CN106098880B - 一种p区结构的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体为一种新型p区结构的紫外发光二极管(UV‑LED)，包括管体，管体由下至上依次设有蓝宝石衬底、AlN成核层、非掺杂u型AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、Alx1Ga1‑x1N/Alx2Ga1‑x2N量子阱有源区、p型Zny1Mg1‑y1O/Alx3Ga1‑x3N超晶格结构电子阻挡层、p型Zny2Mgy3Ni1‑y2‑y3O层和氧化铟锡透明导电层，氧化铟锡透明导电层上引出p型欧姆电极，n型AlGaN层上引出n型欧姆电极。本发明，p型Zny1Mg1‑y1O/Alx3Ga1‑x3N超晶格结构对载流子具有强的量子限制效应，能够有效抑制电子溢出有源区，p型Zny2Mgy3Ni1‑y2‑y3O层提高载流子在有源区的复合效率，采用r面、m面或者a面的蓝宝石作为衬底材料，能够得到非极性或者半极性AlGaN材料，减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，具体为一种p区结构的紫外发光二极管。
背景技术
紫外光波段范围为100～400nm，与可见光波段相比，紫外光光子能量更高，穿透能力更强，并且对于生物病毒有很强的杀伤力。由于这些性质使得紫外光源在生物化学有害物质检测、水净化、高密度存储和短波长安全通信以及军事等领域有着重大应用价值。对于紫外器件，AlGaN材料具有其固有的优势，通过对三元化合物中Al组分的选择，可以调节AlGaN带隙能量6.2eV～3.4eV，对应于200nm到365nm的光波长范围。
然而，与GaN基蓝光LED相比，在大电流注入条件下，紫外LED发光效率下降明显，且发光峰值波长往蓝光光谱方向移动。造成发光峰值波长蓝移的现象是由于随着注入电流的增大，内部电场因载流子屏蔽作用而逐渐减小导致的。研究结果表明，电子溢出有源区和空穴注入效率低已被证实是导致大电流驱动下效率衰减的关键因素。
ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料。ZnO无论在晶格结构、晶胞参数还是在禁带宽度上都与GaN相似，且具有比GaN更高的熔点和更大的激子束缚能，又具有较低的光致发光和受激辐射的阈值以及良好的机电耦合特性、热稳定性和化学稳定性。ZnMgO合金的禁带宽度可以随着Mg组分的不同得到调节，采用ZnMgO/AlGaN超晶格结构，将很大程度上提高空穴注入效率和复合几率，实现高效率的紫外发光二极管。
未掺杂的NiO薄膜材料由于本身存在大量的固有受主缺陷，从而表现为一种典型的p型半导体薄膜材料，室温下其禁带宽度为3.6～4.0eV。另外，NiO薄膜材料具有与GaN相近的晶格常数，极大地减小了材料晶格失配带来的影响。目前还没有具有p型ZnMgNiO层结构紫外发光二极管及其制备方法的报道。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种p区结构的紫外发光二极管。所述p区结构的紫外发光二极管具有降低空穴激活能，提高空穴注入效率，提高载流子在有源区的复合效率且减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种p区结构的紫外发光二极管，包括管体，所述管体由下至上依次设有蓝宝石衬底、AlN成核层、非掺杂u型AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区、p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层、p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层和氧化铟锡透明导电层，在所述氧化铟锡透明导电层上引出p型欧姆电极，在所述n型AlGaN层上引出n型欧姆电极。
优选的，所述蓝宝石衬底为r面、m面或a面中的任意一种。
优选的，所述AlN成核层的厚度为20～200nm，非掺杂u型AlGaN缓冲层的厚度为500-1000nm，n型AlGaN层的厚度为500～1000nm，Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区的周期数为10～15对，p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层的厚度为20～100nm，p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层的厚度为100～250nm。
优选的，所述p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层将Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区和p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层隔开。
优选的，所述p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层中周期数为5～8对，且下标y1，x3满足如下要求：0.7≤y1≤0.9，0.2≤x3≤1，且Alx3Ga1-x3N层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3。
优选的，所述p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层中周期数为5～8对，且下标y1，x3满足如下要求：0.7≤y1≤0.9，0.2≤x3≤1，且Alx3Ga1-x3N层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3。
优选的，所述p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3。
优选的，所述p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层中下标y2，y3满足如下要求：0.7≤y2≤0.9，0.1≤y3≤0.3。
优选的，所述Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区中下标x1，x2满足如下要求：0.1≤x1≤0.9，0.1≤x2≤0.9。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明，由于p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构具有高吸收系数、高横向载流子迁移率，对载流子具有强的量子限制效应，作为电子阻挡层能够有效抑制电子溢出有源区，另外，而采用p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层，能够极大地增加p型区的空穴浓度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，从而提高载流子在有源区的复合效率。同时，采用r面、m面或者a面的蓝宝石作为衬底材料，能够得到非极性或者半极性AlGaN材料，可以从根本上消除或者削弱量子阱中由于材料极化效应引起的能带弯曲，减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为现有技术制备的发光二极管层结构示意图。
