CN104617174A - 一种光电器件的插入层结构 - Google Patents
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Abstract
基于对现有InGaN/GaN量子阱结构和AlGaN电子阻挡层结构之间的插入层(LB)的研究，本发明提供了一种新的光电器件的插入层结构设计方案。本发明中的插入层采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构生长，其中In组分＜10％,Al组分＜15％；在插入层中存在In和Al组分的渐变分布，In与Al组分的渐变规律相互独立。本发明既解决了Mg向量子阱的扩散而导致效率降低的问题，同时解决了InGaN/GaN量子阱结构和AlGaN电子阻挡层结构之间由于晶格失配导致的应力和极化电场甚至负电荷区存在的问题；且尽可能阻挡电子向P层扩散并保证空穴能够高效注入量子阱。
Description
技术领域：
本发明属于光电器件设计领域，涉及一种光电器件的插入层结构设计。
背景技术：
现有技术在光电器件量子阱的设计中，一般在量子阱结构生长结束后先生长一层GaN层(一般称之为最后一个垒层Last Barrier：缩写为LB)，之后生长AlGaN电子阻挡层(Electron-Blocking Layer:缩写为EBL)来阻挡进入P层的电子，之后再继续生长一层P形的GaN层作为空穴的形成层。但是传统的结构由于InGaN/GaN量子阱结构和电子阻挡层之间的晶格失配导致应力过大而产生能带的弯曲，进而导致明显的电子泄露和降低了空穴的注入效率。LB层的设计一直是提高效率降低光电器件效率衰减的主要途径之一，如申请号：201410356966.9《一种改善GaN基LED效率下降的外延结构》提出了在多量子阱层最后一个势垒和P型电子阻挡层之间插入一层P型InGaN插入层，P型InGaN插入层的In组分从靠近多量子阱层到电子阻挡层由小到大渐变，且采用脉冲式的镁掺杂，如此一方面可以减少电子向P端的泄露，另一方面可以增强空穴向有源区的注入，明显改善GaN基LED效率下降的问题，提高大电流条件下的发光效率。如申请号/专利号：201210122393《一种提高载流子复合效率的多量子阱中的垒的结构》中提到一种靠近p区的最后一个量子阱中的垒的结构，该结构同时包含u-InGaN层和u-AlInGaN双层结构，u-InGaN层能有效减少量子阱区的缺陷密度，减小量子阱区由于晶格质量造成的应力；同时采用u-AlInGaN可以增大垒的能带间隙，减少电子的溢流，提高电子和空穴在发光量子阱区，最后一个量子阱内的复合效率，提高发光亮度。
但在实际的设计过程发现，P型InGaN插入层会有Mg扩散进入MQW的可能而出现实际生长后的结构效率下降并且随电流增加亮度的衰减明显的现象；而InGaN/AlInGaN层的交替结构在解决Mg扩散问题和电子迁移率问题的同时却出现了空穴迁移受阻，效率降低的现象。
发明内容：
基于对现有InGaN/GaN量子阱结构和AlGaN电子阻挡层结构之间的插入层(LB)的研究，本发明提供了一种新的光电器件的插入层设计方案。
本发明的方案如下：
在InGaN/GaN量子阱与AlGaN电子阻挡层之间具有插入层(LB)，所述插入层采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构生长；在插入层中存在In和Al组分的渐变分布，In与Al组分的渐变规律相互独立(当然，In与Al组分的基础百分比也是相互独立的)，即两种组分的配合并没有特别限制，可以允许不同的渐变方式；其中：
对于AlInGaN的插入层，In组分＜10％,Al组分＜15％；
对于AlInGaN/InGaN超晶格结构的插入层，超晶格的对数为1-300对，In组分＜10％,Al组分＜15％，其中In组分的渐变发生在超晶格的AlInGaN或者InGaN中，或者这两处都存在渐变。
这里所说的存在In和Al组分的渐变分布，意味着插入层可以整体均为渐变结构，也可以仅在部分生长阶段(即插入层的一个或多个分层)有渐变分布，只要“存在”渐变即可。在工艺上，可通过改变In源流量、Al源流量、生长温度和生长压力等参数来实现In含量、Al含量的渐变。
上述渐变分布的具体形式可以是线性递增或递减、阶梯形、凹形、凸形、抛物线形中的一种或者分阶段任意多种组合。
进一步的，还可以在上述插入层中掺入Mg形成P型掺杂，在层内Mg组分为单一比例或者存在渐变分布。这里的Mg渐变分布的具体形式也可以为线性递增或递减、阶梯形形、凹形、凸形、抛物线形中的一种或者分阶段任意多种组合；Mg渐变分布的规律与前述In和Al组分的渐变规律也相互独立。
