CN105870283A - 一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，该发光二极管包括由下而上依次设置的衬底(101)、金属极性面n型氮化物层(102)、金属极性面多量子阱层(103)、金属极性面p型氮化物层(104)、由金属极性面p型电子阻挡层(1051)和氮极性面p型电子阻挡层(1052)组成的复合极性面p型电子阻挡层(105)、氮极性面p型氮化物层(106)、所述金属极性面n型氮化物层上设置的n电极(107)和所述氮极性面p型氮化物层上设置的p电极(108)。复合极性面电子阻挡层在导带形成较高的电子势垒，阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，从而可以减小漏电流，增加电子与空穴进行辐射复合的几率。

Description

一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管
技术领域
本发明提供了一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管(LED)，属于半导体光电子材料和器件的制造领域。
背景技术
LED因具有高效，节能，尺寸小，寿命长等优点而备受瞩目，已经开始逐步取代荧光灯和白炽灯等传统照明方式。但是，大电流注入条件下LED的内量子效率的快速下降，严重制约了LED的应用和发展，其中漏电流被认为是导致大电流密度条件下LED效率下降的一个主要因素。因此，减小漏电流对于提高LED的发光效率具有十分重要的意义。
电子由于具有比空穴更小的有效质量和更高的迁移率，可以很容易地穿过有源区进入p型区，造成严重的电流泄漏进而降低芯片的辐射复合几率。如图3所示，目前商业化的GaN基LED通常使用金属极性面p-AlGaN304作为电子阻挡层，将电子限制在金属极性面InGaN/GaN多量子阱303区域中以减小漏电流。研究发现在金属极性面多量子阱303最后一层势垒和金属极性面p-AlGaN电子阻挡层304之间的导带存在较大的能带偏移，通常有助于阻挡电子溢出量子阱区域，但与此同时由于金属极性面p-AlGaN电子阻挡层304中也存在较大的极化电场，会降低阻挡电子的有效势垒高度。另外，研究表明金属极性面多量子阱303最后一层势垒和金属极性面p-AlGaN电子阻挡层304之间存在的极化电场还会使得价带能级大幅度弯曲从而对空穴形成较高的有效势垒，这直接导致了较低的空穴注入效率。
为了有效阻挡电子的溢出，同时提高空穴的注入效率，科研工作者们尝试了多种方法改进电子阻挡层结构以提高GaN基LED的光电输出性能，其中包括Al组分渐变的AlGaN电子阻挡层，InAlN电子阻挡层，p-AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层等。尽管这些电子阻挡层有诸多优点，但是仍然无法令人满意地解决以下技术问题：1)p型电子阻挡层对电子阻挡效果越明显，空穴注入效率下降就越大；2)电子阻挡层与p型氮化物层和多量子阱有源区之间的晶格失配较大，容易引起缺陷的产生；3)载流子在量子阱中的分布仍欠均匀，导致LED器件的载流子复合效率与发光效率依然较低。这些问题的产生都与电子阻挡层的材料和结构有关，所以设计和制备合适的电子阻挡层材料与结构对于提高氮化镓基LED的发光效率具有重要的意义。
发明内容
技术问题：：为了克服上述问题，本发明公开了一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，该发光二极管包括由下而上依次设置的衬底、金属极性面n型氮化物层、金属极性面多量子阱层、金属极性面p型氮化物层、由金属极性面p型电子阻挡层和氮极性面p型电子阻挡层组成的复合极性面p型电子阻挡层、氮极性面p型氮化物层、所述金属极性面n型氮化物层上设置的n电极和所述氮极性面p型氮化物层上设置的p电极，复合极性面电子阻挡层用于阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，减小漏电流，同时有利于空穴注入多量子阱有源区。
优选的，所述的金属极性面p型氮化物层设置于金属极性面多量子阱层与复合极性面p型电子阻挡层之间，金属极性面p型氮化物层选用组分均匀的p型AlGaN三元氮化物层或p型InAlGaN四元氮化物层以及组分渐变的AlGaN或InAlGaN氮化物层。
