CN109524519B - 一种氮化物量子阱结构发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明氮化物量子阱结构发光二极管，由下至上依次包括：N型氮化物半导体、量子阱和P型氮化物半导体，量子阱为多量子阱结构，由垒层与阱层交叠构成，阱层由下至上包含有AlxGa1‑xN层和InyAl1‑yN层，其中，0.9≥x≥0.4，0.35≥y≥0.04。本发明通过设计一种type‑II型能带排列的量子阱结构，提高TE偏振的发光强度，从而提高沿c轴生长的深紫外LED的光抽取效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管，特别是一种深紫外氮化物量子阱结构发光二极管。
背景技术
III族氮化物紫外光源可应用在许多领域，如杀菌、水净化、聚合物固化、荧光分析、传感技术、快速分解环境中的有害物质以及作为高密度光记录和LED照明的光源等等。相比传统紫外光源汞灯，半导体UV光源具有可调的频率、小巧便携、低功耗、无汞环保等优势。
在过去的十年中，氮化物UV LED取得了很大的进步，市场规模已大幅扩展。由于成本、功率和效率的限制，波长范围在250至300nm的UV-B和UV-C LED的应用，就目前而言仍处于起步阶段。实际上，市场上可购买的UVB和UVC LED产品的量子效率往往只有1％-2％。这与近紫外和蓝光LED的发光效率相去甚远。一般认为，随着铝组分的增加，深紫外LED的研制会面临很多独特的技术困难，如高位错密度的晶体材料（一般在109-1010cm-2甚至更高）、高Mg受主的激活能（最高可达510-600meV）、由于内吸收、内部全反射和偏振特性而导致的非常低的抽取效率（通常低于8%）等等。基于这些技术难点，普遍的策略是改进外延生长技术或设计新的器件结构，如采用侧向外延技术提高材料质量、设计电子阻挡层来提高载流子注入效率、利用侧墙反射方法或设计具有高TE偏振光强度的量子阱层结构等方法提高抽取效率。
鉴于目前深紫外LED较低的光抽取效率等问题，有必要提出一种新的量子阱结构如type-II型能带排列结构，通过调整量子阱的能带排列提高TE偏振光强度，进而提高光抽取效率。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种结构简单的氮化物量子阱结构发光二极管。
为了达到上述目的，本发明提出的氮化物量子阱结构发光二极管，由下至上依次包括：N型氮化物半导体、量子阱和P型氮化物半导体，其特征在于：所述量子阱为多量子阱结构，由垒层与阱层交叠构成，所述阱层由下至上包含有AlxGa1-xN层和InyAl1-yN层，其中，0.9≥x≥0.4，0.35≥y≥0.04。
本发明还具有以下进一步的特征：
1、所述AlxGa1-xN层的厚度在一个原子层到4纳米范围内；InyAl1-yN层的厚度在一个原子层到4纳米范围内。
2、所述阱层还包含位于InyAl1-yN层上方的AlzGa1-zN层，其中，0.9≥z≥0.4。
3、所述AlzGa1-zN层的厚度在一个原子层到4纳米范围内。
4、所述量子阱的垒层为InyAlxGa1-x-yN层，其中，1≥x≥0.5，0.25≥y≥0。
5、所述垒层厚度在6-15纳米范围内，垒层带隙大于阱层带隙。
6、所述量子阱的能带结构为type-II型排列。
7、发光波长在210－300nm光谱范围内。
本发明通过设计一种type-II型能带排列的量子阱结构，提高TE偏振的发光强度，从而提高沿c轴生长的深紫外LED的光抽取效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为type-II型能带排列量子阱结构深紫外LED器件的结构示意图。
图2为实施例1的具有type-II型能带排列量子阱结构的阱层和垒层势能剖面图。
图3为InAlN/AlGaN异质结价带偏移值(ΔEv)与导带偏移值(ΔEc)的乘积图。
图4为通过数值仿真获得的type-II型量子阱结构LED器件和传统LED器件的TE偏振的自发发射谱。
图5为实施例2的具有type-II型能带排列量子阱结构的阱层和垒层势能剖面图。
附图标注：10-衬底；20-缓冲层；30-超晶格层；40-N型氮化物半导体；50-多量子阱结构；51-垒层；52-阱层；52-a1-阱层中的第一层AlGaN层；52-a2-阱层中的第二层InAlN层；52-a3-阱层中的第三层AlGaN层；60-P型氮化物半导体；70-P型欧姆接触层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例公开一种具有type-II型能带排列的量子阱结构深紫外氮化物发光二极管，通过调控量子阱的能带排列，提升量子阱TE模的自发发射率，从而提高沿c轴生长的深紫外LED的光抽取效率。
