CN112614919A - 一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED - Google Patents
一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED Download PDFInfo
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Abstract
本发明具体涉及一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED。该LED从下至上依次包括蓝宝石沉底,N型层、具有不同铝组分的超晶格量子垒有源区、电子阻挡层、P型层及接触层,还包括从N型层引出的n型欧姆电极以及从接触层引出的p型欧姆电极。将量子阱有源区中的量子垒设计成具有不同铝组分的超晶格量子垒,抑制了空穴的泄露、削弱了量子阱里的静电场,最终提高了电子和空穴在有源区里的辐射复合率。
Description
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的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED。
背景技术
由于AlGaN的深紫外LED在计算机数据存储、杀菌消毒、水与空气净化、生物医学、环境保护等领域具有十分重要的应用价值,基于AlGaN的深紫外发光二极管(DUV LED)引起了人们的广泛关注。
然而,目前DUV LED的效率还达不到人们的要求。影响DUV LED光学性能和电学性能的因素有很多,如低的空穴注入率、载流子泄露严重、量子限制斯塔克效应、载流子限制能力弱等。在DUV LED中,p-AlGaN掺杂困难,导致空穴浓度远远低于电子浓度。电子的有效质量小,移动速率高,很容易从有源区中泄露。虽然空穴泄露造成的影响没有电子泄露造成的影响大,但是研究证明空穴泄露对DUV LED性能的影响也是不能忽略的。高A1组分的AlGaN材料的极化电场很强,引起量子限制斯塔克效应,最终使电子和空穴空间重叠率降低,辐射复合率下降。
发明内容
为了克服现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED。该LED能够有效阻挡空穴泄露,减弱量子阱里的静电场,最终提高电子和空穴在有源区里辐射复合率。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
本发明提供的一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其从下至上依次由衬底、N型电子层、超晶格量子垒有源区(具有不同铝组分的超晶格量子垒有源区)、电子阻挡层、P型空穴层及接触层层叠形成;从所述N型电子层引出n型欧姆电极,从所述接触层引出的p型欧姆电极。
本发明将有源区中的量子垒设计成具有不同铝组分的超晶格量子垒,能够有效减少空穴的泄露,减弱量子阱里的静电场,最终提高了电子和空穴在有源区里的辐射复合率。
进一步地,所述N型电子层的材料为A10.55Ga0.45N,所述N型电子层的厚度为2.9-3.1μm;所述N型电子层包括由下至上厚度依次递增的18-22层网格;所述N型电子层掺杂有Si,且Si的掺杂浓度为1.9×1018-2.1×1018cm-3。
优选地,所述N型电子层的材料为A10.55Ga0.45N,且厚度为3μm,并划分为由下至上厚度递增的20层网格。
优选地,所述N型电子层掺杂有Si,且Si的掺杂浓度为2×1018cm-3。
进一步地,所述超晶格量子垒有源区包括6个量子垒和5个量子阱;所述量子垒与量子阱从上至下依次层叠,最低层和最上层均为量子垒。
进一步地,所述量子垒为A1xGa1-xN,所述量子垒的厚度为9-11nm,所述x的取值范围为0.52-0.54;所述量子阱为A10.45Ga0.55N,所述量子阱的厚度为1-3nm。
优选地,所述A1xGa1-xN的厚度为10nm;所述A10.45Ga0.55N的厚度为2nm。
进一步地,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第一个量子垒为最低层的量子垒;第一个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.52Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。
这样设计的目的是调节有源区里的应力,抑制空穴泄露,提高电子注入,减弱量子阱里的静电场,最终提高辐射复合效率。
优选地,所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为2nm。
进一步地,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第二个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.53Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。
进一步地,所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
优选地,所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为2.0nm。
进一步地,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第三个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.54Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
优选地,所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为2.0nm。
进一步地,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第四个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.52Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
优选地,所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为2.0nm。
进一步地,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第五个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.53Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
优选地,所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为2.0nm。
进一步地,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第六个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.54Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
优选地,所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为2nm。
进一步地,所述电子阻挡层为A10.6Ga0.4N;所述电子阻挡层的厚度为9-11nm。
优选地,所述电子阻挡层的厚度为10nm。
进一步地,所述P型空穴层为A10.55Ga0.45N;所述P型空穴层的厚度为9-11nm;所述P型空穴层划分为由下至上厚度一致的11-13层网格;所述P型层掺杂有Mg,Mg的掺杂浓度为0.9×1019-1.1×1019cm-3;
优选地,所述P型空穴层的厚度为10nm。
优选地,所述接触层为GaN;所述接触层的厚度为98-102nm;所述接触层划分为由下至上厚度一致的9-11层网格。
优选地,所述接触层的厚度为100nm,所述接触层划分为由下至上厚度一致的10层网格.
