CN105355736B - 一种具有量子点p区结构的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有量子点p区结构的紫外发光二极管(UV‑LED)，自下而上依次包括：衬底、AlN成核层、AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、AlxGa1‑ xN/AlyGa1‑yN量子阱有源区、AlzGa1‑zN电子阻挡层，GaN或低Al组分AlqGa1‑qN量子点p型层和氧化铟锡(ITO)导电层，其中z>y>x>q，在ITO导电层和n区上分别引出p型和n型欧姆电极。由于采用GaN或低Al组分AlqGa1‑qN量子点作为p区材料，易实现Mg掺杂和激活；又因为量子点相较于高维材料具有更大的禁带宽度，可以避免其对紫外出射光的吸收，因此该结构可以从而提高UV‑LED的外量子效率和发光功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有量子点p区结构的紫外发光二极管(UV-LED)。
背景技术
紫外光由于具有较高的光子能量和很强的穿透能力，而被广泛的应用于杀菌消毒、水和空气净化、固态照明、生物化学有害物质检测、高密度存储和军用通信等领域[1]。
AlGaN材料是制备UV-LED的核心材料。首先，AlxGa1-xN材料是宽禁带直接带隙半导体材料，通过调节三元化合物AlGaN中Al组分，可以实现AlGaN带隙能量在3.4～6.2eV之间连续变化，从而获得波长范围从200到365nm的紫外光。其次，AlxGa1-xN是一种强离子键作用的化合物，具有较高的热稳定性和化学稳定性以及较长的寿命。此外，AlGaN基UV-LED能耗低、零污染，比汞灯和氙灯等传统气体紫外光源有显著优势，具有广泛的应用前景和巨大的研究价值[1,2]。
然而，现有的AlGaN基UV-LED的发光效率依然很低，其层结构如图2所示，且发光效率随量子阱有源区Al组分的增加而变得越来越低。造成UV-LED发光效率低的原因主要是由于当前技术难以实现对高Al组分AlGaN材料的p型掺杂和激活，从而导致欧姆接触差，UV-LED的工作电压很高；而采用GaN或者低Al组分AlGaN材料作为p区时，虽然能获得较高的空穴浓度和较好的欧姆接触，但由于其禁带宽度相对较窄，极易对有源区的紫外出射光产生强烈吸收，会极大地降低UV-LED的出光效率。另外，UV-LED出光表面的全反射现象也是降低出射光提取效率的一个重要因素[3]。
为提高LED的光提取效率或发光效率，现有技术通常采用倒装和表面粗化技术。然而采用这两种技术仍无法从根本上解决GaN或低Al组分AlGaN材料对紫外出射光的吸收问题。要解决此问题，需在保证p区具有足够高空穴浓度的前提下，增加p区材料的禁带宽度，使其不对出射光产生吸收，但显然传统的量子阱或者超晶格等二维半导体材料无法满足这样的要求。因此，为提高UV-LED的出光效率，业界迫切需要研发一种新型的半导体p区材料和结构[4]。
参考文献：
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发明内容
发明目的：针对上述现有技术制备的UV-LED所存在的问题，本发明提供了一种GaN或者低Al组分的AlGaN量子点作为p区结构的UV-LED。采用该种结构既可提高LED的出光效率，避免传统半导体p区对有源区出射光的吸收，又由于p区量子点能够对有源区的出射光起到一定的漫反射作用，所以采用此种新型结构可减弱在UV-LED的出光面发生的全反射现象，从而极大地提高UV-LED的光提取效率。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有量子点p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：包括由下至上依次设置的衬底(101)、AlN成核层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区、AlzGa1-zN电子阻挡层、p型GaN或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点层和氧化铟锡(ITO)导电层，在氧化铟锡(ITO)导电层上引出的p型欧姆电极，在n型AlGaN层上引出的n型欧姆电极，其中z>y>x>q。
优选的，所述衬底为c面(极性取向)、a面或m面(非极性取向)、或r面(半极性取向)的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料。
优选的，所述AlN成核层的厚度为15-50nm，非掺杂AlGaN缓冲层的厚度为50-500nm，n型AlGaN层的厚度为200-5000nm,AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区的AlxGa1-xN量子阱的阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN势垒的垒厚为1-30nm，周期数为3-50，AlzGa1-zN电子阻挡层的厚度为3-30nm，GaN或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层的厚度为50-500nm。
优选的，所述GaN或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层中的p型GaN或低Al组分的p型AlqGa1-qN量子点以自组装模式生长，并呈均匀分布。
优选的，所述p型GaN或低Al组分的p型AlqGa1-qN量子点的直径在0.5-5nm。
优选的，在GaN或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点层中采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