优选的，所述的复合极性面p型电子阻挡层，选用组分均匀的p型AlGaN三元氮化物层，p型InAlGaN四元氮化物层，组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，GaN/AlGaN、AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与GaN/AlGaN、AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任一种。
优选的，所述的复合极性面p型电子阻挡层，是由金属极性层与氮极性层复合而成的p型双极性面氮化物层。
优选的，所述的氮极性面p型氮化物层，选用GaN、AlGaN、InAlGaN二元、三元、四元III-V族氮化物材料中的任一种。
优选的，所述的金属极性面p型氮化物层下方的金属极性面多量子阱层的重复周期数设置为2～10，单周期厚度在2～15nm之间。
优选的，所述的复合极性面p型电子阻挡层的禁带宽度大于金属极性面多量子阱层中势垒的禁带宽度。
优选的，金属极性面n型氮化物层厚度在0.5～2μm之间，该层使用Si元素进行掺杂，其中的自由电子浓度在1×1018～1×1021cm-3之间。
优选的，p电极下方的氮极性面p型氮化物层的厚度在20～1000nm之间，该层使用Mg元素进行掺杂，其中的自由空穴浓度在1×1017～1×1020cm-3之间。
有益效果：本发明具有以下优点：
(1)复合极性面电子阻挡层能够在导带形成较高的电子势垒，有效地阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，从而可以减小漏电流，增加电子与空穴进行辐射复合的几率；
(2)由于复合极性面电子阻挡层中的氮极性面p型氮化物层的价带相对平坦，有利于空穴注入多量子阱有源区，可克服通常的金属极性面p型电子阻挡层所造成的空穴注入效率下降的缺点，能够极大地提高LED的发光效率；
(3)紧邻多量子阱有源区的金属极性面p型氮化物层则能够缓解复合极性面电子阻挡层与多量子阱有源区的晶格失配，可减少位错缺陷的产生，同时也可以缓解复合极性面电子阻挡层内的强极化电场对多量子阱有源区中载流子的影响，减弱量子限制斯塔克效应，提高电子与空穴的复合效率，因此可显著提升LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的新型LED的断面层结构示意图。其中数字的含义为：衬底101、金属极性面n型氮化物层102、金属极性面多量子阱层103、金属极性面p型氮化物层104、由金属极性面p型电子阻挡层1051和氮极性面p型电子阻挡层1052组成的复合极性面p型电子阻挡层105、氮极性面p型氮化物层106、所述金属极性面n型氮化物层上设置的n电极107和所述氮极性面p型氮化物层上设置的p电极108。
图2为本发明提供的新型LED的一个实施例的断面层结构示意图。其中数字的含义为：蓝宝石衬底201、金属极性面n型GaN层202、金属极性面InGaN/GaN多量子阱层203、金属极性面p型AlGaN层204、由GaN/AlGaN超晶格结构的金属极性面p型电子阻挡层2051和GaN/AlGaN超晶格结构的氮极性面p型电子阻挡层2052组成的复合极性面p型电子阻挡层205、氮极性面p型GaN层206、所述金属极性面n型GaN层上设置的n电极207和所述氮极性面p型GaN层上设置的p电极208。
图3为现有技术制备的LED断面层结构示意图。其中数字的含义为：蓝宝石衬底301、金属极性面n型GaN层302、金属极性面InGaN/GaN多量子阱层303、金属极性面p型AlGaN电子阻挡层304、金属极性面p型GaN层305、所述金属极性面n型GaN层上设置的n电极307和所述金属极性面p型GaN层上设置的p电极308。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以具体解释本发明，而并不用于限定本发明权利要求的范畴。
如图1，本发明提供的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，该发光二极管包括由下而上依次设置的衬底101、金属极性面n型氮化物层102、金属极性面多量子阱层103、金属极性面p型氮化物层104、由金属极性面p型电子阻挡层1051和氮极性面p型电子阻挡层1052组成的复合极性面p型电子阻挡层105、氮极性面p型氮化物层106、所述金属极性面n型氮化物层上设置的n电极107和所述氮极性面p型氮化物层上设置的p电极108，复合极性面电子阻挡层用于阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，减小漏电流，同时有利于空穴注入多量子阱有源区。
