CN110165030A - 一种基于AlGaN的深紫外LED发光器 - Google Patents

一种基于AlGaN的深紫外LED发光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光电二极管领域，提供一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，从下至上依次包括衬底、N型层、N型插入层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型层，还包括从N型层引出的n型欧姆电极以及从P型层引出的p型欧姆电极。与现有技术相比，由于在N型层和多量子阱区之间插入了这种N型插入层，这种结构主要可以储蓄电子起到促进电子注入有源区的作用，其次在该插入层区域，价带的对空穴的阻挡势垒高度有所提升，可以对空穴注入N型层有较好的抑制作用。该插入层对有源区中的载流子有着较好的限制作用，进而促进电子空穴发生辐射复合，提升辐射复合效率，最终深紫外LED的光输出功率和内量子效率都有了明显提升。

Description

一种基于AlGaN的深紫外LED发光器
技术领域
本发明涉及光电二极管领域，特别涉及一种基于AlGaN的深紫外LED发光器。
背景技术
由于AlGaN的深紫外LED广泛的应用范围，包括隐蔽通信、生物检测、化学分解、灭菌、医疗和光学数据存储, 其中紫外光(UVB，280–320nm)该波段的紫外光有利于人体维生素 D 的合成，能够促进人体对钙的吸收，市场上的紫外保健灯发光波长就在该范围。此外，医疗上窄谱中波紫外线也是治疗银屑病的重要手段之一。基于AlGaN的深紫外发光二极管（DUV- LED）具有极大的潜在市场价值
然而，实际LED产品的功率较低，效率陡降问题显著仍然是DUV-LED进一步应用的一大障碍。到目前为止，已经提出了许多可能的机制来解释下降，例如自热效应、空穴注入效率低、电子泄漏、俄歇复合、量子限制斯塔克效应（QCSE）、载流子在有源区中的不均匀分布和极化效应。在上述因素中，电子泄漏和非均匀载流子分布在这一问题中起着重要的作用。电子具有小的有效质量和高迁移率，这很容易跨越量子势垒和EBL。此外，由于量子阱中的低迁移率和非均匀分布，空穴注入效果差，这些因素最终导致低的辐射复合率和内部量子效率。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷不足，提供一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，能够有效阻挡空穴溢出同时促进电子注入有源区，进而提高载流子在有源区的复合效率。
本发明采取的技术方案是，提供一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，从下至上依次包括衬底、N型层、N型插入层、量子阱有源区、电子阻挡层挡层、P型层，还包括从N型层引出的n型欧姆电极以及从P型层引出的p型欧姆电极。
由于在N型层与多量子阱层之间插入了特殊的N型层，对载流子具有强的量子限制效应，能够有效抑制空穴溢出有源区，也能起到电子储蓄作用，促进电子注入有源区，进而也提高了载流子在有源区的复合效率。
进一步地，所述N型层的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为3um，并划分为由下至上厚度递减的10层网格，述递减的比率为0.8。即上层网格厚度为下层网格厚度的80%。
进一步地，所述N型层掺杂有Si，且Si的掺杂浓度为1.8×1018~2.2×1018cm-3，最佳浓度为2×1018。
进一步地，所述P型层的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为8~12nm，最佳厚度为10 nm。并划分为厚度一致的10层网格。
进一步地，所述P型层掺杂有Mg，且Mg的掺杂浓度为0.8×1019~1.2×1019cm-3， 最佳浓度为1×1019cm-3。
进一步地，所述电子阻挡层，材料为P型 Al0.6Ga0.4N，且厚度为8~12nm ，最佳浓度为10nm，有效抑制了电子溢出有源区。
进一步地，电子阻挡层的Mg掺杂浓度为0.8×1019~1.2×1019cm-3，最佳浓度为1×1019cm-3。
进一步地，所述量子阱有源区为6层量子垒层与5层量子阱层交替排布，所述量子垒层材料为Al0.55Ga0.45N，所述量子阱层材料为Al0.45Ga0.55N，且厚度分别对应为8~12nm和1.6~2.4nm。量子阱有源区的周期数为5对。
进一步地，N型插入层选用N型AlxGa1-xN材料，总厚度H为8~12nm，共分为9层。这样设置之后，使得载流子在有源区的复合效率得以提高。
进一步地，根据权利要求9所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述N型AlxGa1-xN材料中x的变化范围由下至上从0.52递减至0.48，再从0.48递增至0.52，变化梯度为0.01；N型插入层单层厚度h满足以下条件：当x=0.48时，h1=1/5H；x≠0.48时，h2=1/10H。
所述N型插入层选用N型AlxGa1-xN材料，总厚度H为8~12nm，共分为9层。N型AlxGa1-xN材料中x的取值范围由下至上依次为0.52、0.51、0.50、0.49、0.48、0.49、0.50、0.51、0.52，x的变化范围由下至上从0.52递减至0.48，再从0.48递增至0.52，变化梯度为0.01。在上述九层材料中，x=0.48时，即在材料为Al0.48Ga0.52N的第五层，厚度h1为总厚度的五分之一。在其余八层中，厚度h2为总厚度的十分之一。
