CN104659171B - 一种光电器件的电子阻挡层结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种光电器件的电子阻挡层结构，尽可能通过晶格结构和禁带宽度的调整来达到与量子阱和P层间的结构匹配；同时减少极化电场的形成，尽可能减弱电子阻挡层内的负电荷区域形成，进而提升效率；并减弱电子阻挡层的能带弯曲导致的电子泄露和P层空穴势能的增加。该光电器件的电子阻挡层结构采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构生长，其中In组分≤10％,Al组分≤40％；在电子阻挡层中存在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/InGaN超晶格结构的电子阻挡层，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。
Description
技术领域：
本发明属于光电器件设计技术领域，涉及一种光电器件外延结构中电子阻挡层的结构设计。
背景技术：
现有技术在量子阱结构和P型GaN之间插入一层AlGaN的结构作为电子阻挡层(Electron-Blocking Layer:缩写为EBL)来阻挡电子进入P层进而降低器件漏电并提升器件效率。对于AlGaN电阻阻挡层，大家做了较多的研究。如中国专利申请201110150996.0《一种采用铝组分渐变电子阻挡层的LED结构》提到一种采用铝组分渐变电子阻挡层的LED结构，其中与多量子阱层的外层GaN垒接触一侧为低Al组分AlxGa1-xN，0≤x≤0.1，与p-GaN层接触一侧为高Al组分AlyGa1-yN，0.1＜y≤0.4，中间部分Al组分的量呈递增线性变化，与GaN垒接触一侧的低Al组分有效地减小了其与GaN垒界面间极化电荷的密度，极化场被减弱，从而使得界面二维电子气浓度大幅降低，减小了漏电流，总体上提高器件的内量子效率并解决了量子效率衰减问题。
对超晶格电子阻挡层的研究在不断的深入，如中国专利申请201210122392.X《渐变电子阻挡层的紫外光氮化镓半导体发光二极管》则提出了通过能带工程设计与优化，在外延结构中引入六种不同方式变化的AlGaN类超晶格铝镓氮电子阻挡层来实现铝组分的变化，从而调节电子阻挡层中的极化效应，实现高的空穴注入。继续对于超晶格AlGaN的研究也较多，如中国专利申请201110097338.X《一种利用多量子阱电子阻挡层增加发光效率的AlGaN基深紫外LED器件及制作方法》该方法采用多周期的AlGaN量子阱结构作为阻挡电子从有源区逃逸到p-AlGaN势垒屋的电子阻挡层。进一步对于超晶格结构研究，如中国专利申请201310572013.1《阻挡电子泄漏和缺陷延伸的外延生长方法及其结构》提出了生长厚度为8-25nm的Al组分逐层降低的UAlGaN/UGaN结构作为电子阻挡层，每一双层结构的UAlGaN层相比上一双层结构的UAlGaN层中的Al组分含量减少15％-50％来改变传统P-spacer能带的单一能阶高度分布，减弱了其对空穴注入时的阻挡作用，提高MQW的发光效率。
也有研究针对量子阱结构和P型GaN之间不同部分穿插入不同结构的电子阻挡层来实现更好的电子阻挡和效率提升的效果，如中国专利申请201410407703.6《Mg掺杂电子阻挡层的外延片，生长方法及LED结构》中提到在GaN垒层上生长AlGaN/GaN电子阻挡层，之后生长低温P型GaN层，再后再生长掺杂Mg的高浓度的AlGaN/InGaN电子阻挡层，最后继续生长一层高温P型GaN层和P型接触层，起到了较好的电子阻挡和效率提升的效果。
但以上方案均采用的AlGaN结构材料单层渐变、多层超晶格或者是AlGaN与InGaN的超晶格结构来实现电子阻挡的效果，由于目前普遍蓝绿光量子阱均为InGaN/GaN结构，以上的AlGaN或者AlGaN/InGaN结构均是从提高材料势垒高度的角度来单纯地解决电子泄漏进入P层的问题,而无法从材料晶格失配的角度来解决压电极化效应导致的极化电场效应。
在意识到这个问题之后，有中国专利申请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，该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的设计理念。也有如中国专利申请201310318301.4《一种具有电子阻挡层结构的发光二极管》提出利用四元氮化物InxAlyGa1-x-yN的禁带宽度和晶格常数可以独立调节的特性，通过调节p-InxAlyGa1-x-yN中的In和Al组分来达到与InGaN/GaN多量子阱中的GaN以及p型GaN的晶格匹配，获得较高的能带间隙值以及能带偏移率。
但单一的InAlGaN材料通过In和Al组分的调整不可能达到晶格结构和禁带宽度与量子阱和P层间的结构完全匹配，即使在晶格上匹配则能带势必产生弯曲而导致空穴注入效率下降和电子泄露几率增加。
发明内容：
基于目前的现状，本发明提出了一种光电器件的电子阻挡层结构，尽可能通过晶格结构和禁带宽度的调整来达到与量子阱和P层间的结构匹配；同时减少极化电场的形成，尽可能减弱电子阻挡层内的负电荷区域形成，进而提升效率；并减弱电子阻挡层的能带弯曲导致的电子泄露和P层空穴势能的增加。
本发明的技术方案如下：
