CN107195746B - 一种具有共振隧穿结构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共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，包括：由下而上依次设置的衬底、n型氮化物层、多量子阱层、电子阻挡层、p型氮化物层、p型氮化物欧姆接触层，所述n型氮化物层上设置的n型电极和所述p型氮化物层上设置的p型电极；其中电子阻挡层由由下而上依次设置的p型掺杂氮化物势垒层，非掺杂氮化物势阱层、利用共振隧穿效应增大空穴透过率的非掺杂势垒层联合构成。本发明的有益效果为：可以有效地阻挡电子穿过有源区进入p型区，又可以增大空穴穿过电子阻挡层注入有源区的效率；可利用较简单的生长方式和较少的层结构就能达到很好的电子阻挡效果，同时获得明显高于传统电子阻挡层结构的空穴注入效率。
Description
技术领域
本发明涉及化合物半导体光电子材料和器件的制造技术领域，尤其是一种具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管。
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，其中漏电流的存在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。
由于电子具有比空穴更小的有效质量和更高的迁移率，所以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2所示，目前商业化的GaN基LED通常使用p-AlGaN204作为电子阻挡层，将电子限制在InGaN/GaN多量子阱203有源区域中以减小漏电流。研究发现在多量子阱层203的最后一个势垒层和p-AlGaN电子阻挡层204的导带之间存在较大的能带偏移，这固然有助于阻挡电子溢出多量子阱有源区域，但与此同时由于多量子阱层203的最后一个势垒层和p-AlGaN电子阻挡层204之间所存在的极化电场也会使得价带能带发生大幅度弯曲从而对空穴形成较高的有效势垒，因而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，其中包括采用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。然而这些电子阻挡层仍然无法令人满意地解决最大的技术问题：p型电子阻挡层对电子泄露的阻挡效果越明显，空穴注入效率的下降就越大，因此导致LED器件的载流子复合效率与发光效率依然较低。所以，进一步改进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
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，能够显著提高氮化钾基LED的发光效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，包括：由下而上依次设置的衬底101、n型氮化物层102、多量子阱层103、电子阻挡层104、p型氮化物层105、p型氮化物欧姆接触层106，所述n型氮化物层上设置的n型电极107和所述p型氮化物层上设置的p型电极108；其中电子阻挡层104由由下而上依次设置的p型掺杂氮化物势垒层1041，非掺杂氮化物势阱层1042、利用共振隧穿效应增大空穴透过率的非掺杂势垒层1043联合构成。
优选的，所述的共振隧穿结构电子阻挡层104，分别选用组分均匀的GaN等二元氮化物材料，AlGaN、InGaN等三元氮化物材料，AlInGaN等四元氮化物材料；其中p型势阱层1041的掺杂剂为Mg，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
优选的，所述的共振隧穿结构电子阻挡层104中非掺杂氮化物势阱层1042的禁带宽度小于p型掺杂氮化物势垒层1041、非掺杂势垒层1043和多量子阱层103中势垒层的禁带宽度，而p型掺杂氮化物势垒层1041与非掺杂势垒层1043的禁带宽度均大于多量子阱层103中势垒层的禁带宽度；p型掺杂氮化物势垒层1041的厚度为0.5-6nm，使用Mg元素进行p掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3；非掺杂氮化物势阱层1042的厚度为3-10nm，而非掺杂氮化物势垒层1043的厚度为0.5-6nm。
优选的，所述的p型氮化物层105的厚度在20～1000nm之间，选用组分均匀的p型GaN等二元氮化物材料，p型AlGaN、InGaN等三元氮化物材料，p型AlInGaN等四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN等氮化物材料；该p型氮化物层可使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
优选的，所述的多量子阱层103的重复周期数为2～10，每个周期的厚度为2～15nm，可选用组分均匀的GaN等二元氮化物材料，AlGaN、InGaN等三元氮化物材料，AlInGaN等四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN等氮化物材料。
优选的，所述的n型氮化物层102的厚度为0.5～5μm，可选用组分均匀的n型GaN等二元氮化物材料，n型AlGaN等三元氮化物材料，n型AlInGaN等四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN等氮化物材料；该n型氮化物层可使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1021cm-3。
优选的，衬底101可为极性、半极性或非极性取向的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝等材料。
