CN112951957B - 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，至少包含：n型半导体层、由势垒层和耦合AlGaN阱层周期交叠构成的多量子阱结构、p型半导体层，其特征在于：所述耦合AlGaN阱层至少包括三层结构，从下到上依次为AlxGa1‑xN阱层、AlyGa1‑yN隔离层、和AlxGa1‑xN阱层。通过利用耦合阱层结构设计，增强c面LED的TE/TM模自发辐射复合率，提高LED器件的内量子效率，抑制氮化物LED器件的效率下降效应，从而改善深紫外氮化物发光二极管的光学性能。
Description
技术领域
本发明涉及深紫外氮化物LED领域，特别是提高发光效率的AlGaN基量子阱结构深紫外LED。
背景技术
AlGaN基深紫外（DUV）发光二极管（LED）在水净化、杀菌、皮肤治疗等方面有着广阔的应用前景，受到了人们的广泛关注。到目前为止，在250-280纳米波长范围内，具有p-GaN接触层的AlGaN基DUV-LED裸片的外量子效率一般小于7%。与高效的氮化物蓝光LED相比，由于AlGaN基DUV-LED具有较高的受主电离能、p-GaN接触层的强吸收和独特的偏振特性，致使其外量子效率低下。为了解决这些问题，研究人员提出了多种方法来改善AlGaN基DUV-LED的发光效率。例如，采用AlGaN:Mg接触层替换p-GaN接触层，降低p-型接触层的光吸收；采用具有空气腔提取器的DUV LED结构，改善TM/TE偏振光的抽取效率；利用电子束泵浦的方式增加LED器件的载流子注入。此外，为了提高LED器件的发光效率，文献中还报道了其它结构设计，如多量子势垒电子阻挡层结构、type-II型量子阱结构、AlN-delta-GaN量子阱结构、阶梯状量子阱结构和梯度Al成分p-AlGaN包层结构。
鉴于目前深紫外氮化物LED较低发光效率等问题，我们提出了一种耦合量子阱结构设计，它能够增强c面LED的TE/TM模自发辐射复合率、提高LED器件的内量子效率、以及抑制氮化物LED器件的效率下降效应（efficiency droop effect）。
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，提出一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管, 增强AlGaN基深紫外LED的TE/TM模自发辐射复合率、提高LED器件的内量子效率、以及抑制氮化物LED器件的效率下降效应。
为了达到上述目的，本发明提出的耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，由下到上至少包括：n型半导体层、由势垒层和势阱层周期交叠构成的多量子阱结构、p型半导体层，其特征在于：所述势阱层由耦合AlGaN阱层构成，所述耦合AlGaN阱层至少包括三层结构，从下到上依次为AlxGa1-xN阱层、AlyGa1-yN隔离层、和AlxGa1-xN阱层, 所述AlxGa1-xN阱层的铝组分取值范围为1>x>0.3；所述AlyGa1-yN隔离层铝组分取值范围为1≥y>x。
本发明设计了一种耦合量子阱结构，通过阱层间的耦合，调节量子阱的能带结构，增加载流子在阱层中的复合区域，从而降低俄歇复合率，增加总自发辐射复合率，提高LED器件的内量子效率，抑制器件的效率下降效应。此外，在较大的注入电流密度下，由于阱层间的耦合，LED发光波长相比传统量子阱结构LED会向短波长方向移动。因而有利于我们设计具有较低Al组分的深紫外LED器件。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为实施例一耦合量子阱结构深紫外发光二极管的结构示意图。
图2为耦合量子阱结构和传统量子阱结构的TE模和TM模总自发辐射复合率R sp 。
图3为耦合量子阱结构和传统量子阱结构的TE模和TM模的峰值波长。
图4为耦合量子阱结构和传统量子阱结构的内量子效率。
图5为实施例二具有5层结构的耦合势阱层示意图。
图6为实施例二的耦合量子阱结构的内量子效率。
附图标注：10-衬底；20-缓冲层；30-超晶格层；40-n型半导体层；50-多量子阱结构；51-势垒层；52-势阱层；521-AlxGa1-xN阱层；522-AlyGa1-yN隔离层；523-AlxGa1-xN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
本实施例公开一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，通过耦合阱层代替传统阱层，调整量子阱的能带结构，扩展电子-空穴在阱层中的辐射复合区域，从而降低俄歇复合率，增加总自发辐射复合率，提高LED器件的内量子效率，抑制器件的效率下降效应。
