CN103887385B - 提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，依次包括衬底、缓冲层、n型AluGa1-uN接触层、发光有源区、AlxGa1-xN最后一个量子垒层，AlyGa1-yN电子阻挡层，Al组分渐变AlGaN层和p型AlzGa1-zN接触层，其中0≤u，x，y，z≤1；其特征在于，其中所述AlxGa1-xN最后一个量子垒层中Al组分x与AlyGa1-yN电子阻挡层中的Al组分y相同。本发明因为电子阻挡效果的提高以及空穴注入的改善能有效降低电子泄露从而提高器件发光效率。

Description

提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，适用于采用极性面材料制备的氮化镓基紫外、蓝光、或绿光发光器件，是一种利用通过能带调控与极化调控增加电子阻挡效果并改善空穴注入从而提高发光效率的发光器件结构，尤其对深紫外发光二极管更为有效。
背景技术
以氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)为核心的半导体照明，近年来经历了异常迅猛的发展。据报道，照明用电约占整个电力消耗的20％。传统照明用白炽灯效率很低，约17lm／W，荧光灯效率高一些，约90lm／W，而目前GaN基白光LED商业水平已经超过150lm／W，实验室水平已经超过200lm／W，其理论最高效率更是高达400lm／W，因此用半导体照明替代传统照明具有巨大的节能优势。此外半导体照明还有绿色环保，寿命长，体积小，发热低等优势。尽管GaN LED已经取得了很好的发展，但相比其理论最高效率，还有很大的发展空间。限制GaN LED发光效率的一个关键因素是：低的p-GaN空穴浓度以及高的空穴有效质量使得空穴相对(电子)注入不足，导致部分电子不能在发光有源区内充分复合发光，而是从有源区泄露到p型区，这些泄露电子不能有效发光，其能量只能以发热的形式耗散掉。
AlGaN深紫外(DUV)LED具有环保、无汞、杀菌，高调制频率等优点，在空气与水净化、生物医疗，高密度储存，安全与保密通讯等领域具有重要应用价值。相比GaN蓝光LED，AlGaNDUV LED的发光效率要低的多。限制AlGaNDUV LED的一个关键因素同样是空穴注入不足及电子泄露，而且更为严重。为降低光吸收，AlGaNDUV LED需要很高Al组分的p-AlGaN提供空穴，而高Al组分p-AlGaN中受主杂质激活能更高，能够热激活的空穴浓度更低，空穴注入的严重不足导致大量电子从有源区泄露到p型区损耗掉。
为减少电子电流泄漏，通常在多量子阱有源区的最后一个量子垒层(LQB)之后加上能隙高于LQB的AlGaN层作为电子阻挡层(EBL)，利用LQB／EBL界面的导带阶阻挡电子泄漏。然而，目前GaN基发光器件的组成材料一般都是沿Ga面(沿生长方向Ga面在上N面在下，即c面)生长的纤锌矿结构，其正、负电荷中心不对称，存在极化效应，在AlxGa1-xNLQB／AlyGa1-yN EBL(0≤x＜y≤1)界面会形成正的极化电荷，导致该界面导带下移，不利于阻挡电子泄漏。同时价带上移，对空穴形成势垒，使得空穴注入更为不足，空穴注入的不足又会诱发更大的电子泄露。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，因为电子阻挡效果的提高以及空穴注入的改善能有效降低电子泄露从而提高器件发光效率。
本发明提供一种一种提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，依次包括衬底、缓冲层、n型AluGa1-uN接触层、发光有源区、AlxGa1-xN最后一个量子垒层，AlyGa1-yN电子阻挡层，Al组分渐变AlGaN层和p型AlzGa1-zN接触层，其中0≤u，x，y，z≤1；其特征在于，其中所述AlxGa1-xN最后一个量子垒层中Al组分x与AlyGa1-yN电子阻挡层中的Al组分y相同。
