CN107240627A - 一种具有双掺杂多量子阱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双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，包括：由下至上依次设置的衬底，AlN中间层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、双掺杂的AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源区、AlzGa1‑zN电子阻挡层，其中z>y>x，p型AlGaN层和透明导电层，在n型AlGaN层和透明导电层上分别设置的n型欧姆电极和p型欧姆电极。本发明的有益效果为：本发明可形成与极化电场方向相反的补偿电场，一方面有利于减缓甚至消除量子阱的能带倾斜，增加量子阱势垒层的有效高度，提高载流子，特别是电子在多量子阱结构中分布的均匀性；另一方面，增加了量子阱中的电子与空穴的波函数在空间上的重叠程度，提高了电子与空穴的辐射复合效率，从而能够显著提升UV‑LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料和器件制造的技术领域，尤其是一种具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管。
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，而被广泛地应用于杀菌消毒、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。
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中的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210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，相比汞灯和氙灯等传统气体紫外光源有显著优势，因此AlGaN基UV-LED具有广泛的应用前景和巨大的研究价值。
然而，如图3所示的、以现有技术制备的多量子阱结构的AlGaN基UV-LED的发光效率普遍较低。存在于量子阱中的极化电场是造成UV-LED的发光效率低下的一个重要因素。由于纤锌矿结构AlGaN基材料沿(0001)方向存在数量级高达MV/cm的强极化电场，该极化电场可引起强烈的量子限制斯塔克效应(QCSE)，使得量子阱能带发生倾斜，产生附加势垒，阻碍载流子的输运，造成电子和空穴波函数的空间分离，从而极大地降低极性(0001)面AlGaN基UV-LED的发光效率。
为提高UV-LED的发光效率，现有技术通常采用降低量子阱中阱层的厚度或减小量子阱阱深等方法来削弱极化电场对电子和空穴复合效率的影响，以提高UV-LED的发光效率。然而降低量子阱中阱层的厚度会对异质结界面的陡峭度产生极高的要求，而减小量子阱阱深将会增加载流子分布的不均匀，具体表现为大量电子会堆积在多量子阱结构的最后一个量子阱中，容易引起电子溢流。故现有技术并不能有效地解决极性器件中由于极化电场造成的UV-LED发光效率下降的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，能够形成与极化电场方向相反的补偿电场，从而能抵消极化电场，有效提高AlGaN基UV-LED的发光效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，包括：由下至上依次设置的衬底101，AlN中间层102、非掺杂AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105、AlzGa1-zN电子阻挡层106，其中z>y>x，p型AlGaN层107和透明导电层108，在n型AlGaN层和透明导电层上分别设置的n型欧姆电极109和p型欧姆电极110。
优选的，所述衬底101为可外延生长出极性、半极性GaN基材料的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓和氮化铝等衬底中的任何一种。
优选的，所述AlN中间层102的厚度为5-5000nm，非掺杂AlGaN缓冲层103的厚度为50-5000nm，n型AlGaN层104的厚度为200-5000nm，双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105结构中的AlxGa1-xN量子阱的阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN复合势垒的垒厚为3-30nm，重复周期数为1-50，其中最后一个周期以复合势垒层结尾，双掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105中n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053的厚度分别为0.2-1nm，非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1052的厚度为3-30nm，AlzGa1-zN电子阻挡层106的厚度为3-30nm，其中z>y>x。
优选的，所述的双掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105自下而上依次包括n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1052和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053组成的复合势垒层、以及非掺杂AlxGa1-xN量子阱层1054，其中最后一个周期以复合势垒层结尾。
优选的，所述的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105中n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051利用Si、S、Se和Te等n型杂质进行掺杂，其中的电子浓度为1×1015-1×1020cm-3；所述的p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053利用Mg、Be、Zn和Cd等p型杂质进行掺杂，其中的空穴浓度为1×1015-1×1019cm-3。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种具有双掺杂多量子阱结构的UV-LED，通过对多量子阱有源区中势垒层的上下异质结界面处分别进行p型掺杂和n型掺杂，可形成与极化电场方向相反的补偿电场，一方面有利于减缓甚至消除量子阱的能带倾斜，增加量子阱势垒层的有效高度，提高载流子，特别是电子在多量子阱结构中分布的均匀性；另一方面，由于补偿电场对极化电场的抵消作用，在抑制发光波长红移的同时，增加了量子阱中的电子与空穴的波函数在空间上的重叠程度，提高了电子与空穴的辐射复合效率，从而能够显著提升UV-LED的发光效率。因此，本发明对于制备高发光效率的UV-LED具有十分重要的意义。
附图说明
图1为本发明的具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管的断面结构示意图。
图2为本发明的双掺杂多量子阱结构部分105的放大断面结构示意图。
图3为现有技术制备的极性紫外发光二极管的多量子阱结构部分305的放大断面结构示意图。
其中，101、衬底；102、AlN中间层；103、非掺杂AlGaN缓冲层；104、n型AlGaN层；105、双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区；106、AlzGa1-zN电子阻挡层；107、p型AlGaN层；108、透明导电层；109、n型欧姆电极；110、p型欧姆电极；1051、n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层；1052、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层；1053、p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层；1054、非掺杂AlxGa1-xN量子阱层；3051、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层；3052、非掺杂AlxGa1-xN量子阱层。