本发明实施例具有耦合量子阱结构的紫外氮化物发光二极管，如图1所示，由下自上依次包括衬底10、缓冲层20、超晶格层30、n型半导体层40、多量子阱结构50、p型半导体层60、和p型欧姆接触层70。其中，多量子阱结构50由势垒层51和势阱层52周期堆叠构成；势阱层52由耦合AlGaN阱层构成，该耦合AlGaN由AlxGa1-xN阱层521、 AlyGa1-yN隔离层522和AlxGa1-xN阱层523构成。其中，AlxGa1-xN阱层的铝组分取值范围为1>x>0.3，厚度为一个单原子层到3纳米；AlyGa1-yN隔离层铝组分取值范围为1≥y>x，厚度为1-4纳米。
本实施例中，势垒层为AlzGa1-zN层，势垒层中的铝组分取值范围为1≥z>x。
图2为耦合量子阱结构（样品A、A_1）和传统量子阱结构（样品B、B_1、C、C_1）的TE模和TM模总自发辐射复合率（R sp ）。
样品A和样品A_1为耦合量子阱结构；样品B、B_1、C、C_1为传统量子阱结构。所有样品的n型半导体层均为n型Al0.55Ga0.45N材料。
样品A的垒层为8纳米厚的Al0.5Ga0.5N；耦合阱层依次为1纳米厚的Al0.35Ga0.65N、2纳米厚的Al0.5Ga0.5N、1纳米厚的Al0.35Ga0.65N；
样品B的垒层为8纳米厚的Al0.5Ga0.5N；阱层为1纳米厚的Al0.35Ga0.65N
样品C的垒层为8纳米厚的Al0.5Ga0.5N；阱层为2.5纳米厚的Al0.35Ga0.65N；
样品A_1的垒层为8纳米厚的Al0.55Ga0.45N，耦合阱层依次为1纳米厚的Al0.35Ga0.65N、2纳米厚的Al0.55Ga0.45N、1纳米厚的Al0.35Ga0.65N；
样品B_1、C_1的垒层为8纳米厚的Al0.55Ga0.45N，阱层分别与样品B、C相同。
从图中可以明显看出，无论是TE模还是TM模，耦合量子阱结构LED的总自发辐射复合率都要大于相应的传统量子阱结构LED的总自发辐射复合率。例如，在注入电流密度J=100A/cm2时，样品A的TE和TM模总自发辐射复合率分别比样品B（样品C）增加了12.7%（35.6%）和17.7%（67.7%），而样品A_1的TE和TM模总自发辐射复合率分别比样品B_1（样品C_1）增加了9.6%（44.3%）和1.8%（51.1%）。耦合量子阱结构具有较高R sp 可以归因于强的量子限制和宽的复合区域。图3为耦合量子阱结构和传统量子阱结构的TE模和TM模的峰值波长。对于传统量子阱结构LED，随着阱层厚度下降，发光波长由于量子限制会变短；采用耦合量子阱结构，LED的发光波长由于阱层间的耦合会进一步变短。因此，采用相同的Al组分，耦合量子阱结构LED相比传统量子阱结构LED可以获得更短的发光波长，有利于深紫外LED的外延生长制备。图4为耦合量子阱结构和传统量子阱结构的内量子效率。在100A/cm2的注入电流密度下，可以观察到内量子效率从样品C（C_1）的13.6%（10.1%）提高到样品A（A_1）的20.5%（14.8%）。此外，我们发现耦合量子阱结构可以明显抑制效率下降效应。例如，当J=10A/cm2增加到J=250A/cm2时，样品A（A_1）的内量子效率仅降低了30.6%（33.3%），而样B（B_1）和C（C_1）的内量子效率分别降低了48.1%（52.2%）和48.5%（49.87%）。与传统结构相比，耦合量子阱结构的性能提高不仅归功于自发辐射率的提高，而且由于复合区域较宽，使得俄歇复合率降低。
实施例2
本实施例公开了一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，与实施例1的区别在于，势阱层52由5层结构组成，从下到上依次为AlxGa1-xN阱层521、 AlyGa1-yN隔离层522、AlxGa1-xN阱层523构成、AlyGa1-yN隔离层524、AlxGa1-xN阱层525构成，如图5所示。
图6为势阱层具有5层结构的耦合量子阱结构(样品XA)和传统量子阱结构(样品B和样品C)的内量子效率。样品XA的n型半导体层为n型Al0.55Ga0.45N材料；垒层为8纳米厚的Al0.5Ga0.5N；耦合阱层依次为1纳米厚的Al0.35Ga0.65N、2纳米厚的Al0.5Ga0.5N、1纳米厚的Al0.35Ga0.65N、2纳米厚的Al0.5Ga0.5N、1纳米厚的Al0.35Ga0.65N。从图中，我们可以看到耦合阱层结构的内量子效率明显高于传统量子阱结构的内量子效率。在50-150A/cm2注入电流密度下，样品XA的内量子效率相比样品B的内量子效率提高了18.7%-35.5%；而相比样品C的内量子效率提高了56.4%-74.8%。此外，相比传统量子阱结构，样品XA的效率下降效应也明显被抑制了。
