CN111599903B - 一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外led - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，包括由下至上依次设置的衬底、低温AIN成核层、高温AlN中间层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、Alx1Ga1‑x1N/Alx2Ga1‑x2N多量子阱有源区、极化掺杂复合极性面电子阻挡层和p型Alx5Ga1‑x5N层，所述n型AlGaN层上设置n型欧姆电极，所述p型Alx5Ga1‑x5N层上设置p型欧姆电极，所述极化掺杂复合极性面电子阻挡层包括由下至上设置的氮极性面p型Alx3Ga1‑x3N电子阻挡层和金属极性面p型Alx4Ga1‑x4N电子阻挡层。本发明的极化掺杂复合极性面电子阻挡层具有更高的电子阻挡层空穴浓度，有利于p型Alx5Ga1‑x5N层的空穴注入；减小了有源区与电子阻挡层的晶格失配，提高了外延层晶体质量；增加了有源区电子空穴的辐射复合效率，提高了紫外发光二极管的发光效率。
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，特别涉及一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED。
背景技术
基于三族氮化物宽禁带半导体材料的紫外发光二极管(UV-LED)在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景，相比于传统紫外光源汞灯，UV-LED有着无汞环保、小巧便携、低功耗、低电压等优势。对于AlGaN基UV-LED，空穴浓度很低，加之空穴的迁移率较低，导致空穴注入量子阱有源区的效率较低；而电子较空穴具有较高的迁移率和较小的有效质量，尤其在大电流注入的情况下，容易克服量子阱的限制到达p型区与空穴进行非辐射复合，所以会造成严重的电流泄漏。
如图2所示，现有技术制备的AlGaN基UV-LED，包括由上至下依次设置的衬底201、低温AlN成核层202、高温AlN中间层203、非掺杂AlGaN缓冲层204、n型AlGaN层205、Alx1Ga1- x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区206、金属极性面Alx3Ga1-x3N电子阻挡层207和p型AlGaN层208，在n型AlGaN层205和p型AlGaN层208上分别设置的n型欧姆电极209和p型欧姆电极210，其中金属极性面p型AlGaN电子阻挡层208具有较高的价带势垒，阻挡空穴注入到多量子阱有源区；由于最后一个量子阱势垒与电子阻挡层之间存在的较大晶格失配所产生的较大压电极化电场的影响，会造成异质结界面处的能带发生弯曲，因而会进一步阻挡空穴的注入。
为了有效地减少电子泄漏，同时提高空穴的注入效率，有研究者提出以Al组分渐变的AlGaN电子阻挡层、p型超晶格结构电子阻挡层等代替现有技术的单一Al组分的金属极性面p型AlGaN电子阻挡层，但仍然无法满意地解决以下问题：1)电子阻挡层对电子阻挡效果越明显，空穴注入效率越低；2)电子阻挡层与多量子阱有源区之间的晶格失配较大，造成异质结界面处的能带发生弯曲的同时也容易引起位错缺陷的产生；3)多量子阱有源区内仍存在较大的极化电场，使得载流子在有源区的分布不均匀。本研究小组曾利用氮极性面氮化物与金属极性面氮化物极化方向相反的特点提出一种复合极性面电子阻挡层(张雄，王南，崔一平，一种具有复合极性面电子阻挡层的发光二极管，中国发明专利号：ZL201610327873.2)，以在获得较高的有效电子势垒的同时，尽量降低有效空穴势垒，从而提高空穴的注入效率和LED的发光效率。但是，仅凭单纯的复合极性面电子阻挡层并不能增加空穴浓度。而一般而言，电子阻挡层内的空穴浓度越高，费米能级越靠近价带，电子阻挡层的电子势垒高度越高，而价带势垒越低，从而可以获得更好的电子阻挡效果和更高的p型区域的空穴注入效率。但是，单纯依靠增加Mg的掺杂浓度来提高空穴浓度会导致晶体质量的严重下降，进而影响UV-LED的发光效率。因此，设计和制备更加合理有效的电子阻挡层结构对提高AlGaN基UV-LED的发光效率具有重要的意义。
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极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，提高空穴的注入效率以及电子与空穴的辐射复合效率，进而提高紫外LED的发光效率。
技术方案：本发明提出了一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，包括由下至上依次设置的衬底、低温AIN成核层、高温AlN中间层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区、极化掺杂复合极性面电子阻挡层和p型Alx5Ga1-x5N层，所述n型AlGaN层上设置n型欧姆电极，所述p型Alx5Ga1-x5N层上设置p型欧姆电极，所述极化掺杂复合极性面电子阻挡层包括由下至上设置的氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层和金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层，其中0≤x1＜x2，x5≤x3，x4＜1，除氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层外其余外延层皆为金属极性。