具体实施方式
如图1所示，一种具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，包括：由下至上依次设置的极性c面蓝宝石衬底101、AlN中间层102、非掺杂AlGaN缓冲层103、n型AlGaN层104、双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105、AlzGa1-zN电子阻挡层106、其中z>y>x，p型AlGaN层107和透明导电层108，在n型AlGaN层和透明导电层上分别设置的n型欧姆电极109和p型欧姆电极110。
图2为本发明提供的具有双掺杂多量子阱结构的UV-LED的双掺杂多量子阱结构部分105的放大断面结构示意图，其特征在于：所述的双掺杂多量子阱105自下而上依次包括由n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1052和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053组成的复合势垒层、以及非掺杂AlxGa1-xN量子阱层1054。
所述AlN中间层102的厚度为5-5000nm，非掺杂AlGaN缓冲层103的厚度为50-5000nm，n型AlGaN层104的厚度为200-5000nm，双掺杂的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复合势垒的垒厚为3-30nm，重复周期数为1-50，其中最后一个周期以复合势垒层结尾，双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105中n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053的厚度分别为0.2-1nm，非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1052的厚度为3-30nm，AlzGa1-zN电子阻挡层106的厚度为3-30nm，其中z>y>x。
所述的双掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105自下而上依次包括n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1052和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053组成的复合势垒层、以及非掺杂AlxGa1-xN量子阱层1054，其中最后一个周期以复合势垒层结尾。
所述的双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105中n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051利用Si进行掺杂，其中Si掺杂的电子浓度为1×1015-1×1020cm-3。
所述的双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区105中p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053利用Mg进行掺杂，其中Mg掺杂的空穴浓度为1×1015-1×1019cm-3。
需着重说明的是，本发明的具有双掺杂多量子阱结构的UV-LED的核心部分自下而上依次包括由n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1051、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1052和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层1053组成的复合势垒层、以及非掺杂AlxGa1-xN量子阱层1054所共同构成的双掺杂多量子阱有源区。此部分是本发明实现形成与极化电场方向相反的补偿电场的关键。其主要作用在于减弱甚至消除由极化电场引起的量子限制斯塔克效应，因而将能极大地提高电子与空穴的辐射复合效率，显著提高UV-LED器件的发光效率。
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 (5)
1.一种具有双掺杂多量子阱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中间层(102)、非掺杂AlGaN缓冲层(103)、n型AlGaN层(104)、双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)、AlzGa1-zN电子阻挡层(106)，其中z>y>x，p型AlGaN层(107)和透明导电层(108)，在n型AlGaN层和透明导电层上分别设置的n型欧姆电极(109)和p型欧姆电极(110)。
2.如权利要求1所述的具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底(101)为可外延生长出极性、半极性GaN基材料的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓和氮化铝等衬底中的任何一种。
3.如权利要求1所述的具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述AlN中间层(102)的厚度为5-5000nm，非掺杂AlGaN缓冲层(103)的厚度为50-5000nm，n型AlGaN层(104)的厚度为200-5000nm，双掺杂的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)结构中的AlxGa1-xN量子阱的阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN复合势垒的垒厚为3-30nm，重复周期数为1-50，其中最后一个周期以复合势垒层结尾，双掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)中n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1051)和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1053)的厚度分别为0.2-1nm，非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1052)的厚度为3-30nm，AlzGa1-zN电子阻挡层(106)的厚度为3-30nm，其中z>y>x。
4.如权利要求1所述的具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述的双掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)自下而上依次包括n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1051)、非掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1052)和p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1053)组成的复合势垒层、以及非掺杂AlxGa1-xN量子阱层(1054)，其中最后一个周期以复合势垒层结尾。
5.如权利要求1所述的具有双掺杂多量子阱结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(105)中n型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1051)利用Si、S、Se和Te等n型杂质进行掺杂，其中的电子浓度为1×1015-1×1020cm-3；所述的p型掺杂AlyGa1-yN量子势垒层(1053)利用Mg、Be、Zn和Cd等p型杂质进行掺杂，其中的空穴浓度为1×1015-1×1019cm-3。
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