CN111599902B - 一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，包括：由下向上依次设置的衬底、氮化物缓冲层、n型氮化物层、多量子阱有源区、空穴注入结构电子阻挡层、p型氮化物层、透明导电层，还包括设置在所述n型氮化物层上的n型电极，以及设置在所述透明导电层上的p型电极。本发明空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管实现有源区与电子阻挡层之间的应力匹配，有效抑制电子的泄露，同时降低Mg扩散进入有源区的概率，进而提升LED的发光效率；提高空穴的纵向迁移能力，从而显著提升空穴注入效率；异质结界面处的极化电场在空穴注入层一侧形成的二维空穴气，改善电流的拥堵效应。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料和器件的制造领域，特别涉及一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管。
背景技术
LED因其高效、节能、体积小、发光波段可控性强等优点，在户外显示屏、电视机背光源、以及照明灯领域得到广泛应用，但是，随着工作电流的增加，LED发光效率迅速下降，这一问题严重制约了LED的应用和发展，通过近年来的研究结果表明，载流子泄露是导致大电流注入LED发光效率下降的关键因素之一。为了有效阻挡电子溢出，研究者已经在理论和实验上证实了用p型超晶格结构取代GaN基LED中传统的单层P-AlGaN作为电子阻挡层以提高LED的光电性能。
如图2所示为目前使用p型超晶格结构205作为电子阻挡层的商业化GaN基LED的层结构，包括由上而下依次设置的衬底201、氮化物缓冲层202、n型氮化物层203、多量子阱有源区204、p型超晶格结构205、p型氮化物层206、透明导电层207和p型AlGaN层208，在n型氮化物层203和透明导电层207上分别设置的n型欧姆电极208和p型欧姆电极209，p型超晶格结构205包括超晶格势垒层2051和超晶格势阱层2052，以p型超晶格结构作为电子阻挡层的GaN基LED内部，空穴在垂直于异质结界面方向上注入效率，仍然不够理想。
为了在有效阻挡电子溢出的同时提高空穴注入效率，科研工作者们尝试了多种方法以求进一步改进电子阻挡层结构，包括采用Al组分渐变的超晶格电子阻挡层结构或具有隧道结的复合电子阻挡层结构，以及在电子阻挡层的前后插入空穴注入层等。采用上述这些结构的电子阻挡层仍然无法解决以下技术问题：为了得到合适的空穴浓度往往需要提高Mg原子的掺杂浓度，这必然使得传统P型超晶格结构电子阻挡层中的Mg原子扩散进入有源区，成为非辐射复合中心，进一步降低LED的发光效率；高Al组分的电子阻挡层对电子和空穴的阻挡效果均很明显，造成空穴的注入效率大幅降低，导致LED的载流子复合效率与发光效率依然较低。因此，进一步优化和改进电子阻挡层的材料与结构，对于提高GaN基LED的发光效率具有重要意义。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，利用具有空穴注入结构的电子阻挡层，有效抑制Mg向有源区的扩散，提高超晶格结构电子阻挡层的空穴注入效率，提升LED的发光效率。
技术方案：本发明提出了一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，包括：由下向上依次设置的衬底、氮化物缓冲层、n型氮化物层、多量子阱有源区、空穴注入结构电子阻挡层、p型氮化物层、透明导电层，还包括设置在所述n型氮化物层上的n型电极，以及设置在所述透明导电层上的p型电极。
所述空穴注入结构电子阻挡层由由下而上依次设置的部分掺杂氮化物超晶格结构与p型掺杂氮化物空穴注入层周期性叠加构成，最后一个周期以p型掺杂氮化物空穴注入层结尾，周期数为3～5，总厚度为40～60nm。
所述部分掺杂氮化物超晶格结构由由下而上依次设置的超晶格势垒层和超晶格势阱层周期性叠加构成，周期数为3～5，以超晶格势垒层结尾，部分掺杂氮化物超晶格结构层厚度为1～3nm，所述超晶格势垒层禁带宽度大于所述p型掺杂氮化物空穴注入层的禁带宽度，所述p型掺杂氮化物空穴注入层的禁带宽度大于所述超晶格势阱层的禁带宽度，所述超晶格势阱层的禁带宽度大于所述多量子阱有源区中势垒层的禁带宽度。
所述超晶格势垒层使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1017cm-3；每个周期所述超晶格势垒层的高度不相同，由下至上呈递减趋势。
每个周期所述超晶格势阱层的阱深度渐变或不渐变。
所述p型掺杂氮化物空穴注入层的厚度为3～5nm，使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1017cm-3。
所述超晶格势垒层、所述超晶格势阱层以及所述p型掺杂氮化物空穴注入层均由组分均匀的二元氮化物、三元氮化物和四元氮化物中任意一种构成，优选的，二元氮化物采用GaN、InN或AlN，三元氮化物采用AlGaN或InGaN，四元氮化物采用AlInGaN。
