CN105977356A - 一种具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，该发光二极管自下而上依次包括衬底(101)、低温AlN成核层(102)、高温AlN缓冲层(103)、n型AlGaN层(104)、AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源区(105)、由p‑AlsIntGa1‑s‑tN层(1061)和p‑AlzGa1‑zN层(1062)组成的p‑AlsIntGa1‑s‑tN/p‑AlzGa1‑zN复合电子阻挡层(106)。本发明可解决传统的电子阻挡层结构在最后一个量子阱势垒和电子阻挡层之间会形成寄生电子反型层的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管(UV-LED)。
背景技术
基于三族氮化物宽禁带半导体材料的UV-LED在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景。相比于传统紫外光源汞灯，UV-LED有着无汞环保、小巧便携、低功耗、低电压等许多优势。
对于AlGaN基UV-LED，不对称的电子和空穴浓度会导致注入到有源区的电子很容易溢出到P型区，降低了量子阱中的有效复合发光，引起p型区的长波寄生复合发光。如图3所示，具有较高Al组分的AlGaN阻挡层306结构经常被用于解决这一问题。但如图2所示，传统的高Al组分AlGaN电子阻挡层306由于最后一个量子阱势垒与电子阻挡层之间较大的晶格失配会产生极化电场，从而在最后一个量子阱势垒与电子阻挡层306的界面形成电子反型层，使得非辐射复合增加，降低了器件的发光效率。同时，电子阻挡层较大的禁带宽度也会阻挡空穴的注入，从而使得空穴的注入效率和器件的发光效率降低。Chen等人利用AlInGaN材料作为电子阻挡层，调节AlInGaN材料的晶格常数缓解晶格匹配，从而使得最后一个量子阱势垒与电子阻挡层界面的极化电场有所降低。
p型AlGaN材料的掺杂效率的问题更加突出，室温下p型GaN中Mg受主的激活能为160-200meV，在AlGaN材料中Mg的激活能最高可达510-600meV，因此Mg的激活效率非常低，导致p型AlGaN的空穴浓度远低于p型GaN中的空穴浓度，和较低的电导率。
发明内容
技术问题：为了克服上述提到的问题，本发明提供了一种具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供一种具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，该发光二极管自下而上依次包括衬底、低温AlN成核层、高温AlN缓冲层、n型AlGaN层、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区、由p-AlsIntGa1-s-tN层和p-AlzGa1-zN层组成的p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层、其中z＞y＞x，0≤s，t≤1，z代表p-AlzGa1-zN层中Al组分的高低，y代表量子阱势垒AlyGa1-yN层中Al组分的高低，x代表量子阱AlxGa1-xN层中Al组分的高低，s代表p-AlsIntGa1-s-tN层中Al组分的高低，t代表p-AlsIntGa1-s-tN层中In组分的高低；p型AlGaN层，p型GaN欧姆接触层，在p型GaN欧姆接触层上引出的p型欧姆电极，在n型AlGaN层上引出的n型欧姆电极。
优选的，所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层的厚度在10～100nm之间。
优选的，禁带宽度Eg(AlyGa1-yN)＜Eg(AlsIntGa1-s-tN)＜Eg(AlzGa1-zN)。
优选的，所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层中p-AlsIntGa1-s-tN层中Al，In，Ga组分是渐变的或均匀的，相应地，其禁带宽度是递增/递减的或者不变的；
p-AlzGa1-zN中Al和Ga组分也是渐变的或均匀的，相应地，其禁带宽度是递增/递减的或者不变的。
优选的，所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层设置在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区之上或者替代有源区的多量子阱中最后一个量子阱势垒。
优选的，所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层和p型AlGaN层的掺杂剂为Mg，掺杂方式为均匀掺杂或δ掺杂，掺杂形成的空穴浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
优选的，所述衬底为极性、半极性、非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化铝、氮化镓材料中的任一种。
有益效果：本发明具有以下优点：
由于使用了p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层，不仅可解决传统结构在量子垒和电子阻挡层之间会形成寄生电子反型层的问题，还因为使用了两层的p型的电子阻挡层，所以可以更好地防止电子溢出有源区，提高电子和空穴的复合发光效率。