该光电器件的电子阻挡层结构，采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构生长，其中In组分≤10％,Al组分≤40％；在电子阻挡层中存在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)；其中对于AlInGaN/InGaN超晶格结构的电子阻挡层，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。
对于AlInGaN/InGaN超晶格结构的电子阻挡层，超晶格的对数可以为1-300对。
这里所说的存在In和Al组分的渐变分布，意味着电子阻挡层可以整体均为渐变结构，也可以仅在部分生长阶段(即电子阻挡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，还可以在电子阻挡层中，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。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。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
在目前的电子阻挡层的设计中，虽然已有很多关于材料结构的设计，甚至也有渐变的概念不断提出，但是最多要么仅停留在三元的材料结构或者是提到了组分固定的四元结构。首先四元系的材料结构进行组分设计会变得更加的复杂和多变，对于组分的控制和搭配难度也会远远高于三元的材料组分设计，因而目前对四元系材料的研究相对比较单一，目前即使为单一组分的四元材料组分设计已经比较困难，对四元系控制不准甚至结果会差于三元系材料。但是四元系组合中，不同的元素所起到的作用各不相同，各组分元素本身对于器件最终性能的影响也千变万化，本专利正是在对四元系材料做了深入研究不断的经验总结才能够根据研究结果对四元系开始进行更加优化的组合设计，充分发挥各材料元素自身的优势进行器件上的组分整合匹配以达到最终器件整体性能的提升。
本发明率先尝试在四元系材料结构中进行组分的渐变设计，这是对于三元系的完全尝试性取代，同时是对四元系的突破性尝试而且并取得了较好的效果。首先这需要对于四元系材料有较深入地研究和了解(材料匹配和控制的复杂程度与现有三元系不可同日而语)，并在大量的实验结果上才能够进行四元系的渐变组分框架构思和设计。经过组合设计，目前已经可以把导带高度从228meV提高到312meV，进而提高了量子阱内的电子效率和降低了电子泄露几率，同时价带的高度由245meV降低到206meV，降低了空穴的迁移势能进而保证空穴可以高效的注入到量子阱而提升效率，综合的结果是更好的电子空穴复合效率，亮度的提升在15％以上，而大电流注入下的效率下降幅度效应由50％变为30％，提高了20％。
附图说明：
图1是传统结构的电子阻挡层设计示意图。
图2是电子阻挡层采用(a)AlInGaN或者(b)AlInGaN/InGaN超晶格结构生长的结构。
图3是电子阻挡层采用AlInGaN或者AlInGaN/InGaN超晶格结构生长的组分分布示意图。
具体实施方式：
本发明的电子阻挡层采用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≤40％。在电子阻挡层中存在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给出了Al和In组分在电子阻挡层内部的不同示例结构。各个具体示例结构的实验结果平均数据如下表1所示，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
| 组合形式 | 常规结构 | 3(a) | 3(b) | 3(c) | 3(d) | 3(e) | 3(f) | 3(g) | 3(h) |
| 亮度提升 | 0％ | 15％ | 17％ | 23％ | 10％ | 16％ | 21％ | 25％ | 26％ |
| D roop比例 | 50％ | 30％ | 26％ | 19％ | 27％ | 25％ | 18％ | 16％ | 14％ |
Claims (4)
1.一种光电器件的电子阻挡层结构，其特征在于：采用AlInGaN/InGaN超晶格结构生长，其中In组分≤10％,Al组分≤40％；在电子阻挡层中存在In和Al组分的渐变分布，In与Al组分的渐变规律相互独立，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；In与Al组分的渐变规律具体是：
Al组分为凹形和凸形交替的脉冲形式，整体呈递减趋势；且In组分为凹形和凸形交替的脉冲形式，整体呈递增趋势；
或者
Al组分为线性递减，且In组分为凹形和凸形交替的脉冲形式，所有脉冲单元相同。
2.根据权利要求1所述的光电器件的电子阻挡层结构，其特征在于：所述AlInGaN/InGaN超晶格结构的电子阻挡层，超晶格的对数为1-300对。
3.根据权利要求1或2所述的光电器件的电子阻挡层结构，其特征在于：在电子阻挡层中，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。
4.根据权利要求3所述的光电器件的电子阻挡层结构，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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Granted publication date: 20181204 Termination date: 20200121 |
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