CN208589459U - 一种紫外发光二极管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外发光二极管，包括在蓝宝石衬底上依次生长的AlN缓冲层、应力释放层、n型接触层、多层量子阱有源层、电子阻挡层、p型接触层；其中：所述多层量子阱有源层为量子阱层和量子垒层交替生长的层叠结构，所述多层量子阱有源层中的所述量子阱层或所述量子垒层的层数为n，2≦n≦15，所述量子垒层中Al组分大于所述量子阱层中的Al组分。本实用新型的优点在于：控制量子垒层中Si元素的掺杂和量子垒层中Al组分的逐渐减少，可以提高载流子在量子阱中的传输能力和分布均匀性，减小量子阱中的极化电场，增加电子和空穴波函数的重叠，从而提高紫外发光二极管的发光效率。

Description

一种紫外发光二极管

技术领域

本实用新型涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种紫外发光二极管。

背景技术

基于三族氮化物(III-nitride)宽禁带半导体材料的紫外发光二极管(Ultraviolet Light-Emitting Diode，UV LED)在杀菌消毒、聚合物固化、生化探测、非视距通讯及特种照明等领域有着广阔的应用前景。相比于传统紫外光源汞灯,紫外发光二极管有着无汞环保、小巧便携、低功耗、低电压等许多优势，近年来受到越来越多的关注和重视。

AlGaN材料是制备紫外发光二极管的核心材料。Al_xGa_1-xN材料是宽禁带直接带隙半导体材料，通过调节三元化合物AlGaN中的Al组分，可以实现AlGaN能隙在3.4～6.2eV 之间连续变化，从而获得波长范围从210nm到365nm的紫外光。目前深紫外发光二极管外延层包括依次生长在蓝宝石衬底上的缓冲层，应力释放层，n型接触层，不同Al组分的多层量子阱有源区，电子阻挡层及p型接触层。然而，现有技术制备的紫外发光二极管，尤其是深紫外发光二极管的发光效率普遍比较低，限制了紫外发光二极管的广泛应用。造成紫外发光二极管，特别是深紫外发光二极管的发光效率比较低的一个重要因素就是AlGaN多层量子阱区域中产生的强极化电场。一方面由于AlGaN材料沿方向具有较强的自发极化效应，并且随着Al组分增加其自发极化增强，另一方面由于多层量子阱中阱和垒的Al组分的差异比较大，会在阱和垒的界面产生强的压电极化电场。该极化电场可引起强烈的量子限制斯塔克效应(QCSE)，使得量子阱能带发生倾斜，产生附加势垒，阻碍载流子的输运，造成电子和空穴波函数的空间分离，从而极大地降低紫外发光二极管的发光效率。

对于蓝光发光二极管结构中量子阱因为极化效应引起的效率下降，传统改善的方法就是在有源层的量子垒层中掺入Si元素，形成n型量子垒，除能够一定程度上屏蔽极化电场，减弱量子斯塔克效应，增加电子和空穴波函数的重叠，还能有效提高载流子浓度，提高外延晶体质量和阱垒间的界面质量，增强电流的横向扩展性，而提高发光二极管的发光效率。然而随着量子垒中Si掺杂浓度的增加，多层量子阱中价带的势垒高度增加，限制了空穴在多层量子阱中的传输，导致空穴主要集中在靠近p型电子阻挡层的量子阱中，空穴在整个量子阱中分布就不均匀。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种紫外发光二极管，解决了现有技术中紫外发光二极管发光效率比较低的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种紫外发光二极管，包括在蓝宝石衬底上依次生长的AlN缓冲层、应力释放层、n型接触层、多层量子阱有源层、电子阻挡层、p 型接触层；其中：所述多层量子阱有源层为量子阱层和量子垒层交替生长的层叠结构，所述多层量子阱有源层中的所述量子阱层或所述量子垒层的层数为n，2≦n≦15，所述量子垒层中Al组分大于所述量子阱层中的Al组分。

一种紫外发光二极管，其中：所述多层量子阱有源层中的所述量子阱层或所述量子垒层的层数n为5，所述量子垒层依次包括第一量子垒层、第二量子垒层、第三量子垒层、第四量子垒层、第五量子垒层。