本发明的有益效果是，其LQB采用与EBL相同的材料组分，并且在EBL之后插入一层组分渐变AlGaN层，该组分渐变AlGaN层中Al组分递减，且其两侧材料组分分别与相邻两侧的EBL和p型AlGaN接触层一致。采用该结构制备的GaN基LED具有以下优势：1)可以消除LQB／EBL界面极化电荷，从而消除LQB／EBL界面的电子集聚，该界面集聚的电子无益于发光；2)Al组分递减AlGaN层中会自发形成负的体极化电荷，这些体极化电荷会导致EBL／Al组分渐变AlGaN层界面附近导带升高，能够增强电子阻挡效果，减少电子泄露；3)Al组分递减AlGaN层中会自发形成负的体极化电荷能够诱导出很高的空穴浓度；4)从p-GaN到Al组分渐变AlGaN层到EBL，材料组分的渐变连续消除了传统结构中的界面空穴势垒，可改善空穴输运。
该发明可应用于AlGaN DUV LED，也可广泛适用于各种极性面GaN基发光器件。极性面主要指的是通常的C面，也可以是半极性的M面。GaN基指的是组成材料为GaN、AlGaN、InGaN、AlInN或AlInGaN。发光器件包括发光二极管，激光二极管及超辐射二极管，发射波长可以是紫外、蓝光或绿光。
附图说明
为进一步说明其结构、特征及其目的，以下结合附图及较佳具体实施例作详细描述如后，其中：
图1是采用本发明结构的氮化镓基发光二极管示意图；
图2(a)是采用本发明结构的AlGaN DUV LED与传统结构AlGaN DUV LED的能带图对比；
图2(b)是“P1”位置的局部放大图；
图2(c)是“P2”和“P3”位置的局部放大图；
图3是采用本发明结构的AlGaN DUV LED与传统结构AlGaN DUV LED的发光光谱对比图。
具体实施方式
参考图1所示，本实施例提供一种采用本专利结构的发光波长在280nm左右的AlGaN DUV LED，它包括：
一衬底10；该衬底10是(0001)晶向(即c面)蓝宝石衬底；也可以是GaN、6H-SiC、4H-SiC、Si、AlN或ZnO；
一缓冲层11，其制作在衬底10上；缓冲层11为AlN；
一n型AluGa1-uN接触层12，其制作在缓冲层11上；其中n型AluGa1-uN接触层12中Al组分u的范围是0.40.6，掺杂的施主杂质是硅，硅掺杂浓度10171019／cm3；
一发光有源区13，其制作在n型AluGa1-uN接触层12上；所述的发光有源区13为多周期结构，每一周期包括量子垒层132和量子阱层131，周期数为120，该发光有源区13的最后一层是量子阱层131；周期数的优选范围是58。量子垒层132和量子阱层131都采用AlGaN材料，量子垒层132中Al组分高于量子阱层131中Al组分，量子垒层132中Al组分范围为0.4-0.65，量子阱层131中Al组分范围为0.3-0.6。量子阱层131厚度1.5-5nm，优选2-3nm，量子垒层132厚度4-20nm，优选6-12nm。量子阱层131不掺杂。量子垒层132可以掺杂也可以不掺杂，优选是掺杂一定量的Mg受主，Mg掺杂浓度为1018-1020／cm3。
一AlxGa1-xN最后一个量子垒层14，其制作在发光有源区13上；
一AlyGa1-yN电子阻挡层15，其制作在AlxGa1-xN最后一个量子垒层14上，所述AlyGa1-yN电子阻挡层15是p型，其空穴浓度是1016-1019／cm3，其厚度是10-50nm；
其中AlxGa1-xN最后一个量子垒层14中Al组分x与AlxGa1-xN电子阻挡层15中的Al组分y相同，且大于量子垒层132中的Al组分，取值范围0.55-0.7。该层厚度是5-50nm。该层不故意掺杂或掺杂少量的Mg受主，Mg掺杂浓度小于1018／cm3；
一Al组分渐变AlGaN层16，其制作在AlyGa1-yN电子阻挡层15上；其厚度是10-200nm；该层可以掺杂一定量的Mg也可以不特意掺杂，优选是掺Mg，Mg掺杂浓度为1018-1020／cm3，该层厚度10-200nm，优选50-80nm；
一p型AlzGa1-zN接触层17，其制作在Al组分渐变AlGaN层16上；p型AlzGa1-zN层接触层17可以是GaN，也可以是较低Al组分的AlGaN，掺杂Mg受主，Mg掺杂浓度以能够提供尽量多空穴同时不会导致材料质量显著劣化为限，Mg掺杂浓度为1018-1020／cm3，该层厚度0-200nm，其中厚度0也就意味着删掉该层，整个外延结构以Al组分渐变AlGaN层结束。该层优选厚度是50-100nm。
其中所述AlyGa1-yN电子阻挡层15和p型AlzGa1-zN接触层17中的y＞z；