所述的金属极性面p型氮化物层104设置于金属极性面多量子阱层103与复合极性面p型电子阻挡层105之间，金属极性面p型氮化物层104选用组分均匀的p型AlGaN三元氮化物层或p型InAlGaN四元氮化物层以及组分渐变的AlGaN或InAlGaN氮化物层。
所述的复合极性面p型电子阻挡层105，选用组分均匀的p型AlGaN三元氮化物层，p型InAlGaN四元氮化物层，组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，GaN/AlGaN、AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与GaN/AlGaN、AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任一种。
所述的复合极性面p型电子阻挡层105，是由金属极性层与氮极性层复合而成的p型双极性面氮化物层。
所述的氮极性面p型氮化物层106，选用GaN、AlGaN、InAlGaN二元、三元、四元III-V族氮化物材料中的任一种。
所述的金属极性面p型氮化物层104下方的金属极性面多量子阱层103的重复周期数设置为2～10，单周期厚度在2～15nm之间。
所述的复合极性面p型电子阻挡层105的禁带宽度大于金属极性面多量子阱层103中势垒的禁带宽度。
金属极性面n型氮化物层102厚度在0.5～2μm之间，该层使用Si元素进行掺杂，其中的自由电子浓度在1×1018～1×1021cm-3之间。
p电极下方的氮极性面p型氮化物层106的厚度在20～1000nm之间，该层使用Mg元素进行掺杂，其中的自由空穴浓度在1×1017～1×1020cm-3之间。
实施例
如图2所示为具有复合极性面电子阻挡层的LED，包括由下而上依次设置的蓝宝石衬底201、金属极性面n型GaN层202、金属极性面InGaN/GaN多量子阱层203、金属极性面p型AlGaN层204、由GaN/AlGaN超晶格结构的金属极性面p型电子阻挡层2051和GaN/AlGaN超晶格结构的氮极性面p型电子阻挡层2052组成的复合极性面p型电子阻挡层205、氮极性面p型GaN层206、所述金属极性面n型GaN层上设置的n电极207和所述氮极性面p型GaN层上设置的p电极208。
所述的金属极性面n型GaN层202作为LED的n型区，其厚度在0.5～2μm之间，该层使用Si元素进行掺杂，其中的自由电子浓度在1×1018～1×1021cm-3之间。
所述的金属极性面InGaN/GaN多量子阱层203中InGaN的各III族元素组分可根据所需的发光波长进行调节，其重复周期数设置为2～10，单周期厚度在2～15nm之间。
所述的金属极性面p型AlGaN层204的厚度在10～1000nm之间。
所述的复合极性面p型电子阻挡层205由GaN/AlGaN超晶格结构的金属极性面p型电子阻挡层2051和GaN/AlGaN超晶格结构的氮极性面p型电子阻挡层2052组成，厚度在10～1000nm之间。
所述的氮极性面p型GaN层206作为LED的p型区，其厚度在20～1000nm之间，该层使用Mg元素进行掺杂，其中的自由空穴浓度在1×1017～1×1020cm-3之间。
需着重说明的是，上述实施例所提供的新型LED的核心部分包括金属极性面p型AlGaN层204、由GaN/AlGaN超晶格结构的金属极性面p型电子阻挡层2051和GaN/AlGaN超晶格结构的氮极性面p型电子阻挡层2052组成的复合极性面p型电子阻挡层205、氮极性面p型GaN层206。该三部分是减小漏电流，提高晶体质量和发光效率的关键。
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。
复合极性面电子阻挡层一方面能够在导带形成较高的电子势垒，有效地阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，从而可以减小漏电流，增加电子与空穴进行辐射复合的几率。另一方面，由于复合极性面电子阻挡层中的氮极性面p型氮化物层的价带相对平坦，有利于空穴注入多量子阱有源区，可克服通常的金属极性面p型电子阻挡层所造成的空穴注入效率下降的缺点，能够极大地提高LED的发光效率。而紧邻多量子阱有源区的金属极性面p型氮化物层则主要用于缓解复合极性面电子阻挡层与多量子阱有源区的晶格失配，以减少位错缺陷的产生，同时也可以缓解复合极性面电子阻挡层内的强极化电场对有源区中载流子的影响，减弱量子限制斯塔克效应，提高电子与空穴的复合效率，因此可显著提升LED的发光效率。