本发明的有益效果为：由于LED中电子与空穴的能量差别较大，通过调制共振隧穿结构电子阻挡层中各层的厚度与禁带宽度，既可以有效地阻挡电子穿过有源区进入p型区，又可以增大空穴穿过电子阻挡层注入有源区的效率；相比于现有技术制作的超晶格结构电子阻挡层与组分渐变的电子阻挡层，本发明提供的基于量子阱共振隧穿效应制作的电子阻挡层，可利用较简单的生长方式和较少的层结构就能达到很好的电子阻挡效果，同时获得明显高于传统电子阻挡层结构的空穴注入效率。
附图说明
图1为本发明具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管的断面层结构示意图。
图2为现有技术制备的发光二极管断面层结构示意图。
图3为本发明的多量子阱层103与电子阻挡层104的能带结构示意图。
图4为本发明的双势垒单势阱电子阻挡层结构中粒子的透过率T(E)与粒子能量(E)的关系曲线示意图。
其中，101、衬底；102、n型氮化物层；103、多量子阱层；104、电子阻挡层；105、p型氮化物层；106、p型氮化物欧姆；107、n型电极；108、p型电极；201、衬底；202、n型氮化物层；203、氮化物多量子阱层；204、p型氮化物电子阻挡层；205、p型氮化物层；206、p型氮化物欧姆接触层；207、n型电极；208、p型电极。
具体实施方式
如图1所示，一种具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，包括：由下而上依次设置的m面蓝宝石衬底101、n型AlGaN层102、AlGaN/AlN多量子阱层103、共振隧穿结构电子阻挡层104、p型AlGaN层105、ITO欧姆接触层106，所述n型AlGaN层上设置的Ti金属层作为n型电极107和所述p型AlGaN层上设置的Ni/Ag合金层作为p型电极108，其中电子阻挡层104由p型掺杂AlGaN势垒层1041、非掺杂AlGaN势阱层1042、非掺杂AlGaN势垒层1043构成。该电子阻挡层可以有效地阻挡电子越过多量子阱层103进入p型区，从而可以减小漏电流，同时又有利于空穴注入多量子阱层103。
所述的n型AlGaN层102作为LED的n型区，其厚度为3μm，该层使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1019cm-3。n型氮化物层102的厚度为0.5～5μm，可选用组分均匀的n型GaN等二元氮化物材料，n型AlGaN等三元氮化物材料，n型AlInGaN等四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN等氮化物材料。该n型氮化物层可使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1021cm-3。
所述的AlGaN/AlN多量子阱层103中AlGaN层的Al组分为45％，其重复周期数设置为8，每个周期的厚度为10nm。多量子阱层103的重复周期数为2～10，每个周期的厚度为2～15nm，可选用组分均匀的GaN等二元氮化物材料，AlGaN、InGaN等三元氮化物材料，AlInGaN等四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN等氮化物材料。
所述的共振隧穿结构电子阻挡层104由p型掺杂AlGaN势垒层1041、非掺杂AlGaN势阱层1042、非掺杂AlGaN势垒层1043构成，其中p型掺杂氮化物势垒层1041，厚度为0.5-6nm，使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1017cm-3，非掺杂氮化物势阱层1042的厚度为3-10nm，而非掺杂氮化物势垒层1043的厚度为0.5-6nm，各层的具体厚度与组分可根据量子力学理论计算得到。
共振隧穿结构电子阻挡层104，可以分别选用组分均匀的GaN等二元氮化物材料，AlGaN、InGaN等三元氮化物材料，AlInGaN等四元氮化物材料。其中p型势阱层1041的掺杂剂为Mg，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
共振隧穿结构电子阻挡层104中非掺杂氮化物势阱层1042的禁带宽度小于p型掺杂氮化物势垒层1041、非掺杂势垒层1043和多量子阱层103中势垒层的禁带宽度，而p型掺杂氮化物势垒层1041与非掺杂势垒层1043的禁带宽度均大于多量子阱层103中势垒层的禁带宽度。p型掺杂氮化物势垒层1041的厚度为0.5-6nm，使用Mg元素进行p掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。非掺杂氮化物势阱层1042的厚度为3-10nm，而非掺杂氮化物势垒层1043的厚度为0.5-6nm。
电子阻挡层各层的厚度与禁带宽带均需要根据LED的发光波长进行优选调制，从而使得电子阻挡层既能够有效阻挡多量子阱有源区中的电子泄露到p型区域，又能够不妨碍空穴从p型区域透过(注入)到有源区。
所述的p型AlGaN层105作为LED的p型区，其厚度为300nm，该层使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1018cm-3。p型氮化物层105的厚度在20～1000nm之间，可选用组分均匀的p型GaN等二元氮化物材料，p型AlGaN、InGaN等三元氮化物材料，p型AlInGaN等四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN等氮化物材料。该p型氮化物层可使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
需着重说明的是，上述实施例所提供的新型LED的核心部分包括由p型掺杂AlGaN势垒层1041、非掺杂AlGaN势阱层1042和非掺杂AlGaN势垒层1043所构成的共振隧穿结构电子阻挡层104，其能带结构如图3所示。由于该双势垒单势阱电子阻挡层所具有的共振隧穿效应，通过调制电子阻挡层中各层的厚度与禁带宽度，可使得与该双势垒单势阱电子阻挡层对应的透过率极小的粒子能量值EB恰好为量子阱中电子的能量值，而透过率极大的粒子能量值EA恰好为量子阱中空穴的能量值，这样就能使该电子阻挡层在有效阻挡电子从有源区泄露的同时，提高空穴穿过电子阻挡层的能力，从而解决现有技术所致的空穴注入效率下降的问题。