进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底，且为r面、m面或a面中的任意一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：N型插入层相比固定组分N型插入层，既能降低失配，又能有效抑制空穴溢出有源区，还能起到储蓄电子，促进电子注入有源区的作用。进而也提高了载流子在有源区的复合效率。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2是本发明LED的光输出功率曲线。
图3是本发明LED的内部量子效率曲线。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，本实施例一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，从下至上依次包括衬底1、N型层2、N型插入层3、量子阱有源区4、电子阻挡层5、P型层6、P型GaN帽层7，还包括从N型层2引出的n型欧姆电极0以及从P型GaN层7引出的p型欧姆电极8。
由于在N型层和有源区之间插入了N型插入层，能够有效抑制空穴溢出有源区4，也能起到储蓄电子促进电子注入有源区的作用，进而也提高了载流子在有源区4的复合效率。
所述N型层2的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为3um，并划分为由下至上厚度递减的10层网格，所述递减的比率为0.8。
所述N型层2掺杂有Si，且Si的掺杂浓度为2×1018cm-3。
所述P型层6的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为10nm，并划分为厚度一致的10层网格。
所述P型层6中掺杂有Mg，且Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3。
所述P型帽层7的材料为P型GaN，且厚度为100nm，Mg掺杂浓度为3×1019 cm-3。
所述电子阻挡层5，材料为P型 Al0.6Ga0.4N，且厚度为10nm，有效抑制了电子溢出有源区。电子阻挡层的Mg掺杂浓度为1×1019cm-3。
所述量子阱有源区为6层量子垒层与5层量子阱层交替排布，所述量子垒层材料为Al0.55Ga0.45N，所述量子阱层材料为Al0.45Ga0.55N， 且厚度分别对应为10nm和2nm。量子阱有源区的周期数为5对。
所述N型插入层的材料为AlxGa1-xN，总厚度为10nm，共分为9层。这样设置之后，使得载流子在有源区的复合效率得以提高。所述N型AlxGa1-xN材料中x的变化范围由下至上从0.52递减至0.48，再从0.48递增至0.52，变化梯度为0.01；N型插入层单层厚度h满足以下条件：当x=0.48时，h1=1/5H；x≠0.48时，h2=1/10H。
所述衬底1为蓝宝石衬底，且为r面、m面或a面中的任意一种。
具体有益效果见图2至3， 图2中的光输出功率曲线，横坐标为电流，单位为mA，纵坐标为光输出功率，单位为mW，实线表示本实施例的新型结构new structure，虚线表示传统结构original structure，可以体现出本实施例的光输出功率比原始结构的要高。
图3中的内部量子效率曲线，横坐标为电流，单位mA，纵坐标为LED内量子效率，实线表示本实施例的新型结构new structure，虚线表示传统结构original structure，可以表现得出本实施例相较于传统结构，内量子效率有明显提升。
实施例2
本实施例一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，从下至上依次包括衬底1、N型层2、N型插入层3、量子阱有源区4、电子阻挡层5、P型层6、P型GaN帽层7，还包括从N型层2引出的n型欧姆电极0以及从P型GaN层7引出的p型欧姆电极8。
由于在N型层和有源区之间插入了N型插入层，能够有效抑制空穴溢出有源区4，也能起到储蓄电子促进电子注入有源区的作用，进而也提高了载流子在有源区4的复合效率。
所述N型层2的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为3um，并划分为由下至上厚度递减的10层网格，所述递减的比率为0.8。
所述N型层2掺杂有Si，且Si的掺杂浓度为1.8×1018cm-3。
所述P型层6的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为8nm，并划分为厚度一致的10层网格。
所述P型层6中掺杂有Mg，且Mg的掺杂浓度为0.8×1019cm-3。
所述P型帽层7的材料为P型GaN，且厚度为100nm，Mg掺杂浓度为3×1019 cm-3。
所述电子阻挡层5，材料为P型 Al0.6Ga0.4N，且厚度为8nm，有效抑制了电子溢出有源区。电子阻挡层的Mg掺杂浓度为0.8×1019cm-3。
所述量子阱有源区为6层量子垒层与5层量子阱层交替排布，所述量子垒层材料为Al0.55Ga0.45N，所述量子阱层材料为Al0.45Ga0.55N，且厚度分别对应为8nm和1.6nm。量子阱有源区的周期数为5对。
