CN112951957B - 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管 - Google Patents

一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管 Download PDF

Info

Publication number
CN112951957B
CN112951957B CN202110299287.2A CN202110299287A CN112951957B CN 112951957 B CN112951957 B CN 112951957B CN 202110299287 A CN202110299287 A CN 202110299287A CN 112951957 B CN112951957 B CN 112951957B
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
quantum well
well structure
deep ultraviolet
emitting diode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110299287.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112951957A (zh
Inventor
李毅
朱友华
王美玉
胡涛
葛梅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu Third Generation Semiconductor Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Nantong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nantong University filed Critical Nantong University
Priority to CN202110299287.2A priority Critical patent/CN112951957B/zh
Publication of CN112951957A publication Critical patent/CN112951957A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112951957B publication Critical patent/CN112951957B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

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

一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管
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)。
CN202110299287.2A 2021-03-21 2021-03-21 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管 Active CN112951957B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110299287.2A CN112951957B (zh) 2021-03-21 2021-03-21 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110299287.2A CN112951957B (zh) 2021-03-21 2021-03-21 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112951957A CN112951957A (zh) 2021-06-11
CN112951957B true CN112951957B (zh) 2021-12-21

Family

ID=76227413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110299287.2A Active CN112951957B (zh) 2021-03-21 2021-03-21 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112951957B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113725326B (zh) * 2021-08-10 2024-09-24 广州市众拓光电科技有限公司 一种紫外led外延结构及其制备方法和应用

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007281257A (ja) * 2006-04-07 2007-10-25 Toyoda Gosei Co Ltd Iii族窒化物半導体発光素子
CN102222760B (zh) * 2011-06-20 2013-05-15 厦门市三安光电科技有限公司 一种深紫外半导体发光器件
CN103325903A (zh) * 2013-06-19 2013-09-25 中国科学院半导体研究所 可调控能带的uv led多量子阱结构装置及生长方法
CN105895759B (zh) * 2016-06-24 2018-07-17 太原理工大学 一种duv led外延片结构
CN105957936B (zh) * 2016-06-24 2018-04-13 太原理工大学 一种duv led外延片结构
CN109524519B (zh) * 2018-12-18 2020-12-25 南通大学 一种氮化物量子阱结构发光二极管
CN109950374B (zh) * 2019-04-02 2021-04-16 南通大学 一种氮化物量子阱结构深紫外发光二极管
CN111063753B (zh) * 2019-10-31 2021-08-03 厦门大学 一种Mg掺杂量子阱的AlGaN基深紫外LED外延结构及其制备方法
CN111628059B (zh) * 2020-04-28 2021-03-23 北京大学 AlGaN基深紫外发光二极管器件及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112951957A (zh) 2021-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11502220B1 (en) Ultraviolet light emitting diode structures and methods of manufacturing the same
US6614060B1 (en) Light emitting diodes with asymmetric resonance tunnelling
Chitnis et al. Improved performance of 325-nm emission AlGaN ultraviolet light-emitting diodes
JP3643665B2 (ja) 半導体発光素子
TW201724560A (zh) 氮化物半導體發光元件
KR20020021121A (ko) 질화물 반도체 소자
JP2015046598A (ja) 正孔注入層を備える半導体発光素子及びその製造方法
CN102623595B (zh) 一种发光二极管外延材料结构
CN109545916B (zh) 一种紫外led外延片结构及其制备方法
Akiba et al. Growth of flat p‐GaN contact layer by pulse flow method for high light‐extraction AlGaN deep‐UV LEDs with Al‐based electrode
CN110752279A (zh) 一种具有超薄铝铟氮插入层的紫外发光二极管及其制备方法
CN118174142B (zh) 蓝光激光器及其制备方法、以及外延结构的制备方法
KR20130096991A (ko) 자외선 발광소자
CN112951957B (zh) 一种耦合量子阱结构深紫外AlGaN基发光二极管
KR100818269B1 (ko) 질화물 반도체 발광소자
CN110649137A (zh) 一种紫外发光二极管外延结构及其制作方法
JP4884826B2 (ja) 半導体発光素子
CN110224048B (zh) 一种紫外led外延结构
CN116314499B (zh) 有源垒层掺Mg的外延结构及制备方法和芯片
Li et al. Performance enhancement of AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes by inserting the last quantum well into electron blocking layer
Hirayama et al. Realization of over 10% EQE AlGaN deep-UV LED by using transparent p-AlGaN contact layer
CN116845160A (zh) 一种深紫外发光二极管
JP4622466B2 (ja) 窒化物半導体素子
CN105957936A (zh) 一种duv led外延片结构
Fujikawa et al. Realization of 340-nm-band high-output-power (> 7 mW) InAlGaN quantum well ultraviolet light-emitting diode with p-type InAlGaN

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information

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

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

TR01 Transfer of patent right