CN104201266B - 一种氮化镓基深紫外led有源区结构 - Google Patents

一种氮化镓基深紫外led有源区结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基深紫外LED的有源区结构，可增强光的提取效率。该结构由五个周期的量子阱构成，每个量子阱由充当势垒的高铝组分AlGaN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格组成。该结构的发光波长处于深紫外范围（224～247nm)，可通过改变超晶格中AlN和GaN的厚度调节。该有源区结构用于c面深紫外LED,可改善发射光的空间分布，使从外延片表面发出的光占主导，从而提高LED的表面发光强度。与具有相同发光波长的传统深紫外LED的有源区相比，本发明提出的深紫外LED有源区结构具有更高的表面发光强度，从而提高深紫外LED的光提取效率。

Description

一种氮化镓基深紫外LED有源区结构
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，尤其涉及一种氮化镓基深紫外LED有源区结构。
背景技术
深紫外LED作为光源,有别于传统的气体深紫外光源和水银深紫外光源，具有方便、高效、环保等优点。深紫外LED高铝组分三元或四元氮化物是制备深紫外LED的核心材料。但长期以来，基于高铝组分氮化物的深紫外LED一直面临着一个重要问题：深紫外线的光提取效率非常低。这大大制约了深紫外LED的广泛应用。目前造成其提取效率低的主要因素包括三个方面。首先，LED中非活性区各层材料对紫外光的吸收很强。深紫外LED活性区发出的光的波长在300nm以下，对应的光子能量大于4.1eV。LED中的电流阻挡层和p-GaN接触层的带隙宽度接近甚至小于4.1eV，这导致它们强烈吸收从发光区发出的深紫外光，使光提取效率降低。其次，难以找到合适的封装材料。传统的应用于可见光LED的封装材料无法简单移植到深紫外LED结构中来。传统的封装材料在深紫外光的照射下，会发生材料质量退化，这会影响材料的折射率，使LED材料和封装材料之间的折射率失去匹配，降低光提取效率。此外，深紫外LED发出的光的表面发射非常弱。深紫外LED的发光区材料是高铝组分氮化物，而高铝组分氮化物发光具有独特的各项异性，即垂直于c面方向上的发光很弱，从而导致LED的光提取效率很低。该问题的根本的原因来自高铝组分氮化物的能带结构特点。从能带角度看，高铝组分氮化物的晶场劈裂能是负值，导致在光复合过程中，沿着c轴方向的发光几率几乎为零。以上三个方面是深紫外LED光提取效率的主要研究领域。其中前两个领域分别对应非活性区的设计结构生长和芯片封装。第三个方面，即紫外线的表面发射很弱，根植于高铝组分氮化物材料本身的能带结构，是限制深紫外LED光提取效率的根本性问题之一，对于LED来说，这意味着从外延片表面发出的光很少，导致光提取效率很低。
发明内容
本发明所要解决的是氮化镓基深紫外LED有源区光提取效率低的技术问题，为此，本发明提出了一种氮化镓基深紫外LED有源区结构。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，有源区的量子阱由充当势垒的高铝组分AlyGa1-yN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格交替生长组成，其中铝组分y大于0.7。
在本发明所述的深紫外LED量子阱中，势阱区域（即超晶格区域）的价带的晶场劈裂带（CH）位于轻、重空穴带（LH,HH）之下；而传统深紫外LED结构的有源区中，当势阱区高铝组分AlyGa1-yN层的铝组分y大于0.7时，其价带的晶场劈裂带位于轻、重空穴带（LH,HH）之上，即本发明中价带的顺序发生了反转，导致量子阱结构中的光跃迁选择定则发生改变。该种结构的量子阱可以有效增强LED的表面发射，进而提高深紫外LED的光提取效率。
进一步的，所述有源区的量子阱由充当势垒的高铝组分AlyGa1-yN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格重复交替生长五个周期而成；其中：高铝组分AlyGa1-yN作为有源区势垒层，其厚度在5～7nm，其禁带宽度在5.31～5.65eV之间，铝组分y在0.75～0.85之间；AlN/GaN超晶格结构作为有源区势阱，且AlN和GaN层厚度均小于5 nm。
AlN/GaN超晶格结构作为有源区势阱，且AlN和GaN层厚度均小于5nm，两者形成应变超晶格，处于共晶状态，拥有同一个能带结构。
进一步的，所述深紫外LED有源区结构中的各层的生长晶面均为极性面，也就是(0001)晶面或称为c面。极性面氮化物材料比非极性面或半极性面氮化物材料的优点在于：极性面氮化物LED生长工艺更加成熟，即具有更低的位错密度,因而具有更高的辐射复合效率；而传统的以AlxGa1-xN/AlyGa1-yN作为活性区的极性面深紫外LED相对于非极性面或半极性面氮化物深紫外LED的劣势在于：前者表面发光更弱。本发明所述的极性面（c面）氮化物基深紫外LED同时具有上面两方面的优点，即结构的晶体质量更高，且表面发光增强了。
本发明针对氮化物基深紫外LED表面发射很弱的问题，根据高铝组分氮化物材料和结构的能带特点，提出一种新的深紫外LED有源区结构，利用 AlN/GaN超晶格作为有源区的势阱，增强LED的表面发射，进而提高深紫外LED的光提取效率。该有源区结构用于c面深紫外LED,可以提高垂直于外延片表面方向的发光强度，比具有相同紫外发光波长传统c面深紫外LED(以AlxGa1-xN/AlyGa1-yN作为量子阱)的表面发光强度更高，从而提高深紫外LED的光提取效率和光电效率。
附图说明
图1为本发明提出的可增强光提取效率的深紫外LED有源区的截面结构示意图。
图2为本发明提出的深紫外LED有源区和传统深紫外LED有源区的能带对比图。
图3为本发明提出的深紫外LED有源区和传统深紫外LED有源区的光跃迁对比图。
