CN205376556U - 垂直紫外线发光器件 - Google Patents
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Abstract
公开了垂直紫外线发光器件，包括衬底、设置在衬底上的n型半导体层、设置在n型半导体层上的活性层、设置在活性层上并包括Al的空穴注入层、设置在空穴注入层上并包括Al的Al-δ层以及设置在Al-δ层上并具有比空穴注入层高的p型掺杂剂浓度的第一p型接触层，第一p型接触层具有比空穴注入层低的Al含量，第一p型接触层的带隙低于或等于从活性层发射的光的能量，Al-δ层具有比空穴注入层高的Al含量并使空穴通过遂穿Al-δ层进入活性层。在该器件中，空穴注入层和Al-δ层设置为p型半导体层以增加Al-δ层与p型半导体层之间的带隙差，使得空穴可以在限制界面处通过二维气体效应在竖直方向上更加均匀地注入到活性层中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种紫外线(UV)发光器件，且更具体地，涉及一种发出UV光并包括在p-型半导体层中间的孔穴分布层以改善进入活性层的空穴注入效率的UV发光器件。
背景技术
发光器件是一种无机半导体器件，其通过电子和空穴的复合来发光。UV发光器件发出UV光，并可以用于包括固化聚合物材料、医用设备的灭菌、器件组件、用于产生白光的光源等的各种领域。由此，UV发光器件已经逐渐应用到各种领域中。
如典型的发光器件那样，UV发光器件包含设置在n-型半导体层和p-型半导体层之间的活性层。该UV发光器件发出具有相对短的峰值波长(通常，峰值波长为400nm或更少)的光。因此，在使用氮化物半导体制造UV发光器件中，当n-型和p-型氮化物半导体层的带隙比UV光的能量小时，可能出现吸收从活性层发出并进入n-型和p-型氮化物半导体层的UV光的问题。结果，UV发光器件的发光效率明显降低。
因此，为了防止发光效率降低，该UV发光器件在活性层中含有一定量的Al且在UV发光侧具有氮化物半导体层。然而，由于GaN的带隙为约3.4eV并吸收波长约为360nm或更少的光，因此Al必须包含在该氮化物半导体层，以发射波长比该波长短的光。由于带隙因Al的存在而增大，所以空穴的电离能增大，同时活化率降低，使得进入活性层的空穴注入效率降低。为了解决此问题，尽管存在这样一种传统技术，其中将具有不同浓度的p-型掺杂剂的多个层交替地堆叠以基于层之间在掺杂浓度上的差异而提供侧向空穴分散，但是该技术提供无意义的空穴分散且无法充分抑制UV发光器件的空穴分散性的恶化。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种UV发光器件，其包括：在空穴注入方向具有比在其它方向更高的带隙以防止空穴分散性恶化的A1-δ层，从而基于二维空穴气体效率改善进入活性层的空穴注入效率和侧向空穴分散性。
根据一个示例性实施例，一种垂直UV发光器件，包括：衬底；n型半导体层，设置在所述衬底上；活性层，设置在所述n型半导体层上；空穴注入层，设置在所述活性层上并包括Al；Al-δ层，设置在所述空穴注入层上并包含Al；以及第一p型接触层，设置在所述Al-δ层上并具有比所述空穴注入层高的p型掺杂剂的掺杂浓度，其中，所述第一p型接触层具有比所述空穴注入层低的Al含量，所述Al-δ层具有比所述空穴注入层高的Al含量并且使空穴通过遂穿所述Al-δ层进入所述活性层。
根据一个示例性实施例，UV发光器件包括衬底、设置在衬底上的n型半导体层、设置在n型半导体层上的活性层、设置在活性层上并包括Al的空穴注入层、设置在空穴注入层上并且包含Al的Al-δ层以及设置在Al-δ层上的第一p型接触层，其中，第一p型接触层具有比空穴注入层低的Al含量，Al-δ层具有比空穴注入层高的Al含量和比空穴注入层更高的掺杂浓度。该Al-δ层可以具有允许空穴通过隧穿而进入该活性层的厚度，优选为20nm或更少。
Al-δ层可以掺杂有p型掺杂剂，并且具有比空穴注入层高的p型掺杂剂的掺杂浓度。
Al-δ层可以具有2nm至20nm的厚度。
