CN112993102A - 一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，由下至上依次包括衬底、AlN成核层、AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、B(Al,Ga)N电子减速层、AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN多量子阱有源区、p型AlGaN层和p型GaN欧姆接触层。由于B(Al,Ga)N/AlGaN异质结相比AlxGa1‑xN/AlyGa1‑yN异质结拥有更大的导带偏移与价带偏移比，所以可以更有效地限制电子从n型区进入有源区的速率。其次，移除传统的p型掺杂电子阻挡层，可增加空穴注入有源区的效率，提高电子空穴在有源区的辐射复合效率。另外，B(Al,Ga)N电子减速层两端能够产生极化电荷，形成与电子迁移方向相同的极化电场，可减缓电子从n型区进入有源区的迁移速率，从而提高量子阱对电子的捕获效率，增加量子阱中的电子与空穴的辐射复合几率，提升UV‑LED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制造的技术领域，尤其是涉及一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管(UV-LED)。
背景技术
目前AlGaN基UV-LED器件相比GaN基蓝光LED的发光效率仍然很低，尤其是在深紫外波段，器件的外量子效率往往低于10％。造成这一种现象的主要原因包括AlGaN基UV-LED较低的内量子效率和AlGaN材料中较高的材料缺陷密度等等。其中，内量子效率的低下主要和UV-LED有源区中较低的电子捕获效率和较低的空穴注入效率有关，使得电子很容易逃脱量子阱的束缚而泄漏到p型区与空穴进行非辐射复合。
为提高UV-LED的发光效率，如图2所示，现有技术通常采用在UV-LED多量子阱有源区与p区之间增加一层具有高Al组分的p型AlGaN超晶格电子阻挡层来抑制电子泄漏至p型区。但是一方面，由于AlGaN基异质结的导带偏移程度相比价带偏移程度差别有限，所以采用p型AlGaN超晶格电子阻挡层抑制电子泄漏的效果往往难以令人满意，并且引入p型AlGaN超晶格电子阻挡层在抑制电子泄漏的同时，通常也会在一定程度上降低空穴从p型区注入到多量子阱有源区的效率；另一方面，由于Mg的激活能在p型AlGaN外延层中会随着Al组分的增加而指数型增加，所以具有高Al组分的p型AlGaN电子阻挡层中的空穴浓度往往较低，会造成UV-LED的开启电压偏高，电光转换效率下降。除了引入p型AlGaN超晶格电子阻挡层结构以外，也有研究者尝试在UV-LED多量子阱有源区中靠近p型区的最后一层量子势垒层中引进具有Al组分渐变增高的量子势垒层的所谓“能带工程技术”，以提高多量子阱有源区对电子的限制作用。然而运用这种技术不仅要求的外延生长难度较高，而且效果也相当有限，并不足以完全防止电子向p型区的泄漏，难以显著提高UV-LED的发光效率。因此，设计和制备新颖而有效的电子限制结构对于提高UV-LED的发光效率具有重要的意义。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有电子减速层结构的UV-LED，显著提升UV-LED发光效率。
技术方案：一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，包括由下至上依次设置的衬底101、AlN成核层102、AlN缓冲层103、非掺杂AlGaN缓冲层104、n型AlGaN层105、B(Al,Ga)N电子减速层106、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区107、p型AlGaN层108和p型GaN欧姆接触层109，以及在n型AlGaN层105上设置的n型欧姆电极110和p型GaN欧姆接触层109上设置的p型欧姆电极111，其中0<x<y<1。
进一步的，所述B(Al,Ga)N电子减速层106由非掺杂或n型掺杂的BAlN、BGaN或BAlGaN层的任何一种构成，并且其禁带宽度始终大于n型AlGaN层105的禁带宽度。
进一步的，所述AlN成核层102的厚度为5-50nm，AlN缓冲层103的厚度为50-5000nm，非掺杂AlGaN缓冲层104的厚度为50-5000nm，n型AlGaN层105的厚度为200-5000nm，B(Al,Ga)N电子减速层106的厚度为3-50nm，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区107中的AlxGa1-xN量子阱阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN势垒厚度为3-30nm，重复周期数为1-50，p型AlGaN层108的厚度为20-300nm，p型GaN欧姆接触层109的厚度为5-100nm。
进一步的，所述B(Al,Ga)N电子减速层106为组分均匀的单一BAlN、BGaN或BAlGaN层，或为各元素组分渐变的BAlN、BGaN或BAlGaN层，或由各元素组分均匀或组分渐变的BAlN、BGaN或BAlGaN层组合而成的异质结所构成。
