CN113257968A - 一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，由下至上依次包括衬底、氮极性氮化物层、极性反转氮化物层、n型氮化物欧姆接触层、n型氮极性面电子阻挡层、非掺杂超晶格结构层、多量子阱有源层、p型氮化物欧姆接触层。在n型氮化物欧姆接触层和p型氮化物欧姆接触层上分别设置n型电极和p型电极。本发明所提供的具有氮极性面的n型电子阻挡层，能够从空间上限制电子进入有源区的数量，并且由于移除了传统的p型掺杂电子阻挡层，所以能够增加了空穴的注入率，使空穴与电子注入有源区的数量保持在均衡的水平，可提高有源区电子与空穴辐射复合发光的概率，从而提高发光二极管的性能。
Description
技术领域
本发明提供了一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管(LED)，属于半导体光电子材料和器件制造技术领域。
背景技术
因为LED具有高效，节能，可靠性高，寿命长等优点，且在节能减排、环境保护方面相比于传统照明光源具有很大的优势，所以目前已经逐步取代荧光灯和白炽灯等传统照明方式。但是，研究表明，如图2所示，在大电流注入条件下LED的内量子效率快速下降，电子很容易克服量子阱的限制到达p区与空穴进行非辐射复合，是导致大电流密度工作条件下LED发光效率下降的一个主要因素，严重制约了LED的应用和发展。因此，降低电子的泄露率是提高LED的发光效率的重要途径之一。
由于电子具有比空穴更小的有效质量和更高的迁移率，并且LED中的电子浓度远大于空穴的浓度，所以多余的电子可以很容易地穿过多量子阱有源区进入p型区，造成严重的电流泄漏进而降低LED芯片的发光效率。为了在有效阻挡电子溢出的同时提高空穴的注入效率，科研工作者们尝试了诸多方法改进电子阻挡层结构，包括采用Al组分渐变的AlGaN电子阻挡层，p-AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层以及复合极性面电子阻挡层等。然而这些电子阻挡层仍然无法令人满意地解决以下技术问题：1)传统的p型电子阻挡层在阻挡电子泄露的同时也降低了空穴注入效率，导致LED中的载流子的辐射复合效率与发光效率下降；2)多量子阱有源区与电子阻挡层的晶格失配一般较大，导致有源区内存在较强的极化电场，引起异质结界面的能带弯曲，电子和空穴的波函数在空间上发生分离，降低载流子的辐射复合效率，此即所谓的量子限制斯塔克效应；3)为提高空穴注入效率而使用氮极性面的p型电子阻挡层往往需要进行Mg元素的重掺杂来诱导极性反转，这会引起薄膜内Mg的掺杂聚集，从而导致晶体质量的恶化。因此，进一步改进设计和制备合适的电子阻挡层结构对于提高氮化镓基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，提出一种具有氮极性面的n型电子阻挡层结构，提高LED的内量子效率，提升LED器件的发光效率。
技术方案：一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，包括由下而上依次设置的衬底101、氮极性面氮化物层102、极性反转氮化物层103、n型氮化物欧姆接触层104、n型氮极性面电子阻挡层106、非掺杂超晶格结构氮化物层107、多量子阱有源层108、p型氮化物欧姆接触层109，以及n型氮化物欧姆接触层104上设置的n型电极105和在p型氮化物欧姆接触层109上设置的p型电极110。
进一步的，n型氮极性面电子阻挡层106的禁带宽度大于非掺杂超晶格结构氮化物层107中势垒层和多量子阱有源层108中势垒层的禁带宽度，且非掺杂超晶格结构氮化物层107中势垒层的禁带宽度大于多量子阱有源层108中势垒层的禁带宽度。
进一步的，氮极性面n型电子阻挡层106选用组分均匀或者渐变的AlGaN、InGaN三元氮化物材料或AlInGaN四元氮化物材料，厚度为1-20nm，使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
进一步的，非掺杂超晶格结构氮化物层107的重复周期数为2～20，禁带宽度沿生长方向线性递减，每个周期长度为2-10nm，选用AlGaN/AlInGaN超晶格结构以及由三元或者四元氮化物与AlGaN/AIlnGaN超晶格组成的复合型超晶格结构中的任一种。
进一步的，氮极性面氮化物层102为组分均匀的氮化镓或氮化铝材料。
进一步的，极性反转氮化物层103的厚度为0.1～1μm，选用组分均匀的经过图形化处理的GaN、AlN二元氮化物材料。
进一步的，p型氮化物欧姆接触层109的厚度为20～500nm，选用组分均匀的p型GaN二元氮化物材料，或p型AlGaN、InGaN三元氮化物材料，或p型AlInGaN四元氮化物材料，或组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料；p型氮化物欧姆接触层109使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
进一步的，多量子阱有源层108的重复周期数为3～10，每个周期的长度为3～15nm，选用组分均匀的GaN二元氮化物材料，或AlGaN、InGaN三元氮化物材料，或AlInGaN四元氮化物材料，或组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料构成多量子阱有源层。
进一步的，n型氮化物欧姆接触层104的厚度为0.5～5μm，选用组分均匀的AlGaN三元氮化物层，或InAlGaN四元氮化物层，或者组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任何一种；n型氮化物欧姆接触层104中的势垒层使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1020cm-3。
有益效果：与传统的具有p型电子阻挡层的LED相比，本发明提供的具有氮极性面的n型电子阻挡层的LED具有以下优点：