垂直紫外线发光器件还可以包括：设置在Al-δ层与第一p型接触层之间的第二p型接触层，第二p型接触层具有比第一p型接触层低的p型掺杂剂的掺杂浓度和比空穴注入层低的Al含量。
第一p型接触层的带隙可以低于或等于从活性层发射的光的能量。
第二p型接触层可以具有低于或等于从活性层发射的光的能量的带隙。
第一p型接触层可以包含铟。
空穴注入层可以具有低于或等于从活性层发射的光的能量的带隙。
Al-δ层的Al含量可以从空穴注入层逐渐增加至第一p型接触层。
Al-δ层可以具有朝着第一p型接触层逐步增加的Al含量。
Al-δ层可以具有2nm至20nm的厚度。
Al-δ层可以具有比空穴注入层高的Mg掺杂浓度。
UV发光器件还可以包括设置在活性层和空穴注入层之间的电子阻挡层。这里，空穴注入层可具有高于或等于从活性层发射的光的能量的带隙。
Al-δ层的Al含量可以从空穴注入层向接触层逐渐增加。另外，Al-δ层可以包括第一Al-δ层和第二Al-δ层，第一Al-δ层设置在空穴注入层上并具有比空穴注入层高的Al含量，第二Al-δ层设置在第一Al-δ层上并具有比第一Al-δ高的Al含量。
Al-δ层可以是未掺杂的层，并且可以用p-型掺杂剂掺杂以降低正向电压。p-型掺杂剂可以包括Mg，且Al-δ层可以具有比空穴注入层高的Mg掺杂浓度。
[有益效果]
根据示例性实施例，在UV发光器件中，将空穴注入层和Al-δ层设置成p型半导体层以增加A1-δ层和p型半导体层之间的带隙差，使得空穴可以在限制界面处借助二维气体效应更均匀地沿竖直方向注入到活性层中，从而通过具有高浓度Al的Al-δ层改善侧向空穴分散性。另外，UV发光器件可以具有低的正向电压并通过将高浓度的掺杂剂掺杂到Al-δ层而具有进入到活性层中的高的空穴注入效率。
附图说明
图1是根据一个示例性实施例的UV发光器件的剖面图。
图2是根据另一个示例性实施例的UV发光器件的剖面图。
图3是示出根据示例性实施例的UV发光器件的带隙的图。
具体实施方式
示例性实施例将在下面参照附图详细描述。
图1是根据一个示例性实施例的UV发光器件的剖视图。在根据该示例性实施例的UV发光器件的描述中，UV发光器件的带隙将参照图3进行描述。
参照图1，根据一个示例性实施例的UV发光器件包括衬底21、第一导电型半导体层、活性层25和第二导电型半导体层。在本文中，导电型半导体层是氮化物半导体层，并且可以通过各种方法形成，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等
参照图1，缓冲层形成在衬底21上。衬底21是用于在其上生长氮化物半导体层的衬底，并且可以包括蓝宝石衬底、碳化硅衬底、尖晶石衬底、GaN衬底、AlN衬底等。在该示例性实施例中，可以使用蓝宝石衬底或者AlN衬底。
缓冲层可以在衬底21上被形成为大约20nm的厚度。缓冲层可以是氮化物层，其包括(Al、Ga、In)N，并且具体地，可以包括在高温下表现出优异的结晶度并吸收较少的可见光的AlN。根据需要，可以在缓冲层上将AlN层连续生长成2μm高的厚度以减小位错密度。
当衬底21是诸如GaN衬底或AlN衬底的氮化物衬底时，可以省略缓冲层。
另外，超晶格层可以形成在缓冲层上。超晶格层可以包括由具有不同Al浓度并彼此交替地堆叠的AlGaN层组成的多个层，例如，AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N的超晶格层。
第一导电型半导体层可形成于超晶格层上。在该示例性实施例中，第一导电型半导体层可以是n型半导体层23并可以通过MOCVD等生长。n型半导体层23可以包括AlGaN，并且可以包含例如硅的n型掺杂剂。例如，n型半导体层23可以由n-AlxGa(1-x)N(0<x<1)表示。
活性层25和第二导电型半导体层可以顺次形成在n型半导体层23上。活性层25通过电子与空穴的复合发射具有特定能量的光。活性层可以具有单量子阱结构或量子阻隔层与量子阱层交替地堆叠的多量子阱结构。在量子阻挡层之间，最接近n型半导体层的量子阻挡层可以具有比其它量子阻挡层高的Al含量。在最接近n型半导体层23的量子阻挡层被形成为具有比其它量子阻挡层高的带隙的结构中，电子迁移率减小，从而有效地防止电子的溢出。