本发明的技术出发点如下：
首先In组分的掺入有利于提高晶体质量，提高P层载流子迁移速率，而Al组分的加入则可以防止大电流条件下过多电子进入P层与P层的空穴复合产生热量而不能有效的转化为光能。但是在实际的工程验证过程中发现，过少的In组分不能产生明显的改善效果，过量的In组分则有可能会破坏材料结构。过少的Al组分对于电子的阻挡效果不明显，过量的Al组分则可能产生高阻现象导致电压偏高而电子空穴不能有效复合。再考虑Mg的扩散问题，只有高Al组分的结构才能有效阻挡。
如果要达到阻挡电子进入P层同时防止P层的Mg进入量子阱结构，同时不会产生高阻现象，进一步的要实现我们规划的缓冲应力和改善晶格失配问题，则唯有选择渐变的结构设计去平衡各种效果的叠加但又尽可能消除所产生的负面影响。结合以上的分析，本专利采用渐变的思想来平衡掺入层内In和Al组分来达到最优化的组合，特别的Al组分渐变的原则为在靠近P层一层采用高掺结构而向量子阱一层则采用低掺结构，或者在超晶格的单层中间采用高Al组分，边沿部分采用低Al组分。同时配合的使用In组分来改善空穴在此插入层内部的迁移，如需要空穴迁移速率提升则需要适当提升In组分的比例，同时配合的与Al组分的变化匹配则可改善Al组分带来的高阻电压升高现象。
最终本发明具有以下有益效果：
本发明既解决了Mg向量子阱的扩散而导致效率降低的问题，同时解决了InGaN/GaN量子阱结构和AlGaN电子阻挡层结构之间由于晶格失配导致的应力和极化电场甚至负电荷区存在的问题；且尽可能阻挡电子向P层扩散并保证空穴能够高效注入量子阱。
综合以上效果，本发明可以有效提升亮度5％以上，对于光电器件效率的衰减特性优化提升至少7％以上。
附图说明：
图1是传统结构的插入层设计示意图和能级结构图。
图2是本发明的插入层内部设计示意图。
图3是本发明的AlInGaN插入层内部结构组分设计方案示意图。
图4是本发明的AlInGaN/InGaN超晶格插入层内部结构组分设计方案。
具体实施方式：
本发明的插入层采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构(例如200对)生长，其中In组分＜10％,Al组分＜15％。在插入层中存在In和Al组分的渐变分布，具体形式为线性递增或递减、阶梯形、凹形、凸形、抛物线形中的一种或者分阶段任意多种组合。图3和图4给出了Al和In组分在插入层内部的不同示例结构。
图3和图4中的各个具体示例结构对于亮度的提升效果如下表1所示，与传统结构的实验数据作为基础数据进行对比，可以看出本发明的各个实施例取得了可观的效益。可以预期的是，随着实验的进一步优化，数值将继续提升；基于本发明理念，参照图3、图4进行适当的变形和组合优化，势必会有更多的改善结果呈现。
表1
| 基础数据 | 3(a) | 3(b) | 3(c) | 3(d) | 4(a) | 4(b) | 4(c) | 4(d) | 4(e) | 4(f) |
| 100％ | 115％ | 112％ | 108％ | 105％ | 108.50％ | 116％ | 107％ | 123％ | 117％ | 127％ |
Claims (5)
1.一种光电器件的插入层结构，插入层位于InGaN/GaN量子阱与AlGaN电子阻挡层之间，其特征在于：所述插入层采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构生长；在插入层中存在In和Al组分的渐变分布，In与Al组分的渐变规律相互独立；
对于AlInGaN的插入层，In组分＜10％,Al组分＜15％；
对于AlInGaN/InGaN超晶格结构的插入层，超晶格的对数为1-300对，In组分＜10％,Al组分＜15％，其中In组分的渐变发生在超晶格的AlInGaN或者InGaN中，或者这两处都存在渐变，其中Al组分的渐变发生在超晶格的AlInGaN层中。
2.根据权利要求1所述的光电器件的插入层结构，其特征在于：所述渐变分布的具体形式为线性递增或递减、阶梯形、凹形、凸形、抛物线形中的一种或者分阶段任意多种组合。
3.根据权利要求1所述的光电器件的插入层结构，其特征在于：插入层整体均为渐变结构。
4.根据权利要求1至3任一所述的光电器件的插入层结构，其特征在于：在插入层中，还掺入Mg形成P型掺杂，在层内Mg组分为单一比例或者存在渐变分布。
5.根据权利要求4所述的光电器件的插入层结构，其特征在于：Mg渐变分布的具体形式为线性递增或递减、阶梯形、凹形、凸形、抛物线形中的一种或者分阶段任意多种组合。
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