1)通过采用一种具有氮极性面的n型电子阻挡层结构，可以提供足够高的势垒，限制了电子进入有源区的数量，而且氮极性面能够提供与金属极性面的自发极化方向相反的电场，有助于抵消部分极化电场，因而从空间上限制了有源区电子的浓度。
2)氮极性面的自发极化电场方向与有源区的极化方向相反，有助于抵消部分极化电场，能够降低多量子阱有源区内的量子限制斯塔克效应，增加电子空穴的辐射复合几率，从而提高LED的内量子效率。
3)非掺杂氮化物超晶格结构层能够有效地降低n型电子阻挡层与多量子阱有源区之间的晶格失配，从而减小压电极化效应带来的极化电场，提高氮极性面n型电子阻挡层的有效势垒，降低异质结界面处的二维电子气密度，提高载流子的空间分布均匀性和重合率。
4)由于移除了传统LED结构中的p型电子阻挡层，所以可显著增加空穴向多量子阱有源区的注入效率，从而能够保证有源区内空穴与电子的浓度维持在均衡的水平，有利于提高电子和空穴的辐射复合效率。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有氮极性面的n型电子阻挡层的LED断面结构示意图，其中：衬底101、氮极性面氮化物层102、极性反转氮化物层103、n型氮化物欧姆接触层104、n型电极105、n型氮极性面电子阻挡层106、非掺杂超晶格结构氮化物层107、多量子阱有源层108、p型氮化物欧姆接触层109、p型电极110；
图2为现有技术制备的LED断面结构示意图，其中：衬底201、氮化物成核层202、氮化物缓冲层203、n型氮化物欧姆接触层204、多量子阱有源区205、p型氮化物电子阻挡层206、p型氮化物空穴注入层207、氧化铟锡(ITO)导电层208、n型电极209和p型电极210。
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，一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，包括由下而上依次设置的衬底101、氮极性面氮化物层102、极性反转氮化物层103、n型氮化物欧姆接触层104、n型氮极性面电子阻挡层106、非掺杂超晶格结构氮化物层107、多量子阱有源层108、p型氮化物欧姆接触层109，以及n型氮化物欧姆接触层104上设置的n型电极105和在p型氮化物欧姆接触层109上设置的p型电极110。
其中，氮极性面氮化物层102为组分均匀的氮化镓或氮化铝材料。极性反转氮化物层103的厚度为0.1～1μm，选用组分均匀的经过图形化处理的GaN、AlN二元氮化物材料。
n型氮化物欧姆接触层104的厚度为0.5～5μm，选用组分均匀的AlGaN三元氮化物层，或InAlGaN四元氮化物层，或者组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任何一种；n型氮化物欧姆接触层104中的势垒层使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1020cm-3。
n型氮极性面电子阻挡层106的禁带宽度大于非掺杂超晶格结构氮化物层107中势垒层和多量子阱有源层108中势垒层的禁带宽度，且非掺杂超晶格结构氮化物层107中势垒层的禁带宽度大于多量子阱有源层108中势垒层的禁带宽度。氮极性面n型电子阻挡层106选用组分均匀或者渐变的AlGaN、InGaN三元氮化物材料或AlInGaN四元氮化物材料，厚度为1-20nm，使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
非掺杂超晶格结构氮化物层107的重复周期数为2～20，禁带宽度沿生长方向线性递减，每个周期长度为2-10nm，选用AlGaN/AlInGaN超晶格结构以及由三元或者四元氮化物与AlGaN/AIlnGaN超晶格组成的复合型超晶格结构中的任一种。
多量子阱有源层108的重复周期数为3～10，每个周期的长度为3～15nm，选用组分均匀的GaN二元氮化物材料，或AlGaN、InGaN三元氮化物材料，或AlInGaN四元氮化物材料，或组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料构成多量子阱有源层。
p型氮化物欧姆接触层109的厚度为20～500nm，选用组分均匀的p型GaN二元氮化物材料，或p型AlGaN、InGaN三元氮化物材料，或p型AlInGaN四元氮化物材料，或组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料；p型氮化物欧姆接触层109使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
本实施例中，发光二极管由c面蓝宝石衬底101、氮极性面GaN层102、极性反转AlN层103、n型Al0.2Ga0.8N欧姆接触层104、n型氮极性面Al0.3Ga0.7N电子阻挡层106、非掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构氮化物层107、In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱有源层108、p型GaN欧姆接触层109，以及在n型Al0.2Ga0.8N欧姆接触层104上设置的n型电极105以及在p型GaN欧姆接触层109上设置的p型电极110。
氮极性面GaN层102的厚度为50nm，极性反转AlN层103的厚度为500nm，n型Al0.2Ga0.8N欧姆接触层104的厚度为2μm，n型氮极性面Al0.3Ga0.7N电子阻挡层106的厚度为20nm，非掺杂AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构107中AlxGa1-xN和AlyGa1-yN层的厚度分别为4nm和6nm，每个周期的长度为10nm，重复20个周期，总厚度为200nm，且x沿生长方向由0.3线性递减至0.05，y沿生长方向由0.25线性递减至0，In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱有源层108中的In0.2Ga0.8N阱宽3nm，GaN势垒厚度7nm，周期长度为10nm，重复20个周期，总厚度为200nm，p型GaN欧姆接触层109的厚度为100nm。