与现有技术制备的LED相比，本发明提供的具有共振隧穿结构电子阻挡层的LED中的共振隧穿结构电子阻挡层是一种双势垒单势阱结构，其能带结构如图3所示。对于特定能量的粒子，面对高于自身能量的势垒，按照量子力学的观点，考虑到粒子的波动性，将会有一部分粒子以一定的几率穿过势垒，而另一部分粒子则会被势垒反弹或者反射回去。当入射粒子的能量与双势垒之间势阱中的量子化能级相等时，即满足共振隧穿条件时，粒子可在两势垒间来回反射，产生相长干涉的现象，直到入射波和出射波波幅相等，此时粒子的透过系数T＝1，形成共振隧穿。本发明的双势垒单势阱结构中量子化能级的值由各层的厚度与禁带宽度决定。如图4所示，对于一个各层厚度与禁带宽度均一定的双势垒单势阱结构，当粒子能量逐渐从零上升到EA时，恰好满足了该双势垒单势阱的共振隧穿条件，从而使透过率达到一个极大值TA。但当粒子能量继续上升时，由于粒子能量不再满足共振隧穿条件，透过率反而随着能量的上升而逐渐下降至极小值TB。之后随着粒子能量的继续上升，粒子的透过率将再次增大。由于在LED中，电子的能量一般高于空穴能量，故在本发明所提供的共振隧穿结构电子阻挡层中，通过优化调制各层的厚度与禁带宽度，可使得与该双势垒单势阱电子阻挡层对应的透过率极小的粒子能量值EB恰好为量子阱中电子的能量值，而对应的透过率极大的粒子能量值EA恰好为空穴的能量值，这样就能使本发明所提供的共振隧穿结构电子阻挡层在有效阻挡电子的同时大大增加空穴的透过率或者空穴注入效率。此外，本发明所采用的对共振隧穿结构电子阻挡层中临近量子阱有源区的势垒层进行p型掺杂有利于进一步增加注入多量子阱有源区的空穴浓度。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (7)
1.一种具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，包括：由下而上依次设置的衬底(101)、n型氮化物层(102)、多量子阱层(103)、电子阻挡层(104)、p型氮化物层(105)、p型氮化物欧姆接触层(106)，所述n型氮化物层上设置的n型电极(107)和所述p型氮化物层上设置的p型电极(108)；其中电子阻挡层(104)由由下而上依次设置的p型掺杂氮化物势垒层(1041)，非掺杂氮化物势阱层(1042)、利用共振隧穿效应增大空穴透过率的非掺杂势垒层(1043)联合构成；所述的共振隧穿结构电子阻挡层(104)中非掺杂氮化物势阱层(1042)的禁带宽度小于p型掺杂氮化物势垒层(1041)、非掺杂势垒层(1043)和多量子阱层(103)中势垒层的禁带宽度，而p型掺杂氮化物势垒层(1041)与非掺杂势垒层(1043)的禁带宽度均大于多量子阱层(103)中势垒层的禁带宽度。
2.如权利要求1所述的具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述的共振隧穿结构电子阻挡层(104)，分别选用组分均匀的GaN二元氮化物材料，AlGaN、InGaN三元氮化物材料，AlInGaN四元氮化物材料；其中p型势阱层(1041)的掺杂剂为Mg，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
3.如权利要求1所述的具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，p型掺杂氮化物势垒层(1041)的厚度为0.5-6nm，使用Mg元素进行p掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3；非掺杂氮化物势阱层(1042)的厚度为3-10nm，而非掺杂氮化物势垒层(1043)的厚度为0.5-6nm。
4.如权利要求1所述的具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述的p型氮化物层(105)的厚度在20～1000nm之间，选用组分均匀的p型GaN二元氮化物材料，p型AlGaN、InGaN三元氮化物材料，p型AlInGaN四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料；该p型氮化物层使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
5.如权利要求1所述的具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述的多量子阱层(103)的重复周期数为2～10，每个周期的厚度为2～15nm，选用组分均匀的GaN二元氮化物材料，AlGaN、InGaN三元氮化物材料，AlInGaN四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料。
6.如权利要求1所述的具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述的n型氮化物层(102)的厚度为0.5～5μm，选用组分均匀的n型GaN二元氮化物材料，n型AlGaN三元氮化物材料，n型AlInGaN四元氮化物材料以及组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料；该n型氮化物层使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1021cm-3。
7.如权利要求1所述的具有共振隧穿结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，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。
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