CN116111012A - 一种可调控偏振发光模式的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调控偏振发光模式的发光二极管，依次连接的p型电极、第一p型半导体层、第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层、衬底层和n型电极，所述p型电极、n型电极与第一p型半导体层的长度相等，第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层与衬底层的长度相等。本发明发光二极管通过改变结构使出射光以TM偏振光为主，增大出射光的发光强。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调控偏振发光模式的发光二极管，属于发光二极管技术领域。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diodes，LED）是一种电致发光器件，其发光机理是将电能转化为光能，它的主要结构为p-n结。在p-n结中，由于导电类型不同，p型半导体与n型半导体之间存在载流子的浓度差异，因此电子与空穴会发生自由扩散运动。其中，电子从n型半导体向p型半导体移动，空穴则与之相反。当外加正向偏压时，n型掺杂GaN层的电子和p型掺杂GaN层的空穴会在电场的作用下沿相反的方向注入有源区并复合发光。由于InGaN阱层较小的宽度和较窄的带隙，会与有源区GaN层形成MQWs结构，从而使注入有源区的电子和空穴被限制在一个近似二维的空间内，增大电子与空穴波函数的交叠，提高了它们的复合发光效率。
当Ⅲ族氮化物半导体材料在正向偏压作用下，位于半导体价带中的电子可以吸收能量跃迁到导带上，形成非平衡载流子（导带中电子和价带中的空穴），此时的半导体处于非平衡态。导带中处于激发态的电子又可以向价带跃迁，以光辐射的形式释放出能量，这种现象就称之为半导体的发光。
目前，现有的Ⅲ族氮化物半导体材料的发光二极管大多数出射光以TE偏振光为主，而且出射光发光强度低，无法满足现实对发光二极管功能的需求。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可调控偏振发光模式的发光二极管。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种可调控偏振发光模式的发光二极管，包括：依次连接的p型电极、第一p型半导体层、第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层、衬底层和n型电极。所述p型电极、n型电极与第一p型半导体层的长度相等，第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层与衬底层的长度相等。
作为优选方案，所述p型电极、n型电极和n型电极的长度为0.4μm。
作为优选方案，所述第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层和衬底层的长度为1μm。
作为优选方案，所述第一p型半导体层的厚度为0.1μm，采用p型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1019cm-3。
作为优选方案，所述第二p型半导体层的厚度为0.3μm，采用p型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1019cm-3。
作为优选方案，所述第一InGaN势阱层、第二InGaN势阱层、第三InGaN势阱层和第四InGaN势阱层厚度均为3nm，均采用In0.1Ga0.9N。
作为优选方案，所述第一GaN势垒层、第一GaN势垒层、第一GaN势垒层和第一GaN势垒层厚度均为7nm，均采用GaN。
作为优选方案，所述n型半导体层厚度为0.1μm，采用n型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1018cm-3。
作为优选方案，所述衬底层厚度为3μm，采用n型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1018cm-3。
有益效果：本发明提供的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，通过改变发光二极管第一p型半导体层的长度，调控了发光二极管的偏振发光模式，使得发光二极管有源区域发射的光的角度分布可调，实现发光二极管的偏振发光模式可调。本发明通过改变结构使出射光以TM偏振光为主，且增大了出射光的发光强度。
附图说明
图1为本发明的发光二极管结构示意图。
图2为本发明的发光二极管出射光的角度分布图。
其中，附图标记：1：p型电极，2：第一p型半导体层，3：第二p型半导体层，4：第一InGaN势阱层，5：第一GaN势垒层，6：第二InGaN势阱层，7：第二GaN势垒层，8：第三InGaN势阱层，9：第三GaN势垒层，10：第四InGaN势阱层，11：第四GaN势垒层，12：n型半导体层，13：衬底层，14：n型电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种可调控偏振发光模式的发光二极管，所述发光二极管结构包括依次连接的p型电极1、第一p型半导体层2、第二p型半导体层3、第一InGaN势阱层4、第一GaN势垒层5、第二InGaN势阱层6、第二GaN势垒层7、第三InGaN势阱层8、第三GaN势垒层9、第四InGaN势阱层10、第四GaN势垒层11、n型半导体层12、衬底层13和n型电极14。所述p型电极1、n型电极14与第一p型半导体层2的长度相等，第二p型半导体层3、第一InGaN势阱层4、第一GaN势垒层5、第二InGaN势阱层6、第二GaN势垒层7、第三InGaN势阱层8、第三GaN势垒层9、第四InGaN势阱层10、第四GaN势垒层11、n型半导体层12与衬底层13的长度相等。
实施例：