一种紫外发光二极管，其中：所述量子垒层中进行Si元素掺杂，且Si元素的掺杂浓度分布沿n型接触层到p型接触层方向上逐步减少，Si元素的掺杂浓度在所述第一量子垒层、第二量子垒层、第三量子垒层、第四量子垒层、第五量子垒层依次递减。

一种紫外发光二极管，其中：靠近n型接触层的第一量子垒层中Si元素掺杂浓度与靠近电子阻挡层的第五量子垒层中Si元素掺杂浓度相差5倍以上。

一种紫外发光二极管，其中：所述第一量子垒层中Si元素的掺杂浓度为1E18/cm³，第二量子垒层中Si元素的掺杂浓度为8E17/cm³，第三量子垒层中Si元素的掺杂浓度为6E17/cm³，第四量子垒层中Si元素的掺杂浓度为4E17/cm³，第五量子垒层中Si元素的掺杂浓度为2E17/cm³。

一种紫外发光二极管，其中：所述量子垒层中进行Si元素掺杂，Si元素的掺杂浓度大于1E18/cm³，且所述量子垒层中Al组分沿n型接触层到p型接触层方向上逐步减少，所述量子垒层中Al组分在所述第一量子垒层、第二量子垒层、第三量子垒层、第四量子垒层、第五量子垒层依次递减。

一种紫外发光二极管，其中：所述量子垒层中Si元素的掺杂浓度为5E18cm³，所述量子阱层中Al组分为0.4，第一量子垒层中Al组分为0.65，第二量子垒层中Al组分为 0.6，第三量子垒层中的Al组分为0.55，第四量子垒层中Al组分为0.5，第五量子垒层中Al 组分为0.45。

一种紫外发光二极管，其中：

所述应力释放层、电子阻挡层的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0.5≦x≦1；

所述n型接触层的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0.4≦x≦1；

所述p型接触层的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0≦x≦1；

所述量子阱层的组分为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，0≦x≦0.8，0≦y≦0.2，0≦x+y≦1；

所述量子垒层的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0.1≦x≦1。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型提供了一种紫外发光二极管，具备以下有益效果：采用通过控制量子垒层中Si元素的掺杂浓度，且Si元素的掺杂浓度分布沿n型接触层到p型接触层方向上依次递减的方式，和采用通过控制量子垒层中Al组分沿n型接触层到p型接触层方向逐渐减少的方式，一方面，量子垒层中Si元素的掺杂可以有效屏蔽量子阱层中的极化电场，减弱量子阱层中的量子限制斯塔克效应(QCSE)，量子垒层中Si元素的掺杂可以降低量子阱中电子的势垒高度，提高量子阱中电子的传输能力及分布的均匀性；另一方面，随着量子垒层中Al组分逐渐减少，量子阱层有源区中垒和阱中Al组分的差异逐渐减小，从而减小了阱垒界面的压电极化，同时量子垒层中Al组分的减少可以使有源区中费米能级更靠近价带，降低有源区中空穴阻挡势垒，提高有源区中空穴的传输能力及分布的均匀性。控制量子垒层中Si元素的掺杂和量子垒层中Al组分的逐渐减少，可以提高载流子在量子阱中的传输能力和分布均匀性，减小量子阱中的极化电场，增加电子和空穴波函数的重叠，从而提高紫外发光二极管的发光效率。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中多层量子阱有源层的结构示意图。

图3为本实用新型中实施例1中不同Si掺杂浓度量子阱结构的能带模拟图。

附图标记：蓝宝石衬底101、AlN缓冲层102、应力释放层103、n型接触层104、多层量子阱有源层105、量子阱层105W、量子垒层105B、第一量子垒层105B1、第二量子垒层105B2、第三量子垒层105B3、第四量子垒层105B4、第五量子垒层105B5、电子阻挡层 106、p型接触层107。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，请参阅图1-2，一种紫外发光二极管，包括在蓝宝石衬底101上依次生长的AlN缓冲层102、应力释放层103、n型接触层104、多层量子阱有源层105、电子阻挡层 106、p型接触层107；其中：所述多层量子阱有源层105为量子阱层105W和量子垒层 105B交替生长的层叠结构，所述多层量子阱有源层105中的所述量子阱层105W或所述量子垒层105B的层数为n，2≦n≦15，所述量子垒层105B中Al组分大于所述量子阱层 105W中的Al组分。