图中：1管体、101蓝宝石衬底、102AlN成核层、103非掺杂u型AlGaN缓冲层、104n型AlGaN层、105Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区、106p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层、107p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层、108氧化铟锡透明导电层、109p型欧姆电极、110n型欧姆电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
一种p区结构的紫外发光二极管，包括管体1，管体1由下至上依次设有蓝宝石衬底101、AlN成核层102、非掺杂u型AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区105、p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层106、p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层107和氧化铟锡透明导电层108，在氧化铟锡透明导电层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，蓝宝石衬底101为r面、m面或a面中的任意一种。
AlN成核层102的厚度为20～200nm，非掺杂u型AlGaN缓冲层103的厚度为500-1000nm，n型AlGaN层104的厚度为500～1000nm，Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区105的周期数为10～15对，p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层106的厚度为20～100nm，p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层107的厚度为100～250nm，p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层106将Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区105和p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层107隔开。
p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层106中周期数为5～8对，且下标y1，x3满足如下要求：0.7≤y1≤0.9，0.2≤x3≤1，且Alx3Ga1-x3N层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3，p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层107中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3。
p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层107中下标y2，y3满足如下要求：0.7≤y2≤0.9，0.1≤y3≤0.3，Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区105中下标x1，x2满足如下要求：0.1≤x1≤0.9，0.1≤x2≤0.9。
由于p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构具有高吸收系数、高横向载流子迁移率，对载流子具有强的量子限制效应，作为电子阻挡层能够有效抑制电子溢出有源区，另外，而采用p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层，能够极大地增加p型区的空穴浓度，降低空穴激活能，提高空穴注入效率，从而提高载流子在有源区的复合效率。同时，采用r面、m面或者a面的蓝宝石作为衬底材料，能够得到非极性或者半极性AlGaN材料，可以从根本上消除或者削弱量子阱中由于材料极化效应引起的能带弯曲，减少电子与空穴波函数在空间上的分离，提高载流子的辐射复合效率。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种p区结构的紫外发光二极管，包括管体(1)，其特征在于：所述管体(1)由下至上依次设有蓝宝石衬底(101)、AlN成核层(102)、非掺杂u型AlGaN缓冲层(103)、n型AlGaN层(104)、Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区(105)、p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层(106)、p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层(107)和氧化铟锡透明导电层(108)，在所述氧化铟锡透明导电层(108)上引出p型欧姆电极(109)，在所述n型AlGaN层(104)上引出n型欧姆电极(110)。
2.根据权利要求1所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述蓝宝石衬底(101)为r面、m面或a面中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述AlN成核层(102)的厚度为20～200nm，非掺杂u型AlGaN缓冲层(103)的厚度为500-1000nm，n型AlGaN层(104)的厚度为500～1000nm，Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区(105)的周期数为10～15对，p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层(106)的厚度为20～100nm，p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层(107)的厚度为100～250nm。
4.根据权利要求1所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层(106)将Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区(105)和p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层(107)隔开。
5.根据权利要求4所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p型Zny1Mg1-y1O/Alx3Ga1-x3N超晶格结构电子阻挡层(106)中周期数为5～8对，且下标y1，x3满足如下要求：0.7≤y1≤0.9，0.2≤x3≤1，且Alx3Ga1-x3N层中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层(107)中采用掺杂Mg，其中Mg的掺杂浓度介于1×1018～1×1020cm-3。
7.根据权利要求1所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p型Zny2Mgy3Ni1-y2-y3O层(107)中下标y2，y3满足如下要求：0.7≤y2≤0.9，0.1≤y3≤0.3。
8.根据权利要求1所述的一种p区结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述Alx1Ga1- x1N/Alx2Ga1-x2N量子阱有源区(105)中下标x1，x2满足如下要求：0.1≤x1≤0.9，0.1≤x2≤0.9。
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