所述氮极性面p型Alx3Ga1-x3N层电子阻挡层的厚度为10～30nm，Al组分x3沿生长方向线性增大，且x2≤x3＜1。
所述金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层的厚度为10～30nm，Al组分x4沿生长方向线性减小，且x5≤x4＜1。
所述衬底为外延生长出极性、半极性GaN基材料的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓和氮化铝衬底中的任意一种。
所述低温AlN成核层的厚度为5～30nm，高温AlN中间层的厚度为50～2000nm，非掺杂AlGaN缓冲层的厚度为50～2000nm，n型AlGaN层的厚度为200～5000nm，Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区结构中的Alx1Ga1-x1N量子阱的阱宽为1～10nm，Alx2Ga1-x2N势垒的厚度为1～20nm，重复周期数为1～20，p型Alx5Ga1-x5N层的厚度为50～500nm。
所述n型AlGaN层使用Si进行掺杂，电子浓度为1×1017～1×1020cm-3；所述极化掺杂复合极性面电子阻挡层使用Mg进行掺杂，空穴浓度为1×1017～1×1019cm-3；所述p型Alx5Ga1-x5N层使用Mg进行掺杂，空穴浓度为1×1017～1×1019cm-3。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明的极化掺杂复合极性面电子阻挡层由氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层和金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层所构成，利用极化掺杂产生的三维空穴气能够增加复合极性面电子阻挡层中的空穴浓度，在导带形成较高电子势垒的同时降低价带势垒高度，有利于p型Alx5Ga1-x5N层的空穴注入到多量子阱有源区，也避免了过高的Mg掺杂浓度引起的晶体质量下降，因而极大地提高UV-LED的发光效率；
2、本发明的Al组分x3沿生长方向线性递增的氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层在进行极化掺杂的同时，又能够减小多量子阱有源区与电子阻挡层之间的晶格失配，从而减弱有源区最后一个量子势垒中的压电极化电场，有助于减小异质结界面处的能带弯曲程度，因此既有利于空穴注入有源区，也能够减少位错缺陷的产生，提高外延层的晶体质量；
3、本发明中氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层内的极化电场方向与金属极性面多量子阱有源区的极化电场方向相反，减小有源区多量子阱的能带倾斜程度，增加多量子阱中的电子与空穴的波函数在空间上的重叠程度，显著提高电子与空穴的辐射复合效率，进而提升UV-LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明的具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的UV-LED的断面层结构示意图；
图2为现有技术制备的具有金属极性面AlGaN电子阻挡层的UV-LED的断面层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用以具体解释本发明，而并不用于限定本发明权利要求的范畴。
如图1，本发明的一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，包括：由下至上依次设置的c面蓝宝石衬底101、低温AIN成核层102、高温AlN中间层103、非掺杂AlGaN缓冲层104、n型AlGaN层105、Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区106、极化掺杂复合极性面电子阻挡层107和p型Alx5Ga1-x5N层108，n型AlGaN层105上设置n型欧姆电极109，p型Alx5Ga1-x5N层108上设置p型欧姆电极110，极化掺杂复合极性面电子阻挡层107包括由下至上设置的氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1071和金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层1072，除氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层外其余外延层皆为金属极性，具体的Alx1Ga1- x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区106为Al0.4Ga0.6N/Al0.55Ga0.45N多量子阱有源区，p型Alx5Ga1-x5N层108为p型Al0.55Ga0.45N层。
低温AlN成核层102的厚度为20nm，高温AlN中间层103的厚度为200nm，非掺杂AlGaN缓冲层104的厚度为500nm，n型AlGaN层105的厚度为2000nm，Al0.4Ga0.6N/Al0.55Ga0.45N多量子阱有源区106的Al0.4Ga0.6N量子阱的阱宽为1.5nm，Al0.55Ga0.45N势垒的垒厚为6nm，重复周期数为5，p型Al0.55Ga0.45N层108的厚度为150nm。
氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1071的厚度为20nm，Al组分x3沿生长方向由0.55线性增加至0.7；金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层1072的厚度为20nm，Al组分x4沿生长方向由0.7线性减小至0.55。
n型AlGaN层105使用Si进行掺杂，电子浓度为1×1018cm-3；极化掺杂复合极性面电子阻挡层107使用Mg进行掺杂，空穴浓度为5×1017cm-3；p型Al0.55Ga0.45N层使用Mg进行掺杂，空穴浓度为1×1017cm-3。
需要着重说明的是，本发明提供的极化掺杂复合极性面电子阻挡层107由氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1071和金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层1072构成，其中氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1071的Al组分沿生长方向线性递增，而金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层1072的Al组分沿生长方向线性递减，以此实现额外的极化p型掺杂。此部分是本发明得以在增加空穴浓度的同时提高空穴注入效率，进而提高UV-LED发光效率的关键。具体而言，利用极化掺杂产生的三维空穴气能够增加复合极性面电子阻挡层中的空穴浓度，显著提升空穴注入效率，同时避免过高的Mg掺杂浓度引起的晶体质量下降，因而能够极大地提高UV-LED的发光效率。此外，采用氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层1071一方面减小多量子阱有源区与电子阻挡层之间的晶格失配，提高外延层的晶体质量；另一方面由于其内部具有与金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层1072相反的极化电场，两个反方向的极化电场相互抵消，能够减小有源区多量子阱的能带倾斜程度，增加多量子阱中的电子与空穴的波函数在空间上的重叠程度，显著提高电子与空穴的辐射复合效率，进而提升UV-LED的发光效率。
Claims (4)
1.一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底（101）、低温Al N成核层（102）、高温AlN中间层（103）、非掺杂AlGaN缓冲层（104）、n型AlGaN层（105）、Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区（106）、极化掺杂复合极性面电子阻挡层（107）和p型Alx5Ga1-x5N层（108），所述n型AlGaN层（105）上设置n型欧姆电极（109），所述p型Alx5Ga1-x5N层（108）上设置p型欧姆电极（110），所述极化掺杂复合极性面电子阻挡层（107）包括由下至上设置的氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层（1071）和金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层（1072），其中0≤x1＜x2，x5≤x3，x4＜1，除氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层（1071）外其余外延层皆为金属极性；所述氮极性面p型Alx3Ga1-x3N电子阻挡层（1071）的厚度为10-30nm，Al组分x3沿生长方向线性增大，x2≤x3＜1；所述金属极性面p型Alx4Ga1-x4N电子阻挡层（1072）的厚度为10~30nm，Al组分x4沿生长方向线性减小，且x5≤x4＜1。
2.根据权利要求1所述的一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，其特征在于，所述衬底（101）为外延生长出极性、半极性GaN基材料的蓝宝石、碳化硅、硅、氧化锌、氮化镓和氮化铝衬底中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，其特征在于，所述低温AlN成核层（102）的厚度为5~30nm，高温AlN中间层（103）的厚度为50~2000nm，非掺杂AlGaN缓冲层（104）的厚度为50~2000nm，n型AlGaN层（105）的厚度为200~5000nm，Alx1Ga1-x1N/Alx2Ga1-x2N多量子阱有源区（106）结构中的Alx1Ga1-x1N量子阱的阱宽为1~10nm，Alx2Ga1-x2N势垒的厚度为1~20nm，重复周期数为1~20，p型Alx5Ga1-x5N层（108）的厚度为50~500 nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有极化掺杂复合极性面电子阻挡层的紫外LED，其特征在于，所述n型AlGaN层（105）使用Si进行掺杂，电子浓度为1×1017~1×1020cm-3；所述极化掺杂复合极性面电子阻挡层（107）使用Mg进行掺杂，空穴浓度为1×1017~1×1019cm-3；所述p型Alx5Ga1-x5N层（108）使用Mg进行掺杂，空穴浓度为1×1017~1×1019cm-3。
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