p型接触层的厚度为20nm或更小。
13.权利要求2的紫外发光二极管，其中所述有源层发射具有从200nm至400nm的波长范围的光。
14.一种紫外发光二极管，包括：
n型半导体层；
布置在所述n型半导体层上的有源层；
布置在所述有源层上并且包括p型AlGaN的p型半导体层；以及
布置在所述p型半导体层上并且包括掺杂了p型掺杂剂的石墨烯量子点的p型石墨烯量子点层。
15.权利要求14的紫外发光二极管，其中所述p型半导体层上表面具有纳米结构。
16.一种形成紫外发光二极管的方法，包括步骤：
在衬底上形成n型半导体层；
在所述n型半导体层上形成有源层；
在所述有源层上形成p型半导体层；以及
在所述p型半导体层上形成p型石墨烯层，
其中：
所述p型半导体层由p型AlGaN形成；并且
所述p型石墨烯层由掺杂了p型掺杂剂的石墨烯形成。
17.权利要求16的方法，其中所述p型石墨烯层构造为降低接触电阻并且使得紫外线透射率最大化。
18.权利要求17的方法，其中所述p型石墨烯层对于280nm波长的紫外光具有90%或更大的透射率。
19.权利要求17的方法，还包括步骤：在所述p型石墨烯层上形成反射层，其中所述反射层构造为反射从所述有源层发射的紫外光。
20.权利要求17的方法，还包括步骤：在所述p型半导体层与所述p型石墨烯层之间形成p型接触层，所述p型接触层包含p-GaN，
其中所述p型接触层的厚度为20nm或更小。
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