CN116705960A - 一种具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，所述紫外发光二极管由下到上依次设置复合介质层、蓝宝石或AlN衬底、非故意掺杂AlGaN层，n型AlGaN层，多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层、p型GaN欧姆接触层，以及设置在n型AlGaN层上的n型电极和设置在p型GaN欧姆接触层上的p型电极。本发明提供的一种具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管在蓝宝石或者AlN衬底出光面上设置折射率渐变递减的复合介质层，以改善蓝宝石或者AlN衬底折射率与空气折射率相差较大而造成的光逃逸锥较小的不足，可极大地提高UV‑LED的光提取效率和光输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子材料和器件的制造领域，特别涉及一种具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管。
背景技术
AlGaN基紫外发光二极管(UV-LED)具有能耗低、对环境友好、发光波长可调等优点，正在被越来越广泛地应用于水和空气的净化、食品保鲜、医疗保健等多个领域。目前发光波长在200～350nm范围内的光源主要由汞灯提供，但UV-LED相较于传统汞灯更加环保、节能和轻便，随着UV-LED制备技术的发展、发光功率的提升和成本的下降将会使得UV-LED替代汞灯成为可能。
然而与制备技术成熟的GaN基LED，基于AlGaN的深紫外发光二极管(DUV-LED)器件仍然有着高位错密度、低光提取效率等缺点。尤其是常规的DUV-LED一般生长在蓝宝石衬底上，AlGaN外延层与蓝宝石衬底之间的晶格失配和热失配较大，因而在生长过程中AlGaN外延层中所产生的位错密度较大。采用AlN衬底虽然能较好地解决位错密度大的问题，但与蓝宝石衬底的折射率(nsapp＝1.76)相比，AlN的折射率(nAlN＝2)更大，导致在AlN与空气之间的出光界面上具有更小的全反射临界角，使得光逃逸锥很窄，因而极大地限制了以AlN为衬底制备的DUV-LED的光提取效率。因此，为了实现DUV-LED的高可靠性和高发光功率，必须设法扩大紫外光的光逃逸锥，以最大限度地提高光提取效率和光输出功率。
发明内容
发明目的：本发明提供一种具有渐变折射率复合介质层的UV-LED，通过利用设置在衬底出光侧上具有渐变折射率的复合介质层，使UV-LED有源区发出的紫外光经过各出光层的折射率由衬底向空气逐渐递减，由此可以有效增大紫外光在UV-LED与空气的出光界面处的全反射临界角，从而扩大光逃逸锥，极大地提高UV-LED的光提取效率和光输出功率。
技术方案：
如图1所示为本发明提供的一种具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，由下到上依次包括：复合介质层、衬底、非故意掺杂AlGaN层、n型AlGaN层、多量子阱有源区、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层、p型GaN欧姆接触层、以及设置在n型AlGaN层上的n型电极和设置在p型GaN欧姆接触层上的p型电极。
可选的，所述复合介质层，设置有两层或两层以上的紫外线高透过率介质层，且各介质层的折射率由紧邻衬底出光侧的上层至下层逐渐减小，每层介质层的厚度可以相同，也可以不同，但均在50～200nm的范围内。
可选的，所述衬底可以是蓝宝石衬底，也可以是AlN衬底。
可选的，所述非故意掺杂AlGaN层是采用利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)法或分子束外延(MBE)法在蓝宝石或AlN衬底上生长而成，其厚度为500～800nm。
可选的，所述n型AlGaN层是利用MOCVD或MBE方法在非故意掺杂AlGaN层上生长而成，同时利用SiH4进行n型掺杂，其中的电子浓度范围为5×1017～5×1019cm-3，其厚度为200～5000nm。
可选的，所述多量子阱层是利用MOCVD或MBE方法在n型AlGaN层上生长而成的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱结构，由3对或3对以上的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱与量子垒组成，其中x<y，35％<x<55％,45％<y<65％，AlxGa1-xN量子阱层的厚度为1～5nm，AlyGa1-yN量子垒层的厚度为2～10nm。
可选的，所述p型AlGaN电子阻挡层的Al组分高于多量子阱有源区中量子垒的Al组分，采用MOCVD或MBE方法生长而成，同时采用Cp2Mg进行p型掺杂，其中的空穴浓度范围为3×1016～3×1019cm-3，且始终高于多量子阱有源区里最后一个p型掺杂量子垒中的空穴浓度，其厚度为10～50nm。