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 (8)
1.一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，由下到上至少包括：n型半导体层（40）、由势垒层（51）和势阱层（52）周期交叠构成的多量子阱结构（50）、p型半导体层（60），其特征在于：所述势阱层（52）由耦合AlGaN阱层构成，所述耦合AlGaN阱层至少包括三层结构，从下到上依次为AlxGa1-xN阱层（521）、AlyGa1-yN隔离层（522）、和AlxGa1-xN阱层（523）, 所述AlxGa1-xN阱层的铝组分取值范围为1>x>0.3；所述AlyGa1-yN隔离层铝组分取值范围为1≥y>x。
2.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于: 发光波长在210-300nm光谱范围内。
3.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：所述AlxGa1-xN阱层的厚度为一个单原子层到3纳米；所述AlyGa1-yN隔离层的厚度为1-4纳米。
4.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：所述势垒层（51）为AlzGa1-zN层，势垒层（51）中的铝组分取值范围为1≥z>x。
5.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：所述势垒层（51）的厚度为6-15纳米。
6.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：所述多量子阱结构的周期数为2-20。
7.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：n型半导体层（40）的下方由下自上依次设置有衬底（10）、缓冲层（20）和超晶格层（31）。
8.根据权利要求1所述的一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管，其特征在于：p型半导体层（60）的上方设置有p型欧姆接触层（70）。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Address after: School of information science and technology, Nantong University, No.9 Xiyuan Road, Nantong City, Jiangsu Province, 226019 Applicant after: NANTONG University Address before: School of information science and technology, Nantong University, No.9 Xiyuan Road, Nanjing, Jiangsu Province, 226019 Applicant before: NANTONG University |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220615 Address after: 215000 Room 214, 23 Blocks, Zhongbei District, No. 99 Jinjihu Avenue, Suzhou Industrial Park, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu third generation semiconductor Research Institute Co.,Ltd. Address before: School of information science and technology, Nantong University, No.9 Xiyuan Road, Nantong City, Jiangsu Province, 226019 Patentee before: NANTONG University |
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| TR01 | Transfer of patent right |