所述p型氮化物层的厚度为20～500nm，使用Mg元素进p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1017～1×1019cm-3。
所述多量子阱有源区的周期数为3～10，每个周期的厚度为3～15nm。
所述n型氮化物层的厚度为0.5～5μm，使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1020cm-3。
所述p型氮化物层、所述多量子阱有源区以及所述n型氮化物层均由组分均匀的二元氮化物、三元氮化物和四元氮化物构成，或者由组分渐变的氮化物材料构成，优选的，氮化物采用AlGaN、InGaN或AlInGaN，二元氮化物采用GaN、InN或AlN，三元氮化物采用AlGaN或InGaN，四元氮化物采用AlInGaN。
所述氮化物缓冲层的厚度为15～30nm，由组分均匀的GaN、InN、AlN、AlGaN或者组分渐变的AlGaN氮化物材料中任一种构成。
所述衬底材料为极性、半极性或者非极性取向的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料中任一种。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、利用部分掺杂超晶格结构实现有源区与电子阻挡层之间的应力匹配，有效抑制电子的泄露，同时降低Mg扩散进入有源区的概率，进而提升LED的发光效率；
2、通过渐变Al组分降低部分掺杂超晶格结构的价带势垒高度，同时在部分掺杂超晶格结构与p型掺杂氮化物空穴注入层之间的异质结界面处形成的极化电场使空穴获得更高的漂移速度和动能，提高空穴的纵向迁移能力，从而显著提升空穴注入效率；
3、异质结界面处的极化电场在空穴注入层一侧形成的二维空穴气，改善电流的拥堵效应，空穴注入层在提供空穴的同时也为来自p型氮化物层的空穴提供中间态，起到存储空穴的作用，当空穴浓度达到一定值时，空穴通过热电子发射机制或者隧穿效应进入有源区。
附图说明
图1为本发明发光二极管断面层结构示意图；
图2为现有技术的超晶格结构电子阻挡层LED的断面层结构示意图；
图3为本发明空穴注入结构电子阻挡层的能带结构示意图；
图4为本发明部分掺杂超晶格结构与空穴注入层形成的异质结能带结构示意图。
具体实施方式
如图1，本发明的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，包括：由下向上依次设置的蓝宝石衬底101、GaN缓冲层102、n型GaN层103、GaN/In0.3Ga0.7N多量子阱有源区104、空穴注入结构电子阻挡层105、p型GaN层106、透明导电层107，还包括设置在n型GaN层103上的n型欧姆电极108，以及设置在透明导电层107上的p型欧姆电极109。
GaN缓冲层102的厚度为30nm；n型GaN层103的厚度为3μm；GaN/In0.2Ga0.8N多量子阱有源区104具有8对量子阱，In0.2Ga0.8N量子阱的阱厚度为3nm，GaN势垒的厚度为10nm；空穴注入结构电子阻挡层总厚度为45nm；p型GaN层106厚度为300nm；透明导电层107为ITO透明导电层；p型欧姆电极和n型欧姆电极的材料选用Ni-Au合金材料。
如图3为本发明空穴注入结构电子阻挡层105的能带结构示意图，空穴注入结构电子阻挡层105由部分掺杂AlGaN/AlGaN超晶格结构1051与p型Al0.1In0.02Ga0.88N空穴注入层1052周期性叠加构成，周期数为3，部分掺杂AlGaN/AlGaN超晶格结构1051中每一个势垒层的Al组分分别为35％、30％、25％，所有超晶格势阱层10512的Al组分均为5％，超晶格结构中阱厚度和势垒厚度均为2nm，重复周期数为3，最后一层为超晶格势垒层10511；p型Al0.1In0.02Ga0.88N空穴注入层1052厚度为3nm。部分掺杂AlGaN/AlGaN超晶格结构包括超晶格势垒层10511和超晶格势阱层10512，超晶格势垒层10511禁带宽度大于p型Al0.1In0.02Ga0.88N空穴注入层1052的禁带宽度，p型Al0.1In0.02Ga0.88N空穴注入层1052的禁带宽度大于超晶格势阱层10512的禁带宽度，超晶格势阱层10512的禁带宽度大于多量子阱有源区104中势垒层的禁带宽度。
n型GaN层103使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1018cm-3；p型Al0.1In0.02Ga0.88N空穴注入层1052以及与其相邻的超晶格势垒层10511使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1017cm-3。
