CN108831971B - 一种具有倒装结构的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其该二极管自下而上依次为衬底、AlN成核层、非掺杂AlN或者AlaGa1‑aN缓冲层、n型AlbGa1‑bN区、AlcGa1‑cN‑AldGa1‑dN多量子阱有源区、BN电子阻挡层、AleGa1‑eN‑BN布拉格反射镜结构p型区、重掺p型GaN层、ITO导电层、在ITO导电层上设置有p型欧姆电极，在n型AlbGa1‑bN层上设置有n型欧姆电极，且n型欧姆电极与除n型AlbGa1‑bN层以外的其他区域绝缘。该二极管有效提高了紫外LED的发光效率，同时大幅降低紫外LED的开启电压和电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有倒装结构的紫外发光二极管(LED),属于化合物半导体光电子材料与紫外LED制造领域。
背景技术
紫外光由于具有较高的光子能量和较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材料是制备紫外LED的核心材料。首先，AlnGa1-nN材料是宽禁带直接带隙半导体材料(0<n<1)，通过调节三元化合物AlnGa1-nN中的Al组分n，可以实现AlnGa1-nN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，AlnGa1-nN是一种强离子键结合的化合物，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基紫外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基紫外LED具有广泛的应用前景和巨大的研究价值。
然而，以现有技术制备的倒装结构的紫外LED的发光效率普遍较低，导致这一结果的原因主要有以下三个：1、对紫外光尤其是深紫外光透明的高Al组分p型AlGaN难以实现，而p-GaN或者低Al组分的p-AlGaN材料又会对多量子阱有源区发出的紫外光产生强烈的吸收；2、高Al组分p型AlGaN材料中空穴浓度随着Al组分的升高呈指数型下降，从而导致紫外LED的电子空穴复合发光效率显著降低；3、高Al组分p型AlGaN材料由于其中的空穴浓度低，因此与金属电极的欧姆接触难以实现，导致紫外LED开启电压过高且发热严重。另外，现有技术采用的AlGaN电子阻挡层(EBL)在阻挡电子的同时也阻碍了空穴注入有源区，使得紫外LED的电阻率偏高。
为提高倒装紫外LED的发光效率，现有技术通常采用高Al组分p型AlGaN材料作为p型区以减少p型区对多量子阱有源区发出的紫外光的吸收，或者采用高反射率的金属电极以提高对多量子阱发出的紫外光的反射效率。但是，提高p型AlGaN材料的Al组分会导致空穴浓度急剧下降，而单纯提高金属反射率并不能从根本上解决p型区域材料吸光的问题，效果十分有限。因此，现有技术并不能有效地解决倒装紫外LED发光效率低下的问题。有鉴于此，本发明提供一种具有倒装结构的紫外LED，其特征在于一方面以氮化硼(BN)替代传统的p-AlN或p-AlGaN作为电子阻挡层(EBL)，另一方面以BN和AlGaN材料组成布拉格反射镜(DBR)结构，替代传统的p-AlGaN区域。因为Mg在BN材料中的激活能(＜30meV)远小于其在AlGaN材料(>170meV)中的激活能，所以本发明提供的p型区既可以为多量子阱有源区提供更多的空穴，又由于DBR的引入所以能够对多量子阱发出的紫外光形成高效反射。同时，采用BN作为EBL使得其与多量子阱的势垒之间的价带不连续较小，因而也可以提高空穴注入有源区的效率，从而使紫外LED的发光效率获得大幅提高。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种具有倒装结构的紫外发光二极管，该结构一方面采用AlGaN-BN DBR作为紫外LED的p型区，另一方面采用BN作为紫外LED的EBL，因而可以从根本上解决传统倒装结构的紫外LED出光效率低，开启电压大等问题；而且，在此DBR的p型区上，本发明提供的倒装结构依然可以利用当前发展成熟的重掺p-GaN欧姆接触层和ITO材料透明导电层工艺和技术，从而可以有效缓解电流注入时发生的电流拥堵效应。
技术方案：本发明提供了一种具有倒装结构的紫外发光二极管，该二极管包括自下而上依次接触设置的衬底、AlN成核层、非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层、n型AlbGa1-bN区、AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区、BN电子阻挡层、AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区、重掺p型GaN层和ITO导电层，在ITO导电层上接触设置有p型欧姆电极，在n型AlbGa1-bN层上还接触设置有n型欧姆电极，n型欧姆电极向上贯穿其他区域并伸出ITO导电层，其其与除n型AlbGa1-bN区以外的其他区域之间设置有绝缘层，其中0<c<a、b、d、e<1。
其中：
所述的n型欧姆电极与除n型AlbGa1-bN区以外的其他区域绝缘，是指n型欧姆电极与n型AlbGa1-bN区接触，且向上贯穿其他区域并伸出ITO导电层，其与除n型AlbGa1-bN区以外的其他区域之间设置有绝缘层。
所述BN电子阻挡层的厚度为2～20nm。
所述AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区对AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区的发光形成高效反射，AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区由AleGaeN层和BN层上下交替重复排列组成，重复周期数为1～10，且AleGaeN层和BN层的厚度满足布拉格反射条件。