有益效果：本发明提供的是一种具有量子点p区结构的UV-LED。采用GaN或低Al组分的AlGaN量子点易实现Mg的掺杂和激活，可提高p区的空穴浓度和空穴注入效率，从而获得较好的欧姆接触并提高空穴与电子在有源区的复合效率，增强LED的发光功率。GaN或低Al组分的AlGaN量子点(零维材料)相较于量子阱或超晶格等高维材料具有更大的禁带宽度，采用其作为UV-LED的p区，可以从根本上避免p区对有源区出射光的吸收，从而有利于提高UV-LED的出光效率；此外，p区量子点对有源区的出射光起到一定的漫反射作用，可减弱在UV-LED的出光面发生的全反射现象，从而极大地提高UV-LED的光提取效率，因此对提高LED的外量子效率和发光功率(亮度)具有重要意义。
附图说明
图1为具有量子点p区结构的LED层结构示意图。由下至上依次为蓝宝石衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105、AlzGa1-zN电子阻挡层106、GaN或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层107、氧化铟锡(ITO)导电层108，以及p型欧姆电极109和n型欧姆电极110，其中z>y>x>q。
图2为现有技术制备的UV-LED的层结构示意图。由下至上依次为蓝宝石衬底201、AlN成核层202、非掺杂AlGaN缓冲层203、n型AlGaN层204、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区205、p型AlGaN电子阻挡层206、p型AlGaN层207、氧化铟锡(ITO)导电层208，以及p型欧姆电极209和n型欧姆电极210。
具体实施方式
如图1所示，一种具有量子点p型结构的UV-LED，包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105、AlzGa1-zN电子阻挡层106、GaN或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层107、氧化铟锡(ITO)导电层108，以及在ITO导电层108上引出的p型欧姆电极109和在n型AlGaN层104上引出的n型欧姆电极110，其中z>y>x>q，本实施例取z＝0.9，y＝0.8，x＝0.45，q＝0.3。
所述蓝宝石衬底101为r面(半极性取向)蓝宝石衬底。
所述AlN成核层102的厚度为20nm，非掺杂AlGaN缓冲层103的厚度为300nm，n型AlGaN层104的厚度为300nm，Al0.45Ga0.55N/Al0.8Ga0.2N多量子阱有源区105的Al0.45Ga0.55N量子阱的阱宽为3nm，Al0.8Ga0.2N势垒的垒厚为7nm，周期数为15，Al0.9Ga0.1N电子阻挡层106的厚度为20nm，GaN或者Al0.3Ga0.7N量子点p型层107的厚度为300nm。
在所述Al0.9Ga0.1N电子阻挡层106与氧化铟锡导电层108之间设置具有Al0.3Ga0.7N量子点的p型层107，Al0.3Ga0.7N量子点是以自组装模式生长的，并呈均匀分布。
所述Al0.3Ga0.7N量子点p型层107里量子点的直径为1nm。
在所述的Al0.3Ga0.7N量子点p区107中采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度1×1018cm-3。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (6)
1.一种具有量子点p区结构的UV-LED，其特征在于：包括自下而上依次设置的衬底(101)，AlN成核层(102)、非掺杂AlGaN缓冲层(103)、n型AlGaN层(104)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)、AlzGa1-zN电子阻挡层(106)、GaN量子点或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层(107)和氧化铟锡导电层(108)，其中z>y>x>q，在氧化铟锡导电层(108)上引出p型欧姆电极(109)，在n型AlGaN层(104)上引出n型欧姆电极(110)。
2.根据权利要求1所述的具有量子点p区结构的UV-LED，其特征为：所述衬底(101)为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料。
3.根据权利要求1所述的具有量子点p区结构的UV-LED，其特征为：所述AlN成核层(102)的厚度为15-50nm，非掺杂AlGaN缓冲层(103)的厚度为50-500nm，n型AlGaN层(104)的厚度为200-5000nm，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)的AlxGa1-xN量子阱的阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN势垒的垒厚为1-30nm，周期数为3-50，AlzGa1-zN电子阻挡层(106)的厚度为3-30nm，GaN量子点或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层(107)的厚度为50-500nm。
4.根据权利要求1所述的具有量子点p区结构的UV-LED，其特征为：所述GaN量子点或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层(107)中，p型GaN量子点或低Al组分的p型AlqGa1-qN量子点以自组装模式生长，并呈均匀分布。
5.根据权利要求1所述的具有量子点p区结构的UV-LED，其特征为：所述GaN量子点或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层(107)中，p型GaN量子点或低Al组分的p型AlqGa1-qN量子点的直径在0.5-5nm。
6.根据权利要求1所述的具有量子点p区结构的UV-LED，其特征为：在GaN量子点或者低Al组分的AlqGa1-qN量子点p型层(107)中采用Mg进行掺杂，其中Mg的掺杂浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |