CN109950374A - 一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，从下到上至少包括：N型半导体层、发光层、P型半导体层，发光层为由势垒层和势阱层交替堆叠形成的多量子阱结构，其改进之处在于：相邻势垒层和势阱层之间设置有InxAl1‑xN插入层，且InxAl1‑xN插入层的能隙大于势阱层的能隙。本发明通过利用InxAl1‑xN插入层结构设计，降低TM主导的跃迁能级的电子‑空穴交叠积分，显著地增强TE模的自发辐射效率，提高c面深紫外LED的光抽取效率。

Description

一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管
技术领域
本发明涉及深紫外氮化物LED领域，特别是一种提高TE偏振发光效率的AlGaN基量子阱结构深紫外LED。
背景技术
III族氮化物LED作为紫外(UV)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。
在过去的十多年中，氮化物UV LED取得了很大的进步，最大外量效率已达20%。尽管如此，氮化物UV LED依然面临很多问题，如较低的外延层质量、较高Mg受主激活能、较低光抽取效率等等。为了解决这些问题，提高UV LED发光效率，结构设计策略普遍被研究人员所采用。申请号为201711065558.8的中国专利公开了一种提高紫外氮化物发光二极管的光抽取效率和发光效率的结构。该结构通过在多量子阱的上方和/或下方引入价带电子态控制层(AlN/GaN超晶格)，从而能对多量子阱的阱层和垒层施加压应力，提高TE偏振光强度，改善c面LED的抽取效率。申请号201810119756.6的中国专利公开了一种能够提高深紫外LED器件的光输出功率的LED结构。该结构通过设计发光层的垒层为Al组分成锯齿形渐变的尖峰和沟槽，增强有源区对电子的储藏功能，减少电子的溢出。
鉴于目前深紫外氮化物LED较低光抽取效率等问题，能够通过量子阱结构设计，提出一种新的量子阱结构，改善c面LED的TE偏振光强度，进而提高其光抽取效率。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，通过量子阱结构设计，提出一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管, 能够显著地提高AlGaN基深紫外LED的TE模自发发射率，进而改善c面LED的光抽取效率。
为了达到上述目的，本发明提出的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，从下到上至少包括：N型半导体层、发光层、P型半导体层，所述发光层为由势垒层和势阱层交替堆叠形成的多量子阱结构，其特征在于：所述相邻势垒层和势阱层之间设置有InxAl1-xN插入层，且InxAl1-xN插入层的能隙大于势阱层的能隙。
本发明在势垒层与势阱层之间引入InxAl1-xN插入层，该InxAl1-xN插入层能够降低TM主导的跃迁能级的电子-空穴交叠积分，使TM偏振主导的发射转换成TE偏振主导的发射，从而提高c面深紫外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为氮化物量子阱结构深紫外发光二极管的结构示意图。
图2为具有InxAl1-xN插入层结构LED(a)和传统AlGaN基LED(b)的势能剖面和导带子带和价带子带的波函数，其中x=0.15、势垒层为Al0.59Ga0.41N、势阱层为Al0.44Ga0.56N。
图3为具有InxAl1-xN插入层结构的LED发光二极管和传统AlGaN基LED发光二极管的不同子带间跃迁能级的光学动量矩阵元，其中x=0.15、势垒层为Al0.59Ga0.41N、势阱层为Al0.44Ga0.56N。
图4为具有InxAl1-x.N插入层结构LED和传统AlGaN基LED的TE模(a)和TM模(b)自发发射谱，其中x=0.15、势垒层为Al0.59Ga0.41N、势阱层为Al0.44Ga0.56N。
图5为具有InxAl1-xN插入层结构LED和传统AlGaN基LED的不同子带间跃迁能级的电子-空穴费米分布函数之积，其中x=0.15、势垒层为Al0.59Ga0.41N、势阱层为Al0.44Ga0.56N。
图6为具有InxAl1-xN插入层结构LED的TE偏振和TM偏振的总自发发射率随In组分变化，其中势垒层为Al0.59Ga0.41N、势阱层为Al0.44Ga0.56N。
图7为量子阱中InxAl1-xN插入层的铟组分分布情况示意图。
图8为量子阱中InxAl1-xN插入层的铟组分递增或递减分布情况示意图。
附图标注：10-衬底；20-缓冲层；30-超晶格层；40-N型半导体层；50-发光层；51-势垒层；52-InxAl1-xN插入层；53-势阱层；60-P型半导体层；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
本实施例具有InAlN插入层结构的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，如图1所示，依次包括衬底10、缓冲层20、超晶格层30、N型半导体层40、发光层50、P型半导体层60、和P型欧姆接触层70。其中，发光层50为由势垒层51、势阱层53以及势垒层与势阱层之间的InxAl1-xN插入层52周期堆叠构成的多量子阱结构。量子阱中InxAl1-xN插入层的铟组分的分布情况如图7所示。InxAl1-xN插入层带隙大于势阱层带隙，InxAl1-xN插入层厚度在1-4纳米之间，铟组分小于0.21。势阱层为AlzGa1-zN层，势阱层中铝组分1>z≥0.4，势垒层为AlyGa1-yN层，势垒层中铝组分1>y>z。InAlN插入层结构深紫外LED的最优结构为插入层与势垒层的能带排列为type-II型排列，并且插入层带隙与势垒层带隙相差在5%以内。
本实施例氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，通过在势垒层与势阱层之间引入InxAl1-xN插入层，调整跃迁能级的电子-空穴波函数分布，降低TM偏振发光强度，促使TE偏振成为主导的光发射，提高c面LED的光抽取效率。
通过有效质量理论计算可知，如图2所示，相比传统AlGaN基LED结构，InAlN插入层结构每个阱层中第一导带子带与第一价带子带之间波函数交叠积分(c1-v3、c2-v2、c3-v1)明显更小，而第一子带间跃迁普遍为TM主导的跃迁，因此InAlN插入层结构能够降低TM偏振光发射。如图3所示，InAlN插入层结构的第一子带间跃迁的TM偏振光学动量矩阵元明显比传统结构更低，并且更高跃迁能级的TE偏振光学矩阵元比第一子带间跃迁的TM偏振矩阵元更大，这将导致TM偏振主导的发光转变为TE偏振主导的发光。此外，如图4所示，相比传统AlGaN基LED结构，InAlN插入层结构的TE偏振自发发射谱的峰值强度增加了93.24%。因为自发发射率正比于动量矩阵元和电子-空穴费米分布函数之积，所以更大的电子-空穴费米分布函数之积，如图5所示，是TE偏振增强的主要原因。如图6所示，势垒层为Al0.59Ga0.41N时，最优的InxAl1-xN插入层结构的铟组分在0.15-0.17之间。此时InAlN插入层与势垒层的能带排列为type-II排列，并且带隙与势垒层带隙接近。
实施例2
本实施例公开了一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，与实施例1的区别在于，InxAl1-xN插入层的铟组分x自下而上递增或递减，铟组分的斜率在2.5%-10%（nm-1）范围，如图8所示。利用这种结构，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 (10)

1.一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，从下到上至少包括：N型半导体层、发光层、P型半导体层，所述发光层为由势垒层和势阱层交替堆叠形成的多量子阱结构，其特征在于：所述相邻势垒层和势阱层之间设置有InxAl1-xN插入层，且InxAl1-xN插入层的能隙大于势阱层的能隙。
2.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，其特征在于：所述InxAl1-xN插入层的厚度为1-4纳米。
3.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，所述InxAl1-xN插入层中铟组分x<0.21。
4. 根据权利要求3所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，其特征在于：所述势阱层为AlzGa1-zN层，势阱层中铝组分z 的取值范围为1＞z≥0.4; 所述势垒层为AlyGa1-yN层，势垒层中铝组分y 的取值范围为1＞y>z。
5.根据权利要求3或4所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，其特征在于：所述InxAl1-xN插入层与势垒层的能带排列为type-II型排列，且InxAl1-xN插入层的能隙与势垒层的能隙相差5%以内。
6.根据权利要求3或4所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，其特征在于：所述InxAl1-xN插入层中铟组分x自下而上递增或递减，铟组分递增或递减的幅度为2.5%-10%每纳米。
7.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，其特征在于：所述发光层的发光波长在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深紫外发光二极管，其特征在于：所述N型半导体层的下方还具有自下而上依次为衬底、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深紫外发光二极管，其特征在于：P型半导体层上方设置有P型欧姆接触层。
10.根据权利要求1所述的氮化物量子阱结构深紫外发光二极管，其特征在于：所述多量子阱结构的周期为2-20。
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