图4为本发明提出的深紫外LED和传统深紫外LED光发射空间分布对比图。
具体实施方式
具体使用时本发明所述的结构生长在传统氮化镓基深紫外LED结构中，即用本发明所述量子阱代替AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱。以本发明所述的结构为有源区的深紫外LED的全结构从衬底开始各层依次为(各层皆为极性面，即c面)：蓝宝石衬底, AlN模板（形核层），AlN/AlGaN超晶格缓冲层，n型AlGaN（n型区电极接触层），本发明所述量子阱结构（有源区），p型AlGaN，p型GaN（p型区电极接触层）。
本发明所述的一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，有源区的量子阱由充当势垒的高铝组分AlyGa1-yN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格交替生长组成，其中铝组分y大于0.7。所述有源区的量子阱由充当势垒的高铝组分AlyGa1-yN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格重复交替生长五个周期而成；其中：高铝组分AlyGa1-yN层作为有源区势垒层，其厚度在5～7nm（可选择5nm、6nm、7nm），其禁带宽度在5.31～5.65eV（可选择5.31eV、5.40eV、5.50eV、5.60eV、5.65eV）之间，铝组分y在0.75～0.85（可选择0.75、0.80、0.85）之间；AlN/GaN超晶格结构作为有源区势阱，且AlN和GaN层厚度均小于5nm。所述深紫外LED有源区结构中各层的生长晶面均为极性面。
充当深紫外LED有源区势阱的AlN/GaN超晶格结构的AlN薄膜的厚度为4.5nm～4.75nm（可选择4.50、4.55、4.60、4.65、4.70、4.75），GaN薄膜的厚度为0.5 nm～0.25 nm（0.5nm、0.45nm、0.40nm、0.35nm、0.30nm、0.25nm），且两者总厚度保持在5.0 nm。
通过改变AlN和GaN的厚度，有源区的发光波长可在224nm～247nm（可选择224nm、230nm、234nm、238nm、232nm、236nm、240 nm、243nm、247nm）之间调节，属于深紫外光范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
参照图1所示，本发明公开了一种可以提高深紫外LED的光提取效率的有源区结构，其外延生长方向所对应的晶面为(0001)晶面 (c面)，该有源区结构沿着外延生长方向包括： 高铝组分AlyGa1-yN层作为有源区势垒层，其厚度在5～7 nm（可选择5、6、7nm），其禁带宽度在5.31～5.65eV之间（铝组分y在0.75～0.85之间)；AlN/GaN超晶格结构作为有源区势阱，当AlN和GaN层很薄（<5 nm）时，两者形成应变超晶格，处于共晶状态，拥有同一个能带结构（参见图2）。
以AlN/GaN超晶格结构作为势阱，以高铝组分AlyGa1-yN作为垒层，即形成了深紫外LED的有源区的量子阱的一个周期，本发明中有源区由5个这样的量子阱周期交替生长而成。
通过调节AlN和GaN的厚度可以调节深紫外LED的发光波长。本发明所述量子阱结构的发光波长可在深紫外范围内（224 nm～247 nm）调节，例如：（1）当AlN厚度为4.75 nm、GaN厚度为0.25 nm时,有源区发光波长为224 nm；（2）当AlN厚度为4.5 nm、GaN厚度为0.5nm时，有源区发光波长为247 nm。
图2为本发明提出的深紫外LED有源区和常规深紫外LED有源区的能带对比图。在本发明所述的深紫外LED量子阱中，势阱区域（即超晶格区域）的价带的晶场劈裂带（CH）位于轻、重空穴带（LH,HH）之下；而传统深紫外LED结构的有源区中，当势阱区高铝组分AlyGa1-yN层的铝组分y大于0.7时，其价带的晶场劈裂带位于轻、重空穴带（LH,HH）之上，即价带的顺序发生了反转。对于上述的几个波长的例子，此结论适用。
图3为根据上述能带图(图2)得出的本发明提出的的深紫外LED有源区和传统深紫外LED有源区的光跃迁对比图。参照图2所示，本发明所述的AlN/GaN超晶格的能带相对于传统深紫外LED有源区的势阱（高铝组分AlxGa1-xN）发生了反转，导致量子阱结构中的光跃迁选择定则发生改变。以超晶格AlN/GaN(4.75nm/0.25nm)为例加以说明：参照图2所示，此时超晶格的价带的晶场劈裂带（CH）位于轻、重空穴带（LH,HH）之下，根据光跃迁定则，此时的光跃迁以A跃迁为主，而A跃迁发射的光垂直于c面（E⊥光），所以此时的发光的主导方向是垂直于c面的方向；而具有相同发光波长（224 nm）的传统深紫外LED中，势阱AlxGa1-xN的铝组分x=0.80，Al0.8Ga0.2N的价带的晶场劈裂带（CH）位于轻、重空穴带（LH,HH）之上，此时的光跃迁以D跃迁为主，而A跃迁发射的光平行于c面(E∥光)，因而此时发光的主导方向在c面内。
图4为本发明提出的深紫外LED有源区和常规深紫外LED有源区的发射光的空间分布对比图。传统c面深紫外LED有源区结构的发光主导方向平行于外延片表面，其发光主要分布在垂直于c轴的圆锥体内；而本发明所述的c面深紫外LED有源区结构的发光主导方向垂直于外延片表面，其发光主要分布在垂直于表面(c面)的圆椎体内，从而提高了光提取效率。
本发明所述的c面深紫外LED有源区结构沿垂直于外延片方向的发光几率比具有相同波长的传统深紫外有源区更高。以超晶格AlN/GaN(4.75nm/0.25nm)为例：此时本发明所述的有源区的发光波长为224 nm,此发光波长对应传统深紫外LED量子阱（AlxGa1-xN/AlyGa1-yN，x<y）中势阱组分为x=0.8，前者比后者在垂直于外延片方向的光跃迁几率提高了57%，且比后者更容易生长。