使用p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层能有效提高空穴的注入效率，解决UV-LED中空穴浓度低、且分布不均匀的问题，从而可以提高器件的发光功率。
附图说明
图1为本发明提供的新型UV-LED的断面结构示意图。其中数字的含义为：衬底101，低温AlN成核层102，高温AlN缓冲层103，n型AlGaN层104，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105，由p-AlsIntGa1-s-tN层1601和p-AlzGa1-zN层1602组成的p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106，p型AlGaN层107，p型GaN欧姆接触层108，p型欧姆电极109，n型欧姆电极110。
图2为采用传统的p-AlzGa1-zN电子阻挡层时，UV-LED多量子阱有源区、p-AlzGa1-zN电子阻挡层和p-AlGaN欧姆接触层的能带结构示意图。
图3为以现有技术制备的UV-LED的断面结构示意图。其中数字的含义为：衬底301、低温AlN成核层302、高温AlN缓冲层303、n型AlGaN层304、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区305、p-AlzGa1-zN电子阻挡层306，p型AlGaN层307，p型GaN欧姆接触层308，p型欧姆电极309，n型欧姆电极310。
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。
本发明提供的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，该发光二极管自下而上依次包括衬底101、低温AlN成核层102、高温AlN缓冲层103、n型AlGaN层104、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105、由p-AlsIntGa1-s-tN层1061和p-AlzGa1-zN层1062组成的p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106、其中z＞y＞x，0≤s，t≤1，z代表p-AlzGa1-zN层中Al组分的高低，y代表量子阱势垒AlyGa1-yN层中Al组分的高低，x代表量子阱AlxGa1-xN层中Al组分的高低，s代表p-AlsIntGa1-s-tN层中Al组分的高低，t代表p-AlsIntGa1-s-tN层中In组分的高低；p型AlGaN层107，p型GaN欧姆接触层108，在p型GaN欧姆接触层108上引出的p型欧姆电极109，在n型AlGaN层104上引出的n型欧姆电极110。
所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106的厚度在10～100nm之间。
禁带宽度Eg(AlyGa1-yN)＜Eg(AlsIntGa1-s-tN)＜Eg(AlzGa1-zN)。
所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106中p-AlsIntGa1-s-tN层1061中Al，In，Ga组分是渐变的或均匀的，相应地，其禁带宽度是递增/递减的或者不变的；
p-AlzGa1-zN 1062中Al和Ga组分也是渐变的或均匀的，相应地，其禁带宽度是递增/递减的或者不变的。
所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106设置在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105之上或者替代有源区的多量子阱中最后一个量子阱势垒。
所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106和p型AlGaN层107的掺杂剂为Mg，掺杂方式为均匀掺杂或δ掺杂，掺杂形成的空穴浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
所述衬底101为极性、半极性、非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化铝、氮化镓材料中的任一种。
实施例
如图1所示，是本发明提供的一种具有复合电子阻挡层结构的UV-LED，包括自下而上依次设置的衬底101、低温AlN成核层102、高温AlN缓冲层103、n型AlGaN层104、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105、由p-AlsIntGa1-s-tN层1061和p-AlzGa1-zN层1062组成的p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106、其中z＞y＞x，0≤s，t≤1，p型AlGaN层107，p型GaN欧姆接触层108，在p型GaN欧姆接触层108上引出的p型欧姆电极109，在n型AlGaN层104上引出的n型欧姆电极110。
所述的衬底101为r面11-22蓝宝石。
所述的n型区104为n-AlGaN外延层，其厚度为1.5μm，n型掺杂使用Si元素进行掺杂，电子浓度在1×1018～1×1021cm-3之间。