进一步的，所述衬底101为可外延生长AlGaN基材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和氮化铝衬底中的一种。
有益效果：本发明的一种具有电子减速层结构的UV-LED，通过在UV-LED结构中的n型AlGaN层和多量子阱有源区之间引入B(Al,Ga)N电子减速层，一方面可以利用B(Al,Ga)N/AlGaN异质结相比AlxGa1-xN/AlyGa1-yN异质结拥有更大的导带偏移的优势，有效地限制电子从n型区迁移进入多量子阱有源区的速率；另一方面，由于彻底移除了传统的p型掺杂电子阻挡层，所以可显著增加空穴从p型区注入多量子阱有源区的效率。除此之外，利用B原子相比Al或Ga原子拥有更小的原子半径的特点，在B(Al,Ga)N电子减速层上下两端表面可产生和积累压电极化电荷，形成与电子迁移方向相同的极化电场，能够进一步降低电子迁移率。总而言之，通过引入B(Al,Ga)N电子减速层同时移除传统的p型掺杂电子阻挡层，可在有效降低电子从n型AlGaN层进入多量子阱有源区的迁移率的同时，显著增加空穴从p型区注入多量子阱有源区的效率，因而能够大大提高多量子阱有源区对电子的捕获效率，同时改善载流子(电子和空穴)在多量子阱内的空间分布均匀性，有效提高多量子阱中的电子与空穴的辐射复合效率，从而显著提升UV-LED发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有电子减速层结构的UV-LED的断面层结构示意图，其中：101衬底，102AlN成核层，103AlN缓冲层，104非掺杂AlGaN缓冲层，105n型AlGaN层，106B(Al,Ga)N电子减速层，107AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，108p型AlGaN层，109p型GaN欧姆接触层，110n型欧姆电极，111p型欧姆电极；
图2为现有技术制备的UV-LED的断面层结构示意图，其中：201衬底，202AlN成核层，203AlN缓冲层，204非掺杂AlGaN缓冲层，205n型AlGaN层，206AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区，207p型AlGaN超晶格电子阻挡层，208p型AlGaN层，209p型GaN欧姆接触层，210n型欧姆电极，211p型欧姆电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，包括由下至上依次设置的衬底101、AlN成核层102、AlN缓冲层103、非掺杂AlGaN缓冲层104、n型AlGaN层105、B(Al,Ga)N电子减速层106、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区107、p型AlGaN层108和p型GaN欧姆接触层109，以及在n型AlGaN层105上设置的n型欧姆电极110和p型GaN欧姆接触层109上设置的p型欧姆电极111，其中0<x<y<1。
B(Al,Ga)N电子减速层106由非掺杂或n型掺杂的BAlN、BGaN或BAlGaN层的任何一种构成，并且其禁带宽度始终大于n型AlGaN层105的禁带宽度，而其中的B含量则可根据n型AlGaN层105的禁带宽度在0-100％范围内自由调节。
AlN成核层102的厚度为5-50nm，AlN缓冲层103的厚度为50-5000nm，非掺杂AlGaN缓冲层104的厚度为50-5000nm，n型AlGaN层105的厚度为200-5000nm，B(Al,Ga)N电子减速层106的厚度为3-50nm，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区107中的AlxGa1-xN量子阱阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN势垒厚度为3-30nm，重复周期数为1-50，p型AlGaN层108的厚度为20-300nm，p型GaN欧姆接触层109的厚度为5-100nm。
B(Al,Ga)N电子减速层106为组分均匀的单一BAlN、BGaN或BAlGaN层，或为各元素组分渐变的BAlN、BGaN或BAlGaN层，或由各元素组分均匀或组分渐变的BAlN、BGaN或BAlGaN层组合而成的异质结所构成。
衬底101为可外延生长AlGaN基材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和氮化铝衬底中的一种。
本实施例中，一种具有电子减速层结构的UV-LED，包括：由下至上依次设置的c面蓝宝石衬底101、AlN成核层102、AlN缓冲层103、非掺杂Al0.6Ga0.4N缓冲层104、n型Al0.6Ga0.4N层105、n型B0.3Al0.7N电子减速层106、Al0.45Ga0.55N/Al0.6Ga0.4N多量子阱有源区107、p型Al0.45Ga0.55N层108、p型GaN欧姆接触层109、在n型Al0.6Ga0.4N层105上设置的n型电极110和在p型GaN欧姆接触层109上设置的p型电极111。