其中所述Al组分渐变AlGaN层16位于AlyGa1-yN电子阻挡层15与p型AlzGa1-zN层接触层17之间，其Al组分介于y和z之间并沿生长方向从y到z渐变递减。该层中的Al组分渐变可以通过调节Al源和Ga源流量实现，
其中0≤u，x，y，z≤1。
AlGaN DUV LED的传统结构为：n-AlGaN／MQW／LQB／EBL／p-AlGaN／p-GaN。其中LQB中Al组分与MQW有源区中其他量子垒的Al组分一致，EBL中Al组分高于LQB，p-AlGaN中Al组分是恒定的。本发明结构中，LQB采用跟EBL同样的Al组分且高于MQW有源区中其他量子垒的Al组分，p-AlGaN采用渐变Al组分，其Al组分从EBL中Al组分线性递减到0.图2对比了AlGaN DUV LED的传统结构与本发明结构的能带图，可以发现：采用本发明结构的AlGaN DUV LED具有显著优点：1)可以消除LQB／EBL界面“P1”极化电荷，从而消除LQB／EBL界面的电子集聚，该界面集聚的电子无益于发光；2)Al组分递减AlGaN层中会自发形成负的体极化电荷，这些体极化电荷会导致EBL／Al组分渐变AlGaN层界面附近导带升高，能够增强电子阻挡效果，减少电子泄露；3)Al组分递减AlGaN层中会自发形成负的体极化电荷能够诱导出很高的空穴浓度；4)从p-GaN到Al组分渐变AlGaN层到EBL，材料组分的渐变连续消除了传统结构中的界面“P2”和“P3”空穴势垒，可改善空穴输运。总之，电子阻挡效果的提高以及空穴注入的改善能有效降低电子泄露从而提高器件发光效率。AlGaN DUV LED的传统结构与本发明结构在20mA电流下的发光光谱如图3所示，可见材料本发明结构可以大大提高其输出光功率。
除发光二极管外，本发明结构也可应用于激光二极管和超辐射二极管，只要采用本专利要求的AlxGa1-xN最后一个量子垒层14，AlyGa1-yN电子阻挡层15，Al组分渐变AlGaN层16和p型AlzGa1-zN接触层17，即可减少电子泄露提高发光效率。当然这两种器件还需要增加光学限制层以形成波导结构，其详细结构与本专利关系不大，故不再详述。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，依次包括衬底、缓冲层、n型AluGa1-uN接触层、发光有源区、AlxGa1-xN最后一个量子垒层，AlyGa1-yN电子阻挡层，Al组分渐变AlGaN层和p型AlzGa1-zN接触层，其中0≤u，x，y，z≤1；其特征在于，其中所述AlxGa1-xN最后一个量子垒层中Al组分x与AlyGa1-yN电子阻挡层中的Al组分y相同，该AlxGa1-xN最后一个量子垒层的带隙宽度大于发光有源区中量子垒层的带隙宽度；
其中所述AlyGa1-yN电子阻挡层和p型AlzGa1-zN接触层中的y＞z，且所述Al组分渐变AlGaN层中的Al组分介于y和z之间并从y到z渐变递减。
2.如权利要求1所述的提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，其中所述的发光有源区为多周期结构，每一周期包括量子垒层和量子阱层，周期数为1-20，该发光有源区的最后一层是量子阱层。
3.如权利要求1所述的提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，其中所述AlxGa1-xN最后一个量子垒层的厚度是5-50nm。
4.如权利要求1所述的提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，其中所述AlyGa1-yN电子阻挡层是p型，其空穴浓度是1016-1019/cm3，其厚度是10-50nm。
5.如权利要求1所述的提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，其中所述Al组分渐变AlGaN层的厚度是10-200nm。
6.如权利要求1所述的提高发光效率的极性面氮化镓基发光器件，其中所述发光器件是发光二极管、激光二极管或超辐射二极管。
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