图1为本发明深紫外LED的结构示意图。从下至上依次包括衬底10、缓冲层20、超晶格层30、N型氮化物半导体40、多量子阱结构50、P型氮化物半导体60、和P型欧姆接触层70。其中，多量子阱结构50由垒层51和阱层52交错堆叠形成。
本实施例中，阱层由AlxGa1-xN层52-a1和InyAl1-yN层52-a2构成。参见附图2，从InAlN/AlGaN量子阱的势能剖面中，可见阱层的能带排列为type-II型排列。通过调整AlxGa1-xN层铝组分和InyAl1-yN层铟组分，即可获得type-II型能带排列的结构。图3示出了通过线性插值方法计算得到的导带偏移值(ΔEc)与价带偏移值(ΔEv)乘积图。白色区域A为可获得type-II型能带排列的铟、铝组分区间，即AlxGa1-xN层的Al组分在0.95≥x≥0.4范围；InyAl1-yN层的In组分大致在0.35≥y≥0.025范围。
阱层中，所设计的AlxGa1-xN层和InyAl1-yN层的Al组分在0.9≥x≥0.4范围； In组分在0.35≥y≥0.04范围，厚度均在一个原子层到4纳米范围内；垒层InyAlxGa1-x-yN层的厚度在6-15纳米范围内，垒层带隙比阱层带隙大。多量子阱结构的周期数在2-20之间。
通过有效质量理论计算可知，如图4所示，本实施例type-II型量子阱结构LED器件的TE模自发发射率远大于传统AlGaN基LED的发射率。对于沿c轴生长的氮化物LED器件，TE模发射可有效地从器件表面出射，而TM模发射从表面出射率低下。因此，提高深紫外氮化物LED器件的TE模发射率，可有效提高LED器件的光抽取效率，进而提高其发光效率。
实施例2
本实施例公开了一种具有type-II型能带排列的量子阱结构深紫外氮化物发光二极管，与实施例1的区别在于，如图5所示，阱层中除了第一层AlxGa1-xN层52-a1和第二层InyAl1-yN层52-a2，还包括第三层AlzGa1-zN层52-a3。经计算z 的取值在0.4-0.9之间效果较好。利用三层结构设计的type-II型排列的阱层，可进一步提高深紫外LED的光抽取效率和发光效率。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种氮化物量子阱结构发光二极管，由下至上依次包括：N型氮化物半导体、量子阱和P型氮化物半导体，其特征在于：所述量子阱为多量子阱结构，由垒层与阱层交叠构成，所述阱层由下至上包含有AlxGa1-xN层和InyAl1-yN层，AlxGa1-xN/InyAl1-yN能带排列为type-II型排列，其中，0.9≥x≥0.4，0.35≥y≥0.04。
2.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：所述AlxGa1-xN层的厚度在一个原子层到4纳米范围内；InyAl1-yN层的厚度在一个原子层到4纳米范围内。
3.根据权利要求2所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：所述阱层还包含位于InyAl1-yN层上方的AlzGa1-zN层，其中，0.9≥z≥0.4。
4.根据权利要求3所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：所述AlzGa1-zN层的厚度在一个原子层到4纳米范围内。
5.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：所述量子阱的垒层为InyAlxGa1-x-yN层，其中，1≥x≥0.5，0.25≥y≥0。
6.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：所述垒层厚度在6-15纳米范围内。
7.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：发光波长在210－300nm光谱范围内。
8.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：N型氮化物半导体的下方还依次设置有衬底、缓冲层和超晶格层。
9.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构发光二极管，其特征在于：P型氮化物半导体上方设置有P型欧姆接触层。
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