所述N型插入层的材料为AlxGa1-xN，总厚度为8nm，共分为9层。这样设置之后，使得载流子在有源区的复合效率得以提高。所述N型AlxGa1-xN材料中x的变化范围由下至上从0.52递减至0.48，再从0.48递增至0.52，变化梯度为0.01；N型插入层单层厚度h满足以下条件：当x=0.48时，h1=1/5H；x≠0.48时，h2=1/10H。
所述衬底1为蓝宝石衬底，且为r面、m面或a面中的任意一种。
实施例3
本实施例一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，从下至上依次包括衬底1、N型层2、N型插入层3、量子阱有源区4、电子阻挡层5、P型层6、P型GaN帽层7，还包括从N型层2引出的n型欧姆电极0以及从P型GaN层7引出的p型欧姆电极8。
由于在N型层和有源区之间插入了N型插入层，能够有效抑制空穴溢出有源区4，也能起到储蓄电子促进电子注入有源区的作用，进而也提高了载流子在有源区4的复合效率。
所述N型层2的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为3um，并划分为由下至上厚度递减的10层网格，所述递减的比率为0.8。
所述N型层2掺杂有Si，且Si的掺杂浓度为2.2×1018cm-3。
所述P型层6的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为12nm，并划分为厚度一致的10层网格。
所述P型层6中掺杂有Mg，且Mg的掺杂浓度为1.2×1019cm-3。
所述P型帽层7的材料为P型GaN，且厚度为100nm，Mg掺杂浓度为3×1019 cm-3。
所述电子阻挡层5，材料为P型 Al0.6Ga0.4N，且厚度为12nm，有效抑制了电子溢出有源区。电子阻挡层的Mg掺杂浓度为1.2×1019cm-3。
所述量子阱有源区为6层量子垒层与5层量子阱层交替排布，所述量子垒层材料为Al0.55Ga0.45N，所述量子阱层材料为Al0.45Ga0.55N，且厚度分别对应为12nm和2.4nm。量子阱有源区的周期数为5对。
所述N型插入层的材料为AlxGa1-xN，总厚度为12nm，共分为9层。这样设置之后，使得载流子在有源区的复合效率得以提高。所述N型AlxGa1-xN材料中x的变化范围由下至上从0.52递减至0.48，再从0.48递增至0.52，变化梯度为0.01；N型插入层单层厚度h满足以下条件：当x=0.48时，h1=1/5H；x≠0.48时，h2=1/10H。
所述衬底1为蓝宝石衬底，且为r面、m面或a面中的任意一种。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，从下至上依次包括衬底、N型层、N型插入层、量子阱有源区、电子阻挡层、P型层，还包括从N型层引出的n型欧姆电极以及从P型层引出的p型欧姆电极。
2.根据权利要求1所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述N型层的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为3um，并划分为由下至上厚度递减的10层网格，所述递减的比率为0.8。
3.根据权利要求2所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述N型层掺杂有Si，且Si的掺杂浓度为1.8×1018~2.2×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述P型层的材料为Al0.55Ga0.45N，且厚度为8~12nm，并划分为厚度一致的10层网格。
5.根据权利要求4所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述P型层掺杂有Mg，且Mg的掺杂浓度为0.8×1019~1.2×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述电子阻挡层，材料为P型 Al0.6Ga0.4N，且厚度为8~12nm。
7.根据权利要求6所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，电子阻挡层掺杂有Mg，且Mg的掺杂浓度为0.8×1019~1.2×1019cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述量子阱有源区为6层量子垒层与5层量子阱层交替排布，所述量子垒层材料为Al0.55Ga0.45N，所述量子阱层材料为Al0.45Ga0.55N，且厚度分别对应为8~12nm和1.6~2.4nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，N型插入层选用N型AlxGa1-xN材料，总厚度H为8~12nm，共分为9层。
10.根据权利要求9所述的一种基于AlGaN的深紫外LED发光器，其特征在于，所述N型AlxGa1-xN材料中x的变化范围由下至上从0.52递减至0.48，再从0.48递增至0.52，变化梯度为0.01；N型插入层中单层厚度h满足以下条件：当x=0.48时，h1=1/5H；x≠0.48时，h2=1/10H。
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