可选的，所述p型AlGaN层采用MOCVD或MBE方法在p型AlGaN电子阻挡层上生长而成，同时采用Cp2Mg进行p型掺杂，其中的空穴浓度范围为5×1017～3×1019cm-3，厚度为50～100nm。
可选的，所述p型GaN欧姆接触层采用MOCVD或MBE方法在p型AlGaN层上生长而成，同时采用Cp2Mg进行重掺杂，其中的空穴浓度范围为1×1018～4×1019cm-3，厚度为5～200nm。
可选的，所述n型电极为在n型AlGaN层上设置的Ti/Au欧姆接触电极，所述p型电极为在p型GaN欧姆接触层上设置的Ni/Au欧姆接触电极。
有益效果：与如图3所示的现有技术制备的AlGaN基UV-LED相比，本发明提供的具有渐变折射率复合介质层的AlGaN基UV-LED具有以下优点：
在以蓝宝石为衬底制备AlGaN基UV-LED的场合，利用本发明提供的具有折射率从1.76逐渐减小至1的渐变折射率的多层介质层组成的复合介质层，可有效地增加多量子阱有源区发出的紫外光在AlGaN基UV-LED与空气的出光界面处的全反射临界角，从而能够扩大光逃逸锥，显著提高AlGaN基UV-LED的光提取效率和发光功率。而在以AlN为衬底制备AlGaN基UV-LED的场合，一方面利用本发明提供的具有折射率从2逐渐减小至1的渐变折射率的多层介质层组成的复合介质层，可有效地增加多量子阱有源区发出的紫外光在AlGaN基UV-LED与空气的出光界面处的全反射临界角，从而能够扩大光逃逸锥，显著提高AlGaN基UV-LED的光提取效率和发光功率。另一方面，由于AlN衬底与后续生长的AlGaN基外延层之间的晶格失配和热失配更小，后续生长的AlGaN基外延层位错密度更小，因而还有助于显著提高AlGaN基外延层乃至UV-LED的晶体质量。总而言之，利用本发明提供的具有渐变折射率的多层介质层组成的复合介质层，既能解决以AlN为衬底制备的UV-LED因其底部出光界面与空气折射率相差过大，导致光逃逸锥较小所引起的低光提取效率的问题，又能显著降低AlGaN基外延层中的位错密度，提高UV-LED的内量子效率和发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管层结构示意图，其中数字的含义为：复合介质层101、衬底102、非故意掺杂AlGaN层103、n型AlGaN层104、多量子阱有源区106、p型AlGaN电子阻挡层107、p型AlGaN层108、p型GaN欧姆接触层109、以及设置在n型AlGaN层上的n型电极105和设置在p型GaN欧姆接触层上的p型电极110；
图2为具有渐变折射率复合介质层紫外发光二极管中的渐变折射率复合介质层的层结构示意图，各介质层的折射率由紧接衬底的最上一层介质层渐变至接触空气的最下一层介质层，并且在1.76至1之间(蓝宝石衬底的场合)或者2至1之间(AlN衬底的场合)的范围内依次递减，即1.76>n1011>n1012>…>n101m>1(其中m≥3,蓝宝石衬底的场合)，或者2>n1011>n1012>…>n101m>1(其中m≥3,AlN衬底的场合)。
图3为现有技术制备的以蓝宝石为衬底的UV-LED的层结构示意图，其中数字的含义为：其中的数字含义为：蓝宝石衬底201、AlN缓冲层202、非掺杂AlGaN层203、n型AlGaN层204、量子阱有源区206、p型AlGaN电子阻挡层207、p型AlGaN层208、p型GaN欧姆接触层209、n型电极205、p型电极210。
具体实施方式
以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步的详细说明：
如图1所示，是本发明提供的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管层结构示意图，包括由下到上依次设置的复合介质层101、衬底102、非故意掺杂AlGaN层103、n型AlGaN层104、多量子阱有源区106、p型AlGaN电子阻挡层107、p型AlGaN层108、p型GaN欧姆接触层109、以及在n型AlGaN层上设置的n型电极105和在p型GaN欧姆接触层上设置的p型电极110。所述衬底102为蓝宝石衬底，厚度为500μm。
所述具有渐变折射率的复合介质层101由紧接蓝宝石衬底102设置的100nm厚的SiO2介质层1011和在SiO2介质层1011下设置的、直接接触空气的50nm厚的MgF2介质层1012组成。
所述非故意掺杂AlGaN层103为在蓝宝石衬底102上利用MOCVD法外延生长的Al0.55Ga0.45N层，厚度为500nm。
所述n型AlGaN层104为在非故意掺杂层103上利用MOCVD法生长、同时使用SiH4进行n型掺杂的n-Al0.55Ga0.45N层，厚度为2000nm，其中的电子浓度为6×1018cm-3。。
所述多量子阱有源区106为在n型Al0.55Ga0.45N层104上利用MOCVD法生长的Al0.45Ga0.55N/Al.0.53Ga0.47N多量子阱结构，其中量子阱层Al0.45Ga0.55N的厚度为5nm，量子垒层Al.0.53Ga0.47N的厚度为10nm，多量子阱有源区106共包含10对AlGaN量子阱与量子垒。
所述p型AlGaN电子阻挡层107为在多量子阱有源区106上利用MOCVD法生长，同时使用Cp2Mg进行p型掺杂的p-Al0.65Ga0.35N层，厚度为10nm，其中的空穴浓度为2×1018cm-3。