其中：所述多层量子阱有源层105中的所述量子阱层105W或所述量子垒层105B的层数n为5，所述量子垒层105B依次包括第一量子垒层105B1、第二量子垒层105B2、第三量子垒层105B3、第四量子垒层105B4、第五量子垒层105B5。

其中：所述量子垒层105B中进行Si元素掺杂，且Si元素的掺杂浓度分布沿n型接触层104到p型接触层107方向上逐步减少，Si元素的掺杂浓度在所述第一量子垒层 105B1、第二量子垒层105B2、第三量子垒层105B3、第四量子垒层105B4、第五量子垒层 105B5依次递减。

其中：靠近n型接触层104的第一量子垒层105B1中Si元素掺杂浓度与靠近电子阻挡层106的第五量子垒层105B5中Si元素掺杂浓度相差5倍以上。

其中：所述第一量子垒层105B1中Si元素的掺杂浓度为1E18/cm³，第二量子垒层105B2中Si元素的掺杂浓度为8E17/cm³，第三量子垒层105B3中Si元素的掺杂浓度为 6E17/cm³，第四量子垒层105B4中Si元素的掺杂浓度为4E17/cm³，第五量子垒层105B5中 Si元素的掺杂浓度为2E17/cm³。

本实施例，对深紫外发光二极管的多层量子阱有源层105中量子垒层105B中掺杂不同浓度的Si元素，并模拟得到量子垒层105B中不同Si元素掺杂浓度的多层量子阱中的能带示意图，如图3所示。通过能带示意图可以得出，量子垒层105B中Si元素不掺杂与掺杂浓度为8E17/cm³、5E18/cm³和1E19/cm³样品在第三个量子垒的价带的势垒高度分别为376meV、409meV、452meV和472meV。随着量子垒层105B中Si元素掺杂浓度的增加，限制了空穴在量子阱中的传输能力，导致空穴主要集中分布在靠近电子阻挡层的量子阱中，使得空穴在量子阱中分布不均匀。

通过逐步降低量子垒层105B中Si元素的掺杂浓度，可以逐步降低靠近p型接触层107的量子垒的价带的势垒高度。一方面能够在有效提高电子在量子阱中的传输，提高电子在量子阱中浓度分布的同时，也一定程度的提高空穴在量子阱中的传输能力，提高空穴在量子阱中的浓度分布的均匀性；另一方面可以一定程度的屏蔽极化电场，降低量子斯塔克效应(QCSE)，提高电子和空穴波函数的重叠，从而进一步提高深紫外发光二极管的发光效率。

实施例2，请参阅图1-2，该实施例2采用与上述实施例1相同的结构，所不同之处在于，本实施例中，所述量子垒层105B中进行Si元素掺杂，Si元素的掺杂浓度大于 1E18/cm³，且所述量子垒层105B中Al组分沿n型接触层104到p型接触层107方向上逐步减少，所述量子垒层105B中Al组分在所述第一量子垒层105B1、第二量子垒层105B2、第三量子垒层105B3、第四量子垒层105B4、第五量子垒层105B5依次递减。

其中：所述量子垒层105B中Si元素的掺杂浓度为5E18cm³，所述量子阱层105W 中Al组分为0.4，第一量子垒层105B1中Al组分为0.65，第二量子垒层105B2中Al组分为0.6，第三量子垒层105B3中的Al组分为0.55，第四量子垒层105B4中Al组分为0.5，第五量子垒层105B5中Al组分为0.45。