进一步地,所述衬底为蓝宝石衬底,且为r面、a面及m面中的任意一种。
与现有技术相比,本发明具有如下优点和有益效果:
本发明提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,采用了具有不同铝组分的超晶格量子垒可以调节有源区里的应力,提高电子注入,抑制空穴泄露,减弱量子阱里的静电场,提高辐射复合效率。
附图说明
图1是实施例提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED的结构图;
其中,1为衬底,2为N型电子层,3为超晶格量子垒有源区,4为电子阻挡层,5为P型空穴层,6为接触层,7为p型欧姆电极,8为n型欧姆电极;
图2是实施例提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED的光输出功率曲线;
图3是实施例提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED的内量子效率曲线。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是,以下若有未特别详细说明之过程,均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
图1是实施例提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED的结构图。
一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,从下至上依次由衬底1、N型电子层2、超晶格量子垒有源区3、电子阻挡层4、P型空穴层5及接触层6层叠形成;从所述N型电子层引出n型欧姆电极8,从所述接触层引出p型欧姆电极7。所述衬底1为蓝宝石衬底,为r面、a面或m面蓝宝石衬底中的任意一种。
所述N型电子层2的材料为A10.55Ga0.45N,所述N型电子层2的厚度为3.0μm;所述N型电子层2包括由下至上厚度依次递增的20层网格;所述N型电子层2掺杂有Si,且Si的掺杂浓度为2×1018cm-3。
所述超晶格量子垒有源区3包括6个量子垒和5个量子阱;所述量子垒与量子阱从上至下依次层叠,最低层和最上层均为量子垒。所述量子垒为A1xGa1-xN,所述量子垒的厚度为10nm,所述x的取值范围为0.52-0.54;所述量子阱为A10.45Ga0.55N,所述量子阱的厚度为1-3nm。从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第一个量子垒31为最低层的量子垒;第一个量子垒31为A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.52Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为2.0nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力,抑制空穴泄露,减弱量子阱里的静电场,最终提高辐射复合效率。
从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第二个量子垒32为A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.53Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为2.0nm;从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第三个量子垒33为A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.54Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为2.0nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第四个量子垒34为A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.52Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为2.0nm;从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第五个量子垒35为A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.53Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为2.0nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第六个量子垒36为A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.54Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为2.0nm。这样设计的目的是调节有源区里的应力。
由于超晶格量子垒有源区3的量子垒采用了不同铝组分的超晶格量子垒,对空穴从超晶格量子垒有源区3中的泄露起到了抑制作用,同时减弱了量子阱里的静电场,最终提高了有源区里的辐射复合率。
所述电子阻挡层为A10.6Ga0.4N;所述电子阻挡层的厚度为10nm。所述电子阻挡层划分为由下至上厚度一致的12层网格。
所述P型空穴层5为A10.55Ga0.45N;所述P型空穴层的厚度为10nm;所述P型空穴层划分为由下至上厚度一致的12层网格;所述P型层掺杂有Mg,Mg的掺杂浓度为1.0×1019cm-3;所述接触层6为GaN;所述接触层的厚度为100nm;所述接触层划分为由下至上厚度一致的10层网格。
图2是实施例提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED的光输出功率曲线;
图3是实施例提供的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED的内量子效率曲线。
图2中的光输出功率曲线,横坐标是电流,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,虚线表示传统结构LED,可以看出本实施例的光输出功率比传统的高。
图3中的内量子效率曲线,横坐标是电流,单位为mA,纵坐标为LED的内量子效率。实线表示本实施例的新型结构,虚线表示传统结构LED,可以看出本实施例的内量子效率比传统的高。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式,仅用于解释本发明,而非限制本发明,本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,从下至上依次由衬底、N型电子层、超晶格量子垒有源区、电子阻挡层、P型空穴层及接触层层叠形成;从所述N型电子层引出n型欧姆电极,从所述接触层引出p型欧姆电极。
2.根据权利要求1所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,所述N型电子层的材料为A10.55Ga0.45N,所述N型电子层的厚度为2.9-3.1μm;所述N型电子层包括由下至上厚度依次递增的18-22层网格;所述N型电子层掺杂有Si,且Si的掺杂浓度为1.9×1018-2.1×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,所述超晶格量子垒有源区包括6个量子垒和5个量子阱;所述量子垒与量子阱从上至下依次层叠,最低层和最上层均为量子垒。
4.根据权利要求3所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,所述量子垒为A1xGa1-xN,所述量子垒的厚度为9-11nm,所述x的取值范围为0.52-0.54;所述量子阱为A10.45Ga0.55N,所述量子阱的厚度为1-3nm。
5.根据权利要求3所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第一个量子垒为最低层的量子垒;第一个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.52Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。
6.根据权利要求3所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第二个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.53Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm;从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第三个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.54Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。
7.根据权利要求3所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第四个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.52Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.52Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm;从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第五个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.53Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.53Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。
8.根据权利要求3所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,从下往上数,所述超晶格量子垒有源区的第六个量子垒为A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N交替排布的超晶格量子垒;所述A10.55Ga0.45N有3层,所述A10.54Ga0.48N有2层;所述A10.55Ga0.45N和A10.54Ga0.48N的厚度均为1.5-2.5nm。
9.根据权利要求1所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,所述电子阻挡层为A10.6Ga0.4N;所述电子阻挡层的厚度为9-11nm。
10.根据权利要求1所述的基于AlGaN的具有不同铝组分的超晶格量子垒的深紫外LED,其特征在于,所述P型空穴层为A10.55Ga0.45N;所述P型空穴层的厚度为9-11nm;所述P型空穴层划分为由下至上厚度一致的11-13层网格;所述P型层掺杂有Mg,Mg的掺杂浓度为0.9×1019-1.1×1019cm-3;所述接触层为GaN;所述接触层的厚度为98-102nm;所述接触层划分为由下至上厚度一致的9-11层网格。
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