所述p型AlGaN层108为在p型AlGaN电子阻挡层107上利用MOCVD法生长，同时使用Cp2Mg进行p型掺杂的p-Al0.5Ga0.5N层，厚度为100nm，其中的空穴浓度为3×1018cm-3。
所述p型GaN欧姆接触层109为在p型AlGaN层上利用MOCVD法生长，同时利用Cp2Mg进行p掺杂的p-GaN欧姆接触层，厚度为50nm，其中的空穴浓度为5×1018cm-3。
所述n型电极105为在n型AlGaN层104上设置的Ti/Au欧姆接触电极，p型电极110为在p型欧姆接触层109上设置的Ni/Au接欧姆触电极。
图2特别展示了本发明提供的具有渐变折射率复合介质层的层结构。当采用蓝宝石(折射率1.76)作为衬底时，设置由SiO2和MgF2两层介质层组成的复合介质层。其中，紧接蓝宝石衬底的介质层1011为SiO2层而直接接触空气的介质层1012为MgF2层由于多量子阱有源区发射的紫外光从蓝宝石衬底经SiO2和MgF2介质层出射至空气的折射率依次减小，因此可增大多量子阱有源区发射的紫外光在AlGaN基UV-LED与空气的出光界面处的全反射临界角，解决蓝宝石衬底的折射率与空气相差过大造成的光逃逸锥较窄的问题，有效地扩大光逃逸锥，从而能够显著地提高蓝宝石衬底AlGaN基UV-LED的光提取效率和发光功率。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不限于本发明的其它实施方式，凡属本发明的技术路线原则之内，所做的任何显而易见的修改、替换或改进，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，包括：由下至上依次设置的复合介质层(101)、衬底(102)、非故意掺杂AlGaN层(103)、n型AlGaN层(104)、多量子阱有源区(106)、电子阻挡层(107)、p型AlGaN层(108)、p型GaN欧姆接触层(109)，以及在n型AlGaN层上设置的n型电极(105)和在p型GaN欧姆接触层上设置的p型电极(110)。
2.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，在衬底(102)的出光面，设置有由两层或两层以上的、折射率渐变的介质组成的复合介质层(101)，每层介质的厚度可以相同，也可以不同，但均在50～200nm的范围内；在衬底(102)为蓝宝石的场合下，每层介质层的折射率由上至下在1.76至1之间的范围内依次递减，在衬底(102)为AlN的场合下，每层介质层的折射率由上至下在2至1之间的范围内依次递减。
3.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，非故意掺杂AlGaN层(103)是在衬底(102)上生长而成的，其厚度为500～800nm。
4.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，n型AlGaN层(104)是在非故意掺杂AlGaN层(103)上生长而成的，其中的电子浓度范围为5×1017～5×1019cm-3，其厚度为200～5000nm。
5.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，多量子阱有源区(106)是在n型AlGaN层(104)上生长而成的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN多量子阱，其中x<y，35％<x<55％，45％<y<65％；量子阱AlxGa1-xN层的厚度为1～5nm，量子垒AlyGa1-yN层的厚度为2～10nm，多量子阱有源区(106)包含3对或3对以上的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子阱与量子垒。
6.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，p型AlGaN电子阻挡层(107)的Al组分高于多量子阱有源区(106)中量子垒的Al组分，其中的空穴浓度范围为3×1016～3×1019cm-3，且始终高于多量子阱有源区里最后一个p型掺杂量子垒中的空穴浓度，其厚度为10～50nm。
7.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，p型AlGaN层(108)是在p型AlGaN电子阻挡层(107)上生长而成，其中的空穴浓度范围为5×1017～3×1019cm-3，厚度为50～500nm。
8.根据权利要求1所述的具有渐变折射率复合介质层的紫外发光二极管，其特征在于，p型GaN欧姆接触层(109)是在p型AlGaN层(108)上生长而成，其中的空穴浓度范围为1×1018～4×1019cm-3，厚度为5～200nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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