复合极性面电子阻挡层一方面能够在导带形成较高的电子势垒，有效地阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，从而可以减小漏电流，增加电子与空穴进行辐射复合的几率。另一方面，由于复合极性面电子阻挡层中的氮极性面p型氮化物层的价带相对平坦，有利于空穴注入多量子阱有源区，可克服通常的金属极性面p型电子阻挡层所造成的空穴注入效率下降的缺点，能够极大地提高LED的发光效率。而紧邻多量子阱有源区的金属极性面p型氮化物层则主要用于缓解复合极性面电子阻挡层与多量子阱有源区的晶格失配，以减少位错缺陷的产生，同时也可以缓解复合极性面电子阻挡层内的强极化电场对多量子阱有源区中载流子的影响，减弱量子限制斯塔克效应，提高电子与空穴的复合效率，因此可显著提升LED的发光效率。因此，本发明所提供的这些优势对于制备高量子效率氮化镓基LED具有十分重要的意义。

Claims (9)

1.一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：该发光二极管包括由下而上依次设置的衬底(101)、金属极性面n型氮化物层(102)、金属极性面多量子阱层(103)、金属极性面p型氮化物层(104)、由金属极性面p型电子阻挡层(1051)和氮极性面p型电子阻挡层(1052)组成的复合极性面p型电子阻挡层(105)、氮极性面p型氮化物层(106)、所述金属极性面n型氮化物层上设置的n电极(107)和所述氮极性面p型氮化物层上设置的p电极(108)，复合极性面电子阻挡层用于阻挡电子越过多量子阱有源区进入p型区，减小漏电流，同时有利于空穴注入多量子阱有源区。
2.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：所述的金属极性面p型氮化物层(104)设置于金属极性面多量子阱层(103)与复合极性面p型电子阻挡层(105)之间，金属极性面p型氮化物层(104)选用组分均匀的p型AlGaN三元氮化物层或p型InAlGaN四元氮化物层以及组分渐变的AlGaN或InAlGaN氮化物层。
3.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：所述的复合极性面p型电子阻挡层(105)，选用组分均匀的p型AlGaN三元氮化物层，p型InAlGaN四元氮化物层，组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，GaN/AlGaN、AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与GaN/AlGaN、AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任一种。
4.根据权利要求3所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：所述的复合极性面p型电子阻挡层(105)，是由金属极性层与氮极性层复合而成的p型双极性面氮化物层。
5.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：所述的氮极性面p型氮化物层(106)，选用GaN、AlGaN、InAlGaN二元、三元、四元III-V族氮化物材料中的任一种。
6.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：所述的金属极性面p型氮化物层(104)下方的金属极性面多量子阱层(103)的重复周期数设置为2～10，单周期厚度在2～15nm之间。
7.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：所述的复合极性面p型电子阻挡层(105)的禁带宽度大于金属极性面多量子阱层(103)中势垒的禁带宽度。
8.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：金属极性面n型氮化物层(102)厚度在0.5～2μm之间，该层使用Si元素进行掺杂，其中的自由电子浓度在1×1018～1×1021cm-3之间。
9.根据权利要求1所述的具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：p电极下方的氮极性面p型氮化物层(106)的厚度在20～1000nm之间，该层使用Mg元素进行掺杂，其中的自由空穴浓度在1×1017～1×1020cm-3之间。
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