CN103296156A - 一种新型的紫外发光二极管结构 - Google Patents

一种新型的紫外发光二极管结构 Download PDF

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赵志斌
曲轶
张晶
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Abstract

新型的紫外发光二极管结构，涉及紫外发光二极管的外延结构设计制作领域。该领域中至今外延片质量很差。其晶格适配严重和大量载流子从活跃区泄漏到P型层中，导致发光二极管的效率低下。该发明中，采用蓝宝石C面为衬底，首先生长AlN缓冲层和P型层中采用超晶格结构明显地减少了晶格失配。在N型AlGaN层生长中调节其厚度和参杂浓度的参数，既能提供足够的载流子还能充分地允许电流通过。P型AlxGa1-xN电子阻挡层，调试找到Al材料组分的最佳比重可以有效地阻挡电子泄漏。以上两方面明显改善了外延片的质量，从而提高其效率。

Description

一种新型的紫外发光二极管结构
技术领域
本发明涉及一种新型的紫外发光二极管结构，特别涉及紫外发光二极管的外延结构设计制作领域。 
背景技术
随着进入光电子技术的发展，波长在230nm-350nm的紫外LEDs发现许多的应用。典型的应用包括：表面杀菌，水净化，药物设备和生物化学，紫外高密度光储存光源，荧光分析，传感器。因此投入深紫外LEDs的研究是非常必要。 
因为很难获得Al材料组分高的导电性好的n型AlGaN底部包层，深紫外LEDs的电流传播已经成为获得高效率设备的主要问题之一。在2004年，美国南卡罗来纳州大学的Adivirahan等人提出一个新的结构设计叫“micro-pixel”LED。这个设备由一个10×10micro-pixel LED组成，每个pixel是直径26μm的圆形台面。这个器件的总面积是500μm×500μm。因为通过设用这种模型使得在电子与空穴复合之前的电子移动的侧面距离明显地减少，器件的电阻低到9.8Ω，与尺寸相同外延层相同的LEDs相比差别电阻在40和14.4Ω之间。同样在2004年，美国堪萨斯州立大学Kim等人研究了台面尺寸和圆形状深紫外LEDs输出能量的关系，发现在获得更高电导n-type和p-type AlGaN包层没有更大的提高，圆形形状深紫外LEDs的最佳直径约为250μm。上述方法是通过制作micro-pixel组成或简单地减少台面尺寸去提高在传统台面刻蚀LED结构的n-AlGaN包层的电流传播，许多小组已经使用在垂直结构可见光LEDs的激光剥离技术在深紫外上。一个垂直结构LED，电流可以更有效地传播因为电极可以垂直安在LED的两边。在2006年，zhou等人第一次报告以AlGaN/AlGaN量子阱的垂直面发射紫外LED，发射波长是280nm和325nm。期间尺寸是700nm×700nm，在700mA连续下，发射波长280nm功率160μw,波长325nm功率3.1mw。除了垂直结构设计，他们还对玻璃后的表面进行粗化过程。粗糙化技术大大增加了280nmLED输出功率达到0.74mw和325nmLED达到8mw。尽管已经努力研究许多年，深紫外LED与相类似材料的蓝光绿光相比效率还是及其低。原因除了n型底部包层导电性差，还有外延层的其它层质量差影响载流子的复合发光效率。最近，Hirayama等人报告10.5mw单芯片LED运行在282nm和峰值外量子效率达到1.2%，这也是目前最高的外量子效率。 
作为一个可选择的生长方法，MBE对于深紫外LEDs的性能上已经展示了有前途的进展。然而，与MOCVD生长的器件相比MBE的输出能量还是低。这一部原因是使用MBE外延生长的速率慢，不能生长很厚的AlN缓冲层。然而，氢化物气相外延方法的使用，现在许多设备都可以生长AlN缓冲层和独立的AlN衬底。MBE作为独立地生长LED外延层设备现在在实际的可选择方法找到了位置，也使本思想的实际生长有可选择的设备。 
发明内容
本发明是一种新型的紫外发光二极管结构设计。在该发明中，我们生长一层AlN缓冲层它可以有效地减少晶格失配，N型层生长中调节其厚度和参杂浓度的参数，不仅能提供足够的载流子还能充分地允许电流通过，p型电子阻挡层生长中调节找到最佳的Al组分含量使其能有效地阻挡电子从活跃区泄漏到P型层中，最后p型层生长使用AlGaN/GaN超晶格可以缓解内部的挤压减少缺陷。以上这几方面提高外延片的质量，使注入的载流子有效地复合，电阻也明显地减少。 
附图说明
图1：紫外发光二极管外的结构图。其中各数字代表的含义：1、 AlN缓冲层 2、 AlGaN n型层 3、 AlGaN/AlGaN活跃区 4、p型电子阻挡层AlGaN 5、 p型层AlGaN/GaN 6、 p型接触GaN 7、 n型电极Ti/Al 8、 p型电极Ni/Au 
具体实施方式
 1、 AlN缓冲层
在c面蓝宝石上生长600nm厚掺杂2×1018cm-3Si的AlN。
 2、 n型层Al 0.4 Ga 0.6 N
紧接是130nm厚掺杂2×1018cm-3Si的Al0.4Ga0.6N。
 3、 Al 0.565 Ga 0.435 N/Al 0.5 Ga 0.5 N活跃区
活跃区是由4-5nmAl0.565Ga0.435N/10nmAl0.5Ga0.5N组成。Al0.5Ga0.5N掺杂2×1018cm-3Si。
 4、 p型电子阻挡层Al 0.19 Ga 0.81 N
然后是厚为13nm掺杂浓度为0.1×1018cm-3Mg的Al0.19Ga0.81N。
 5、 p型层Al0.2Ga 0.8 N/GaN
电子阻挡层上面是Al0.2Ga0.8N/GaN超晶格组成的p型层。其厚度是130nm，掺杂0.4×1018cm-3Mg。
 6、 p型接触层 GaN
最后是一层5nm厚掺杂1×1018cm-3Mg的GaN作为p型接触层。
 7、 n型电极Ti/Al
8、 p型电极Ni/Au。

Claims (2)

1.一种新型紫外发光二极管结构，包括缓冲层，n型层，活跃区，p型电子阻挡层，p型层和p型接触层的设计。
2.根据要求1所述，在发光二级管结构的设计中，其特征在于，
（1）在c面蓝宝石上依次生长缓冲层AlN、 n型层Al0.4Ga0.6N、 活跃区Al0.565Ga0.435N/Al0.5Ga0.5N、 p型电子阻挡层Al0.19Ga0.81N、  p型层Al0.2Ga0.8N/GaN、 p型接触层GaN。
（2）以AlN作为缓冲层，其厚度为600nm和掺杂2×1018cm-3Si。
（3）以Al0.4Ga0.6N为n型层，其厚度为130nm和掺杂2×1018cm-3Si。
（4）以4个5nm厚Al0.565Ga0.435N为活跃区，中间由10nm厚掺杂2×1018cm-3Si的 Al0.5Ga0.5N隔开。
（5）以Al0.19Ga0.81N作为p型电子阻挡层，其掺杂0.1×1018cm-3Mg。
（6）以Al0.2Ga0.8N/GaN作为p型层，其厚度为130nm和掺杂0.4×1018cm-3Mg。
（7）以GaN为p型接触层，其厚度为5nm和掺杂1×1018cm-3Mg。
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