所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化铝或者氮化硼，且衬底的表面为光滑平面，或者为带有各种图形化结构或具有增透功能结构的平面。
所述AlN成核层的厚度为5～40nm。
所述非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层的厚度为50～5000nm，且该缓冲层的结构为薄膜结构、纳米柱结构或二维光子晶体增透结构。
所述n型AlbGa1-bN区的厚度为200～5000nm。
所述AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区的量子阱的阱宽为1～10nm，势垒的厚度为1～30nm，重复周期数为1～50，重掺p型GaN层的厚度为10～100nm。
所述p型欧姆电极和n型欧姆电极的材料为Ni、Al、Au或Ti中的任何一种金属或由以上多种金属构成的合金材料，绝缘层材料为SiO2或者氮化硅。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)该结构一方面采用AlGaN-BN DBR作为紫外LED的p型区，另一方面采用BN作为紫外LED的EBL，因为BN EBL与多量子阱的势垒之间的导带不连续较大而价带不连续较小，所以一方面可对电子形成较高势垒，另一方面又对空穴形成较低势垒，甚至负势垒，因此采用BN作为EBL可以在减小电子溢流的同时增加空穴的注入效率，从而提高紫外LED的发光效率，因而可以从根本上解决传统倒装结构的紫外LED出光效率低，开启电压大等问题；
2)在DBR的p型区上，本发明提供的倒装结构依然可以利用当前发展成熟的重掺p-GaN欧姆接触层和ITO材料透明导电层工艺和技术，从而可以有效缓解电流注入时发生的电流拥堵效应；
3)因为Mg在BN材料中的激活能(＜30meV)远小于其在AlGaN材料(>170meV)中的激活能，所以本发明采用的AlGaN-BN DBR p型区可以为多量子阱有源区提供更多的空穴；
4)由于BN和AlGaN的折射率相差较大，因此AlGaN-BN DBR可对多量子阱有源区发出的紫外光形成高效的反射。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有倒装结构的紫外发光二极管结构示意图；
图中有：衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层103、n型AlbGa1-bN区104、AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区105、BN电子阻挡层106、AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区107、重掺p型GaN层108、ITO导电层109、p型欧姆电极110、n型欧姆电极111和绝缘层112；
图2为现有技术制备的倒装结构紫外发光二极管结构示意图；
图中有：衬底201、AlN成核层202、非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层203、n型AlbGa1-bN区204、AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区205、AleGa1-eN电子阻挡层206、AlfGa1-fN p型区207、金属反射镜208、p型欧姆电极210、n型欧姆电极211和绝缘层212。
具体实施方式
图1为本发明提供的一种具有倒装结构的紫外发光二极管结构示意图，从图中可以看出，该二极管包括自下而上依次接触设置的衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层103、n型AlbGa1-bN区104、AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区105、BN电子阻挡层106、AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区107、重掺p型GaN层108和ITO导电层109，在ITO导电层109上接触设置有p型欧姆电极110，在n型AlbGa1-bN层104上还接触设置有n型欧姆电极111，且n型欧姆电极111向上贯穿其他区域并伸出ITO导电层109，其与除n型AlbGa1- bN层104以外的其他区域之间设置有绝缘层112；其中0<c<a、b、d、e<1。
所述BN电子阻挡层106的厚度为2～20nm；
所述AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区107对AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区105的发光形成高效反射，AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区(107)由AleGaeN层和BN层上下交替重复排列组成，重复周期数为1～10，且AleGaeN层和BN层的厚度满足布拉格反射条件。
所述衬底101的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化铝或者氮化硼，且衬底101的表面为光滑平面，或者为带有各种图形化结构或具有增透功能结构的平面。
所述AlN成核层102的厚度为5～40nm。
所述非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层103的厚度为50～5000nm，且该缓冲层的结构为薄膜结构、纳米柱结构或二维光子晶体增透结构。
所述n型AlbGa1-bN区(104)的厚度为200～5000nm。