如图4所示为部分掺杂超晶格结构与空穴注入层形成的异质结的能带结构示意图，超晶格结构的p-AlGaN势垒层中自发极化电场Psp1与压电极化电场Ppz1矢量都指向衬底方向，p-AlInGaN空穴注入层中自发极化电场Psp2矢量也指向衬底方向，但由于其晶格常数大于p-AlGaN层，故压电极化电场Ppz2矢量指向材料生长方向，即[0001]方向。总的来说，由于压电极化和自发极化效应会在异质结界面处形成净束缚负电荷，因此在异质结界面的p-AlInGaN一侧会形成二维空穴气，从而提升空穴的横向迁移率，改善电流的拥堵效应；同时，由于在异质结界面处存在一个与生长方向，即[0001]方向相反的极化电场，且该极化电场不受自由载流子的影响，能够使能带发生弯曲，降低价带势垒高度，使得空穴注入更为容易；空穴注入层中的空穴从该极化电场中获得能量，具有更高的漂移速度和动能，显著提升空穴的纵向迁移能力；空穴注入层在提升空穴浓度的同时，也为来自p型GaN层106的空穴提供了一个中间态，起到存储空穴的作用，而当空穴浓度达到一定值时，空穴通过热电子发射机制或者隧穿效应进入有源区，提高空穴注入效率。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不限于上述实例，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记载的保护范围内。
Claims (7)
1.一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，包括：由下向上依次设置的衬底(101)、氮化物缓冲层、n型氮化物层、多量子阱有源区(104)、空穴注入结构电子阻挡层(105)、p型氮化物层、透明导电层(107)，还包括设置在所述n型氮化物层上的n型电极，以及设置在所述透明导电层(107)上的p型电极；
所述空穴注入结构电子阻挡层(105)由自下而上依次设置的部分掺杂氮化物超晶格结构与p型掺杂氮化物空穴注入层周期性叠加构成，最后一个周期以p型掺杂氮化物空穴注入层结尾，周期数为3～5，总厚度为40～60nm；
所述部分掺杂氮化物超晶格结构由自下而上依次设置的超晶格势垒层(10511)和超晶格势阱层(10512)周期性叠加构成，周期数为3～5，以超晶格势垒层(10511)结尾，部分掺杂氮化物超晶格结构层厚度为1～3nm；
每个周期所述超晶格势垒层的高度不相同，由下至上呈递减趋势；
所述超晶格势垒层(10511)禁带宽度大于所述p型掺杂氮化物空穴注入层的禁带宽度，所述p型掺杂氮化物空穴注入层的禁带宽度大于所述超晶格势阱层(10512)的禁带宽度，所述超晶格势阱层(10512)的禁带宽度大于所述多量子阱有源区(104)中势垒层的禁带宽度。
2.根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述p型氮化物层、所述多量子阱有源区(104)以及所述n型氮化物层均由组分均匀的二元氮化物、三元氮化物、四元氮化物构成，或者由组分渐变的三元、四元氮化物材料构成，二元氮化物采用GaN、InN或AlN，三元氮化物采用AlGaN或InGaN，四元氮化物采用AlInGaN。
3.根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述氮化物缓冲层由组分均匀的GaN、InN、AlN、AlGaN或者组分渐变的AlGaN氮化物材料中任一种构成。
4.根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述衬底(101)材料为极性、半极性或者非极性取向的蓝宝石、硅、碳化硅、氧化锌、氮化镓、氮化铝材料中任一种。
5.根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述p型掺杂氮化物空穴注入层的厚度为3～5nm；所述p型氮化物层的厚度为20～500nm；所述多量子阱有源区(104)的周期数为3～10，每个周期的厚度为3～15nm；所述n型氮化物层的厚度为0.5～5μm；所述氮化物缓冲层的厚度为15～30nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述超晶格势垒层(10511)使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1017cm-3；所述p型掺杂氮化物空穴注入层使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1017cm-3；所述p型氮化物层使用Mg元素进p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1017～1×1019cm-3；所述n型氮化物层使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1020cm-3。
7.根据权利要求1所述的一种具有空穴注入结构电子阻挡层的发光二极管，其特征在于，所述超晶格势垒层(10511)、所述超晶格势阱层(10512)以及所述p型掺杂氮化物空穴注入层均由组分均匀的二元氮化物、三元氮化物、四元氮化物中任意一种构成，二元氮化物采用GaN、InN或AlN，三元氮化物采用AlGaN或InGaN，四元氮化物采用AlInGaN。
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