AlN成核层102的厚度为25nm，AlN缓冲层103的厚度为2000nm，非掺杂Al0.6Ga0.4N缓冲层104的厚度为2000nm，n型Al0.6Ga0.4N层105的厚度为2000nm，n型B0.3Al0.7N电子减速层106的厚度为50nm，Al0.45Ga0.55N/Al0.6Ga0.4N多量子阱有源区107的总厚度为65nm，其中Al0.45Ga0.55N/Al0.6Ga0.4N多量子阱有源区107的Al0.45Ga0.55N量子阱宽为3nm，Al0.6Ga0.4N势垒厚度为10nm，周期长度为13nm，重复5个周期，p型Al0.45Ga0.55N层108的厚度为150nm，p型GaN欧姆接触层109的厚度为5nm。
n型Al0.6Ga0.4N层105采用Si掺杂，其电子浓度为3×1019cm-3，n型B0.3Al0.7N电子减速层106也采用Si掺杂，其电子浓度为2×1019cm-3；p型Al0.45Ga0.55N层108采用Mg掺杂，其空穴浓度为2×1018cm-3，p型GaN欧姆接触层109也采用Mg掺杂，其空穴浓度为3×1018cm-3。
在n型Al0.6Ga0.4N层105上设置的n型电极110为Ti/Au欧姆接触电极，在p型GaN欧姆接触层109上设置的p型电极111为Ni/Au接欧姆触电极。
本发明在如图2所示的传统的UV-LED结构中的n型AlGaN层和多量子阱有源区之间插入B(Al,Ga)N电子减速层。如此做法的优势为：一方面由于B(Al,Ga)N/AlGaN异质结相比AlxGa1-xN/AlyGa1-yN异质结拥有更大的导带与价带偏移比，可以有效地限制电子迁移进入多量子阱有源区的速率；另一方面，因为在B(Al,Ga)N电子减速层的上下端面会产生和积累压电极化电荷，形成与电子迁移方向相同的极化电场，可进一步减缓n区电子迁移进入多量子阱有源区的速率，从而提高电子在多量子阱有源区中的捕获效率。此外，由于移除了传统的p型掺杂电子阻挡层，所以可大幅增加空穴从p型区注入多量子阱有源区的效率，改善电子和空穴在多量子阱有源区内的空间分布均匀性，因而有助于显著提高电子和空穴在有源区的辐射复合效率，进一步提升UV-LED的发光效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底(101)、AlN成核层(102)、AlN缓冲层(103)、非掺杂AlGaN缓冲层(104)、n型AlGaN层(105)、B(Al,Ga)N电子减速层(106)、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(107)、p型AlGaN层(108)和p型GaN欧姆接触层(109)，以及在n型AlGaN层(105)上设置的n型欧姆电极(110)和p型GaN欧姆接触层(109)上设置的p型欧姆电极(111)，其中0<x<y<1。
2.根据权利要求1所述的一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述B(Al,Ga)N电子减速层(106)由非掺杂或n型掺杂的BAlN、BGaN或BAlGaN层的任何一种构成，并且其禁带宽度始终大于n型AlGaN层(105)的禁带宽度。
3.根据权利要求1所述的一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述AlN成核层(102)的厚度为5-50nm，AlN缓冲层(103)的厚度为50-5000nm，非掺杂AlGaN缓冲层(104)的厚度为50-5000nm，n型AlGaN层(105)的厚度为200-5000nm，B(Al,Ga)N电子减速层(106)的厚度为3-50nm，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱有源区(107)中的AlxGa1-xN量子阱阱宽为1-10nm，AlyGa1-yN势垒厚度为3-30nm，重复周期数为1-50，p型AlGaN层(108)的厚度为20-300nm，p型GaN欧姆接触层(109)的厚度为5-100nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述B(Al,Ga)N电子减速层(106)为组分均匀的单一BAlN、BGaN或BAlGaN层，或为各元素组分渐变的BAlN、BGaN或BAlGaN层，或由各元素组分均匀或组分渐变的BAlN、BGaN或BAlGaN层组合而成的异质结所构成。
5.根据权利要求1所述的一种具有电子减速层结构的紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底(101)为可外延生长AlGaN基材料的蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓和氮化铝衬底中的一种。
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