p型半导体层27可以形成在活性层25上。p型半导体层27可以通过例如MOCVD的方法形成为50nm-300nm的厚度。p型半导体层27可包括AlGaN，且p型半导体层27的Al含量被确定为具有比活性层25中的阱层高的带隙以防止从活性层25发射的光的吸收。
p型半导体层27包括电子阻挡层27a、空穴注入层27b、Al-δ层27c和第一p型接触层27d。
电子阻挡层27a形成在活性层25上并且含有Al。电子阻挡层27a可以具有20重量％至40重量％的Al含量和3E18/cm3至5E19/cm3的Mg掺杂浓度。另外，空穴注入层27b可以形成在电子阻挡层27a上。空穴注入层27b可以具有比电子阻挡层27a的Al含量低的Al含量并且具有比从活性层25发射的光的能量低的带隙，如图3中的(a)所示。空穴注入层27b的掺杂浓度也可以比电子阻挡层27a的掺杂浓度低。在一个示例性实施方案中，空穴注入层27b可以具有20重量％至30重量％的Al含量。在该示例性实施方案中，空穴注入层27b可以具有1E18/cm3至5E19/cm3的Mg掺杂浓度。
第一p型接触层27d可以形成在空穴注入层27b上。第一p型接触层27d可以具有低于或等于空穴注入层27b的Al含量的Al含量，并且被生长成厚度为50nm至100nm。第一p型接触层27d可以具有5E19/cm3至1E20/cm3的Mg掺杂浓度。
Al-δ层27c可以设置在空穴注入层27b与第一p型接触层27d之间。Al-δ层27c掺杂有Mg以具有高于或等于第一p型接触层27d的Mg掺杂浓度的Mg掺杂浓度，并且具有比空穴注入层27b高的Al含量。这里，过厚厚度的Al-δ层27c减小了进入活性层25的空穴注入效率，而过薄厚度的Al-δ层27c提供了不足的二维空穴气体效应，从而劣化了侧向空穴分散性。在一个示例性实施方案中，Al-δ层27c可以具有2nm至20nm的厚度。另外，尽管Al-δ层27c可以是未掺杂的层，但是Al-δ层27c可以另外地掺杂有p型掺杂剂，以改善空穴注入效率，同时降低正向电压。Al-δ层27c可以具有5E20/cm3或更低的Mg掺杂浓度。
在UV发光器件包括Al-δ层27c的结构中，当空穴h从第一p型接触层27d向空穴注入层27b注入时，空穴被Al-δ层27c二维地限制以形成二维空穴气体(2DHG)，如图3中的(a)所示，从而改善侧向空穴分散性。因此，空穴可以通过隧穿有效地注入到活性层中。Al-δ层27c可以掺杂有p型掺杂剂并且具有比空穴注入层27b高的掺杂浓度，从而提高了侧向空穴分散性以及进入活性层25的空穴注入效率，同时减小了正向电压。
Al-δ层27c可以由单层构成并且具有朝向第一p型接触层27d逐渐增加的Al含量，如图3中的(b)所示。为了具有Al-δ层27c的Al含量沿竖直方向变化的结构，源气体的Al含量被故意增大，使得Al-δ层27c的Al含量随着Al-δ层27c的生长沿竖直方向向上逐渐增大。
在空穴注入层27b的生长之后生长Al-δ层27c，并且在停止供应Al源气体并执行热处理之后执行Al-δ层27c的生长。因此，腔室中剩余的Al源被吸附至Al-δ层27c的表面，并且与之反应，使得Al-δ层27c可以生长成具有逐渐增加的Al含量。
同样地，因为Al含量沿向上方向逐渐增加，由Al-δ层27c与第一p型接触层27d之间的应力引起的2DHG效应被保持，同时减少了由Al-δ层27c与空穴注入层27b之间的晶格参数的差异引起的应力，从而可以使通过隧穿已通过Al-δ层27c的空穴更有效地注入到活性层25中。
图2是根据另一示例性实施例的UV发光器件的剖面图。在根据示例性实施例的UV发光器件的描述中，将参照图3描述UV发光器件的带隙。
在根据另一个示例性实施例的UV发光器件中，Al-δ层27c可以由多个层构成。由多个层构成的Al-δ层27c可以通过生长具有低Al含量的Al-δ层27c，接着在其上顺序生长具有更高的Al含量的Al-δ层27c来形成。由多个层构成的Al-δ层27c以这种方式如图3中的(c)所示那样顺序生长而成，可以通过在两个Al-δ层27c之间产生的对抗应力来进一步加强由Al-δ层27c和第一p型接触层27d之间的应力引起的2DHG效应，同时进一步减轻由于Al-δ层27c和空穴注入层27b之间的晶格参数差异导致的应力。