所述AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区105的量子阱的阱宽为1～10nm，势垒的厚度为1～30nm，重复周期数为1～50，重掺p型GaN层(108)的厚度为10～100nm。
所述p型欧姆电极110和n型欧姆电极111的材料为Ni、Al、In、Au或Ti中的任何一种金属或由以上多种金属构成的合金材料，绝缘层112材料为SiO2或者氮化硅。
实施例1：
一种具有倒装结构的紫外发光二极管结构，该二极管包括自下而上依次接触设置的衬底101、AlN成核层102、非掺杂AlN缓冲层103、n型Al0.5Ga1-0.5N区104、Al0.45Ga0.55N-Al0.6Ga0.4N多量子阱有源区105、BN电子阻挡层106、Al0.6Ga0.4N-BN布拉格反射镜结构p型区107、重掺p型GaN层108和ITO导电层109，在ITO导电层109上接触设置有p型欧姆电极110，在n型Al0.5Ga0.5N区104上还接触设置有n型欧姆电极111，且n型欧姆电极111向上贯穿其他区域并伸出ITO导电层109，其与除n型Al0.5Ga0.5N区104以外的其他区域之间设置有绝缘层112；
其中：
所述BN电子阻挡层106的厚度为3nm；
所述Al0.6Ga0.4N-BN布拉格反射镜结构p型区107中的Al0.6Ga0.4N和BN层的厚度满足布拉格反射条件,重复周期数为5；
所述衬底101为蓝宝石材质，其表面形状为纳米级图形化结构；
所述AlN成核层102的厚度为20nm。
所述非掺杂AlN缓冲层103的厚度为1000nm，其形状为均匀薄膜。
所述n型Al0.5Ga0.5N区104的厚度为3000nm；
所述Al0.45Ga0.55N-Al0.6Ga0.4N多量子阱有源区105的量子阱的阱宽为3nm，势垒的厚度为7nm，重复周期数为10，重掺p型GaN层108的厚度为20nm；
所述p型欧姆电极110和n型欧姆电极111的材料为Ni-Au合金材料，绝缘层112材料为SiO2。
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 (9)
1.一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：该二极管包括自下而上依次接触设置的衬底(101)、AlN成核层(102)、非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层(103)、n型AlbGa1-bN区(104)、AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区(105)、BN电子阻挡层(106)、AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区(107)、重掺p型GaN层(108)和ITO导电层(109)，在ITO导电层(109)上接触设置有p型欧姆电极(110)，在n型AlbGa1-bN层(104)上还接触设置有n型欧姆电极(111)，n型欧姆电极(111)向上贯穿其他区域并伸出ITO导电层(109)，n型欧姆电极(111)与除n型AlbGa1-bN区(104)以外的其他区域之间设置有绝缘层(112)，其中0<c<a、b、d、e<1。
2.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述BN电子阻挡层(106)的厚度为2～20nm。
3.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述AleGa1- eN-BN布拉格反射镜结构p型区(107)对AlcGa1-cN-AldGa1-dN多量子阱有源区(105)的发光形成高效反射，AleGa1-eN-BN布拉格反射镜结构p型区(107)由AleGaeN层和BN层上下交替重复排列组成，重复周期数为1～10，且AleGaeN层和BN层的厚度满足布拉格反射条件。
4.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述衬底(101)的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化铝或者氮化硼，且衬底(101)的表面为光滑平面，或者为带有各种图形化结构或具有增透功能结构的平面。
5.如权利要求1所述的一种具有倒装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5～40nm。
6.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述非掺杂AlN或者AlaGa1-aN缓冲层(103)的厚度为50～5000nm，且该缓冲层的结构为薄膜结构、纳米柱结构或二维光子晶体增透结构。
7.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述n型AlbGa1-bN区(104)的厚度为200～5000nm。
8.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述AlcGa1- cN-AldGa1-dN多量子阱有源区(105)的量子阱的阱宽为1～10nm，势垒的厚度为1～30nm，重复周期数为1～50，重掺p型GaN层(108)的厚度为10～100nm。
9.如权利要求1所述的一种具有倒装结构的紫外发光二极管，其特征在于：所述p型欧姆电极(110)和n型欧姆电极(111)的材料为Ni、Al、In、Au或Ti中的任何一种金属或由以上多种金属中的任意几种金属构成的合金材料，绝缘层(112)材料为SiO2或者氮化硅。
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