Claims (5)

1.一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，其特征在于：有源区的量子阱由充当势垒的高铝组分AlyGa1-yN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格交替生长组成，其中铝组分y大于0.7。
2.如权利要求1所述的一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，其特征在于：所述有源区的量子阱由充当势垒的高铝组分AlyGa1-yN层和充当势阱的AlN/GaN超晶格重复交替生长五个周期而成；其中高铝组分AlyGa1-yN作为有源区势垒层，其厚度在5～7nm，其禁带宽度在5.31～5.65eV之间，铝组分y在0.75～0.85之间；AlN/GaN超晶格结构作为有源区势阱，且AlN和GaN层厚度均小于5 nm。
3.如权利要求1或2所述的一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，其特征在于：所述深紫外LED有源区结构中各层的生长晶面均为极性面。
4.如权利要求3所述的一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，其特征在于：充当深紫外LED有源区势阱的AlN/GaN超晶格结构的AlN薄膜的厚度为4.5nm～4.75nm，GaN薄膜的厚度为0.5nm～0.25nm，且两者总厚度保持在5.0nm。
5.如权利要求4所述的一种氮化镓基深紫外LED有源区结构，其特征在于：通过改变AlN和GaN的厚度，有源区的发光波长可在224nm～247nm之间调节，属于深紫外光范围。
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