第一p型接触层27d可以包含铟(In)，并具有比空穴注入层27b低的Al浓度。因此，第一p型接触层27d的带隙可以比空穴注入层27b低，并可以低于或等于从活性层25发射的光的能量。另外，第一p型接触层27d可以具有比空穴注入层27b高的Mg掺杂浓度。在一个示例性实施例中，第一p型接触层27d的In含量可以为1重量％～20重量％，厚度为0.5nm至20nm，且Mg掺杂浓度为1E19/cm3或更少。
如图2所示，p型半导体层还可以包括在第一p型接触层27d和Al-δ层27c之间的第二p型接触层27e。第二p型接触层27e可以由AlGaN形成，并可以具有比第一p型接触层27d低的掺杂浓度，且第二p型接触层27e的Al含量可以被确定成使得第二p型接触层27e的带隙低于从空穴注入层27b和活性层25发射的光的能量。在一个示例性实施例中，第二p型接触层27e可以包括p型GaN。由于第一p型接触层27d和第二p型接触层27e的带隙比从活性层25发射的光的能量低因而会吸收光，因此考虑到与p型电极(未示出)的接触阻抗和空穴注入效率，第一p型接触层27d和第二p型接触层27e优选被尽可能薄地形成。例如，第一p型接触层27d和第二p型接触层27e的总厚度可以为1nm至50nm。
p型电极(未示出)形成在第一p型接触层27d的上侧上，以将电流(空穴)注入到氮化物半导体，并且可以是由Ni、Ti、W或Au形成的单个层或其多个层构成。在一个示例性实施例中，p型电极是由厚度为0.1nm-5nm的Ni层和厚度为1nm-20nm的Au层构成。
虽然结合附图公开了一些示例性实施例，但是应该理解，这些实施例和附图仅用来说明，而不应被解释为对本实用新型进行限制。本实用新型的范围应该根据所附权利要求被解释为覆盖来自所附的权利要求及其等同物的所有修改或变化。
[附图标记列表]
21：衬底23：n型半导体层
25：活性层27：p型半导体层
27a：电子阻挡层27b：空穴注入层
27c：A1-δ层27d：第一p型接触层
27e：第二p型接触层。
Claims (7)
1.一种垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述垂直紫外线发光器件包括：
衬底；
n型半导体层，设置在所述衬底上；
活性层，设置在所述n型半导体层上；
空穴注入层，设置在所述活性层上；
Al-δ层，设置在所述空穴注入层上；以及
第一p型接触层，设置在所述Al-δ层上，
其中，所述Al-δ层使空穴通过遂穿所述Al-δ层进入所述活性层。
2.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述Al-δ层具有2nm至20nm的厚度。
3.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述垂直紫外线发光器件还包括：设置在所述Al-δ层与所述第一p型接触层之间的第二p型接触层。
4.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述第一p型接触层的带隙低于或等于从所述活性层发射的光的能量。
5.根据权利要求3所述的垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述第二p型接触层具有低于或等于从所述活性层发射的光的能量的带隙。
6.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述空穴注入层具有低于或等于从所述活性层发射的光的能量的带隙。
7.根据权利要求1所述的垂直紫外线发光器件，其特征在于，所述Al-δ层具有2nm至20nm的厚度。
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