本实施例为Al组分渐变的n型量子垒结构的紫外发光二极管，一方面，量子垒中Si元素的掺杂可以有效屏蔽量子阱中的极化电场，减弱量子阱中的量子限制斯塔克效应(QCSE)；量子垒中Si元素的掺杂可以降低量子阱中电子的势垒高度，提高量子阱中电子的传输能力及分布的均匀性。另一方面随着量子垒中Al组分逐渐减少，量子阱有源区中垒和阱中Al组分的差异逐渐减小，从而减小了阱垒界面的压电极化，同时量子垒中Al组分的减少可以使有源区中费米能级更靠近价带，降低有源区中空穴阻挡势垒，提高有源区中空穴的传输能力及分布的均匀性。量子垒中Si元素的掺杂和量子垒中Al组分的逐渐减少，可以提高载流子在量子阱中的传输能力和分布均匀性，减小量子阱中的极化电场，增加电子和空穴波函数的重叠，从而提高紫外发光二极管的发光效率。

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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种紫外发光二极管，包括在蓝宝石衬底(101)上依次生长的AlN缓冲层(102)、应力释放层(103)、n型接触层(104)、多层量子阱有源层(105)、电子阻挡层(106)、p型接触层(107)；其特征在于：所述多层量子阱有源层(105)为量子阱层(105W)和量子垒层(105B)交替生长的层叠结构，所述多层量子阱有源层(105)中的所述量子阱层(105W)或所述量子垒层(105B)的层数为n，2≦n≦15，所述量子垒层(105B)中Al组分大于所述量子阱层(105W)中的Al组分。

2.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：所述多层量子阱有源层(105)中的所述量子阱层(105W)或所述量子垒层(105B)的层数n为5，所述量子垒层(105B)依次包括第一量子垒层(105B1)、第二量子垒层(105B2)、第三量子垒层(105B3)、第四量子垒层(105B4)、第五量子垒层(105B5)。

3.根据权利要求2所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：所述量子垒层(105B)中进行Si元素掺杂，且Si元素的掺杂浓度分布沿n型接触层(104)到p型接触层(107)方向上逐步减少，Si元素的掺杂浓度在所述第一量子垒层(105B1)、第二量子垒层(105B2)、第三量子垒层(105B3)、第四量子垒层(105B4)、第五量子垒层(105B5)依次递减。

4.根据权利要求3所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：靠近n型接触层(104)的第一量子垒层(105B1)中Si元素掺杂浓度与靠近电子阻挡层(106)的第五量子垒层(105B5)中Si元素掺杂浓度相差5倍以上。

5.根据权利要求3或4所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：所述第一量子垒层(105B1)中Si元素的掺杂浓度为1E18/cm³，第二量子垒层(105B2)中Si元素的掺杂浓度为8E17/cm³，第三量子垒层(105B3)中Si元素的掺杂浓度为6E17/cm³，第四量子垒层(105B4)中Si元素的掺杂浓度为4E17/cm³，第五量子垒层(105B5)中Si元素的掺杂浓度为2E17/cm³。

6.根据权利要求2所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：所述量子垒层(105B)中进行Si元素掺杂，Si元素的掺杂浓度大于1E18/cm³，且所述量子垒层(105B)中Al组分沿n型接触层(104)到p型接触层(107)方向上逐步减少，所述量子垒层(105B)中Al组分在所述第一量子垒层(105B1)、第二量子垒层(105B2)、第三量子垒层(105B3)、第四量子垒层(105B4)、第五量子垒层(105B5)依次递减。

7.根据权利要求1或6所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：所述量子垒层(105B)中Si元素的掺杂浓度为5E18cm³，所述量子阱层(105W)中Al组分为0.4，第一量子垒层(105B1)中Al组分为0.65，第二量子垒层(105B2)中Al组分为0.6，第三量子垒层(105B3)中的Al组分为0.55，第四量子垒层(105B4)中Al组分为0.5，第五量子垒层(105B5)中Al组分为0.45。

8.根据权利要求1所述的一种紫外发光二极管，其特征在于：

所述应力释放层(103)、电子阻挡层(106)的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0.5≦x≦1；

所述n型接触层(104)的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0.4≦x≦1；

所述p型接触层(107)的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0≦x≦1；

所述量子阱层(105W)的组分为Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，0≦x≦0.8，0≦y≦0.2，0≦x+y≦1；

所述量子垒层(105B)的组分为Al_xGa_1-xN，其中，0.1≦x≦1。