进一步的，所述p型电极1和n型电极14，长度为0.4μm。
进一步的，第一p型半导体层2长度为0.4μm，厚度为0.1μm的p型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1019cm-3。
进一步的，第二p型半导体层3长度为1μm，厚度为0.3μm的p型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1019cm-3。
进一步的，第一InGaN势阱层4、第二InGaN势阱层6、第三InGaN势阱层8、第四InGaN势阱层10均采用In0.1Ga0.9N，厚度均为3nm。
进一步的，第一GaN势垒层5、第一GaN势垒层7、第一GaN势垒层9、第一GaN势垒层10均采用GaN，厚度均为7nm。
进一步的，n型半导体层12厚度为0.1μm，采用n型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1018cm-3。
进一步的，衬底层13厚度为3μm，采用n型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1018cm-3。
如图2所示，利用Silvaco TCAD软件，对本发明的发光二极管发光特性进行仿真。给发光二极管两端加上6V正向电压，第一p型半导体层、第二p型半导体层中的空穴，n型半导体层中的电子通过扩散、隧穿等方式运动至由InGaN势阱层和GaN势垒层所形成的量子阱中，在量子阱中辐射复合跃迁，从导带底跃迁至晶体场劈裂空穴带(CH)，发射的光子其电场方向平行于晶体场的c轴（LED沿c轴生长），为横磁模（TM），此时发光模式以TM模式为主导。
通过时域有限差分法(The finite-difference time-domain，FDTD)分析方法，得到本发明发光二极管的出射光中TM偏振光和TE偏振光的发光强度示意图2。由图2可知，总出射光由TE偏振光和TE偏振光两部分组成，出射角度为90°时，TM偏振光强度为0，此角度出射光完全是TE偏振光，强度为3×10-9W/sr。出射光发光强度峰值出现在45°~ 90°和90°~135°之间，强度为5.5×10-9W/sr。此出射角度范围内该发光二极管的TM偏振光发光强度为3.5×10-9W/sr，TE偏振光发光强度为2.5×10-9W/sr，出射光主要是TM偏振光。
本发明发光二极管通过改变结构使出射光以TM偏振光为主，增大出射光的发光强，解决了现有类型发光二极管大多数出射光以TE偏振光为主，出射光发光强度低的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。同时在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。且在本发明的附图中，填充图案只是为了区别图层，不做其他任何限定。
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 (9)
1.一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：包括：依次连接的p型电极、第一p型半导体层、第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层、衬底层和n型电极；
所述p型电极、n型电极与第一p型半导体层的长度相等，第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层与衬底层的长度相等。
2.根据权利要求1所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述p型电极、n型电极和n型电极的长度为0.4μm。
3.根据权利要求2所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述第二p型半导体层、第一InGaN势阱层、第一GaN势垒层、第二InGaN势阱层、第二GaN势垒层、第三InGaN势阱层、第三GaN势垒层、第四InGaN势阱层、第四GaN势垒层、n型半导体层和衬底层的长度为1μm。
4.根据权利要求3所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述第一p型半导体层的厚度为0.1μm，采用p型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1019cm-3。
5.根据权利要求3所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述第二p型半导体层的厚度为0.3μm，采用p型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1019cm-3。
6.根据权利要求1所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述第一InGaN势阱层、第二InGaN势阱层、第三InGaN势阱层和第四InGaN势阱层厚度均为3nm，均采用In0.1Ga0.9N。
7.根据权利要求1所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述第一GaN势垒层、第一GaN势垒层、第一GaN势垒层和第一GaN势垒层厚度均为7nm，均采用GaN。
8.根据权利要求1所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述n型半导体层厚度为0.1μm，采用n型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1018cm-3。
9.根据权利要求1所述的一种可调控偏振发光模式的发光二极管，其特征在于：所述衬底层厚度为3μm，采用n型掺杂GaN，掺杂浓度为1×1018cm-3。
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