通过采用具有氮极性面的n型Al0.3Ga0.7N电子阻挡层结构，从空间上和时间上限制了电子进入有源区的数量。具体而言，n型氮极性面Al0.3Ga0.7N电子阻挡层能够提供足够高的势垒，以及与金属极性面自发极化方向相反的电场，从而可以控制电子在有源区的浓度；而且氮极性面的自发极化电场方向与有源区中的极化方向相反，有助于抵消部分极化电场，降低多量子阱有源区内的量子限制斯塔克效应，增加电子空穴的辐射复合几率，从而提高LED的内量子效率。同时，由于移除了传统LED结构中的p型电子阻挡层，所以可显著增加空穴向多量子阱有源区的注入效率，从而能够保证有源区内空穴与电子的浓度维持在均衡的水平，可提高电子和空穴的辐射复合效率。此外，采用非掺杂氮化物超晶格结构层能够有效地降低n型Al0.3Ga0.7N电子阻挡层与In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱有源区之间的晶格失配，从而可以减小压电极化效应带来的极化电场，提高氮极性面n型Al0.3Ga0.7N电子阻挡层的有效势垒，降低异质结界面处的二维电子气密度，提高载流子的空间分布均匀性和重合率。
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 (9)
1.一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：包括由下而上依次设置的衬底(101)、氮极性面氮化物层(102)、极性反转氮化物层(103)、n型氮化物欧姆接触层(104)、n型氮极性面电子阻挡层(106)、非掺杂超晶格结构氮化物层(107)、多量子阱有源层(108)、p型氮化物欧姆接触层(109)，以及n型氮化物欧姆接触层(104)上设置的n型电极(105)和在p型氮化物欧姆接触层(109)上设置的p型电极(110)。
2.根据权利要求1所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：n型氮极性面电子阻挡层(106)的禁带宽度大于非掺杂超晶格结构氮化物层(107)中势垒层和多量子阱有源层(108)中势垒层的禁带宽度，且非掺杂超晶格结构氮化物层(107)中势垒层的禁带宽度大于多量子阱有源层(108)中势垒层的禁带宽度。
3.根据权利要求2所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：氮极性面n型电子阻挡层(106)选用组分均匀或者渐变的AlGaN、InGaN三元氮化物材料或AlInGaN四元氮化物材料，厚度为1-20nm，使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1018～5×1019cm-3。
4.根据权利要求2所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：非掺杂超晶格结构氮化物层(107)的重复周期数为2～20，禁带宽度沿生长方向线性递减，每个周期长度为2-10nm，选用AlGaN/AlInGaN超晶格结构以及由三元或者四元氮化物与AlGaN/AIlnGaN超晶格组成的复合型超晶格结构中的任一种。
5.根据权利要求1-4任一所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：氮极性面氮化物层(102)为组分均匀的氮化镓或氮化铝材料。
6.根据权利要求1-4任一所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：极性反转氮化物层(103)的厚度为0.1～1μm，选用组分均匀的经过图形化处理的GaN、AlN二元氮化物材料。
7.根据权利要求1-4任一所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：p型氮化物欧姆接触层(109)的厚度为20～500nm，选用组分均匀的p型GaN二元氮化物材料，或p型AlGaN、InGaN三元氮化物材料，或p型AlInGaN四元氮化物材料，或组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料；p型氮化物欧姆接触层(109)使用Mg元素进行p型掺杂，掺杂形成的空穴浓度为1×1016～1×1019cm-3。
8.根据权利要求1-4任一所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：多量子阱有源层(108)的重复周期数为3～10，每个周期的长度为3～15nm，选用组分均匀的GaN二元氮化物材料，或AlGaN、InGaN三元氮化物材料，或AlInGaN四元氮化物材料，或组分渐变的AlGaN、InGaN、AlInGaN氮化物材料构成多量子阱有源层。
9.根据权利要求1-4任一所述的具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，其特征在于：n型氮化物欧姆接触层(104)的厚度为0.5～5μm，选用组分均匀的AlGaN三元氮化物层，或InAlGaN四元氮化物层，或者组分渐变的AlGaN、InAlGaN氮化物层，AlGaN/InAlGaN超晶格结构以及三元或者四元氮化物与AlGaN/InAlGaN超晶格组成的复合型结构中的任何一种；n型氮化物欧姆接触层(104)中的势垒层使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×1017～1×1020cm-3。
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