所述的有源区105为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱，其重复周期数设置为2～10，单周期厚度在2～15nm之间。
所述的电子阻挡层106为p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层，其厚度为20nm。
所述p区107材料为p-AlGaN外延层，其厚度为200nm。
p-AlGaN外延层107和p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层106均采用Mg进行掺杂，空穴浓度为1×1017～1×1020cm-3。
所述n型电极110和p型电极109均采用Ag。
本实施例使用的p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层，不仅可解决传统UV-LED结构在最后一个量子阱势垒和电子阻挡层之间会形成寄生电子反型层的问题，而且由于使用了两层的p型电子阻挡层，所以还可以更好地阻挡电子溢出有源区，提高有源区中电子和空穴的复合发光效率。其次，使用p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层还能有效地提高器件的空穴注入效率，解决UV-LED中空穴浓度低、且分布不均匀的问题，从而可以显著地提高器件的发光效率。
本发明采用p-AlsIntGal-s-tN/AlzGal-zN复合结构作为电子阻挡层，一方面，p-AlsIntGal-s-tN层能够缓解最后一层AlyGal-yN量子阱势垒与p-AlzGal-zN电子阻挡层之间的晶格失配，可解决传统的电子阻挡层结构在最后一个量子阱势垒和电子阻挡层之间会形成寄生电子反型层的问题，从而能有效地阻挡电子溢流，极大地减弱非辐射复合，提高UV-LED的发光效率。另一方面，采用p-AlsIntGal-s-tN/AlzGal-zN复合结构作为电子阻挡层，可以提高空穴浓度，改善空穴分布的均匀性，不仅能解决UV-LED中空穴浓度较低、分布不均匀的问题，还可以增强辐射复合，从而提高器件的发光效率。
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 (7)
1.一种具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：该发光二极管自下而上依次包括衬底(101)、低温AlN成核层(102)、高温AlN缓冲层(103)、n型AlGaN层(104)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)、由p-AlsIntGa1-s-tN层(1061)和p-AlzGa1-zN层(1062)组成的p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层(106)、其中z＞y＞x，0≤s，t≤1，z代表p-AlzGa1-zN层中Al组分的高低，y代表量子阱势垒AlyGa1-yN层中Al组分的高低，x代表量子阱AlxGa1-xN层中Al组分的高低，s代表p-AlsIntGa1-s-tN层中Al组分的高低，t代表p-AlsIntGa1-s-tN层中In组分的高低；p型AlGaN层(107)，p型GaN欧姆接触层(108)，在p型GaN欧姆接触层(108)上引出的p型欧姆电极(109)，在n型AlGaN层(104)上引出的n型欧姆电极(110)。
2.根据权利要求书1所述的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层(106)的厚度在10～100nm之间。
3.根据权利要求书1所述的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：禁带宽度Eg(AlyGa1-yN)＜Eg(AlsIntGa1-s-tN)＜Eg(AlzGa1-zN)。
4.根据权利要求书1所述的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层(106)中p-AlsIntGa1-s-tN层(1061)中Al，In，Ga组分是渐变的或均匀的，相应地，其禁带宽度是递增/递减的或者不变的；
p-AlzGa1-zN(1062)中Al和Ga组分也是渐变的或均匀的，相应地，其禁带宽度是递增/递减的或者不变的。
5.根据权利要求书1所述的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层(106)设置在AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)之上或者替代有源区的多量子阱中最后一个量子阱势垒。
6.根据权利要求书1所述的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN复合电子阻挡层(106)和p型AlGaN层(107)的掺杂剂为Mg，掺杂方式为均匀掺杂或δ掺杂，掺杂形成的空穴浓度介于1×1017至1×1020cm-3之间。
7.根据权利要求书1所述的具有复合电子阻挡层结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述衬底(101)为极性、半极性、非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化铝、氮化镓材料中的任一种。
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