一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，該發光二極管自下而上依次包括襯底(101)、低溫AlN成核層(102)、高溫AlN緩沖層(103)、n型AlGaN層(104)、AlxGa1?xN/AlyGa1?yN多量子阱有源區(105)、由p?AlsIntGa1?s?tN層(1061)和p?AlzGa1?zN層(1062)組成的p?AlsIntGa1?s?tN/p?AlzGa1?zN復合電子阻擋層(106)。本發明可解決傳統的電子阻擋層結構在最后一個量子阱勢壘和電子阻擋層之間會形成寄生電子反型層的問題。
【專利說明】
一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管
技術領域
[0001]本發明涉及半導體光電子器件領域，具體涉及一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管(υν-LED)。
【背景技術】
[0002]基于三族氮化物寬禁帶半導體材料的UV-LED在殺菌消毒、聚合物固化、生化探測、非視距通訊及特種照明等領域有著廣闊的應用前景。相比于傳統紫外光源汞燈，UV-LED有著無汞環保、小巧便攜、低功耗、低電壓等許多優勢。
[0003]對于AlGaN基UV-LED，不對稱的電子和空穴濃度會導致注入到有源區的電子很容易溢出到P型區，降低了量子阱中的有效復合發光，引起P型區的長波寄生復合發光。如圖3所示，具有較高Al組分的AlGaN阻擋層306結構經常被用于解決這一問題。但如圖2所示，傳統的高Al組分AlGaN電子阻擋層306由于最后一個量子阱勢皇與電子阻擋層之間較大的晶格失配會產生極化電場，從而在最后一個量子阱勢皇與電子阻擋層306的界面形成電子反型層，使得非輻射復合增加，降低了器件的發光效率。同時，電子阻擋層較大的禁帶寬度也會阻擋空穴的注入，從而使得空穴的注入效率和器件的發光效率降低。Chen等人利用AlInGaN材料作為電子阻擋層，調節AlInGaN材料的晶格常數緩解晶格匹配，從而使得最后一個量子阱勢皇與電子阻擋層界面的極化電場有所降低。
[0004]P型AlGaN材料的摻雜效率的問題更加突出，室溫下P型GaN中Mg受主的激活能為160-200meV，在AlGaN材料中Mg的激活能最高可達510-600meV，因此Mg的激活效率非常低，導致P型AlGaN的空穴濃度遠低于P型GaN中的空穴濃度，和較低的電導率。
【發明內容】
[0005]技術問題:為了克服上述提到的問題，本發明提供了一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管。
[0006]
【發明內容】
:為解決上述技術問題，本發明提供一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，該發光二極管自下而上依次包括襯底、低溫AlN成核層、高溫AlN緩沖層、η型AlGaN 層、AlxGai—xN/AlyGai—yN 多量子阱有源區、由 p-AIJntGai—s—tN 層和 p-AlzGai—zN 層組成的p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層、其中z>y>x，(Xs，I，z代表p-AlzGai—ZN層中Al組分的高低，y代表量子阱勢皇AlyGa^yN層中Al組分的高低，X代表量子阱AlxGahN層中Al組分的高低，s代表P-AlJntGa1-s—tN層中Al組分的高低，t代表P-AlJntGa1-s—tN層中In組分的高低;P型AlGaN層，P型GaN歐姆接觸層，在P型GaN歐姆接觸層上引出的P型歐姆電極，在η型AlGaN層上引出的η型歐姆電極。
[0007]優選的，所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ΖΝ復合電子阻擋層的厚度在10?10nm之間。
[0008]優選的，禁帶寬度Eg(AlyGapyN)〈EgUiJntGai—s—tNXEgUlzGai—zN)。
[0009]優選的，所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層中p-AlsIntGai—s—tN層中Al，In，Ga組分是漸變的或均勻的，相應地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的；
[0010]P-AlzGapzN中Al和Ga組分也是漸變的或均勻的，相應地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的。
[0011]優選的，所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGa^N復合電子阻擋層設置在AlxGai—xN/AlyGanN多量子阱有源區之上或者替代有源區的多量子阱中最后一個量子阱勢皇。
[0012]優選的，所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層和P型AlGaN層的摻雜劑為Mg，摻雜方式為均勻摻雜或δ摻雜，摻雜形成的空穴濃度介于I X 117Sl X 102()cm—3之間。
[0013]優選的，所述襯底為極性、半極性、非極性取向的藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鋁、氮化鎵材料中的任一種。
[0014]有益效果:本發明具有以下優點:
[00?5]由于使用了 p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN復合電子阻擋層，不僅可解決傳統結構在量子皇和電子阻擋層之間會形成寄生電子反型層的問題，還因為使用了兩層的P型的電子阻擋層，所以可以更好地防止電子溢出有源區，提高電子和空穴的復合發光效率。
[0016]使用p-ALIntGa^-tN/p-AlzGahN復合電子阻擋層能有效提高空穴的注入效率，解決UV-LED中空穴濃度低、且分布不均勻的問題，從而可以提高器件的發光功率。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明提供的新型UV-LED的斷面結構示意圖。其中數字的含義為:襯底101，低溫AlN成核層102，高溫AlN緩沖層103，n型AlGaN層104 ,AlxGa1-JVAlyGa1IN多量子阱有源區 105，由p-AlsIntGai—s—tN層 1601 和p-AlzGai—ZN層 1602組成的p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層106，p型AlGaN層107，p型GaN歐姆接觸層108，p型歐姆電極109，n型歐姆電極 IlO0
[0018]圖2為采用傳統的P-AlzGapzN電子阻擋層時，UV-LED多量子阱有源區、P-AlzGapzN電子阻擋層和P-AlGaN歐姆接觸層的能帶結構示意圖。
[0019]圖3為以現有技術制備的UV-LED的斷面結構示意圖。其中數字的含義為:襯底301、低溫AlN成核層302、高溫AlN緩沖層303、11型416&~層304^14&1—』/^14&1—一多量子阱有源區305、p-AlzGai—ZN電子阻擋層306，？型4163~層307，？型63~歐姆接觸層308，？型歐姆電極309，n型歐姆電極310。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0021]為了使本發明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的實施例僅僅用以具體解釋本發明，而并不用于限定本發明權利要求的范疇。
[0022]本發明提供的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，該發光二極管自下而上依次包括襯底101、低溫AlN成核層102、高溫AlN緩沖層103、n型AlGaN層104、AlxGai—XN/AlyGa1-yN多量子阱有源區 105、由P-AlsIntGa1-s—tN層 1061 和P-AlzGa1-ZN層 1062組成的p-AlsIntGa1-s-tN/p_AlzGai—ZN 復合電子阻擋層 106、其中2>7>叉，0<8，1^1，z 代表 p_AlzGai—ZN層中Al組分的高低，y代表量子阱勢皇AlyGapyN層中Al組分的高低，X代表量子阱AlxGahN層中Al組分的高低，s代表P-AlsIntGa1-s—tN層中Al組分的高低，t代表P-AlsIntGa1-s—tN層中In組分的高低;P型AlGaN層107，p型GaN歐姆接觸層108，在P型GaN歐姆接觸層108上引出的P型歐姆電極109，在η型AlGaN層104上引出的η型歐姆電極110。
[0023]所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ΖΝ復合電子阻擋層106的厚度在10?10nm之間。
[0024]禁帶寬度Eg(AlyGapyN)<Eg(AlsIntGa1-s-tN) <Eg(AlzGa1-zN)。
[0025]所述口-厶1311^&1—3^/卩-厶126&1—21'1復合電子阻擋層106中口-厶1；5 11^&1—；5』層1061中Al，In，Ga組分是漸變的或均勻的，相應地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的；
[0026]p-AlzGa1-zN 1062中Al和Ga組分也是漸變的或均勻的，相應地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的。
[0027]所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN 復合電子阻擋層 106設置在厶]^81—\1'1/^]^&1—丫~多量子阱有源區105之上或者替代有源區的多量子阱中最后一個量子阱勢皇。
[0028]所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層106和P型AlGaN層107的摻雜劑為Mg，摻雜方式為均勻摻雜或δ摻雜，摻雜形成的空穴濃度介于I X 117Sl X 102()cm—3之間。
[0029]所述襯底101為極性、半極性、非極性取向的藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鋁、氮化鎵材料中的任一種。
[0030]實施例
[0031]如圖1所示，是本發明提供的一種具有復合電子阻擋層結構的UV-LED，包括自下而上依次設置的襯底101、低溫AlN成核層102、高溫AlN緩沖層103、n型AlGaN層104、AlxGai—XN/AlyGa1-yN多量子阱有源區 105、由P-AlsIntGa1-s—tN層 1061 和P-AlzGa1-ZN層 1062組成的p-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層106、其中z>y>x，CXs，t<l，p型AlGaN層107，p型GaN歐姆接觸層108，在p型GaN歐姆接觸層108上引出的p型歐姆電極109，在η型AlGaN層104上引出的η型歐姆電極110。
[0032]所述的襯底101為r面11-22藍寶石。
[0033I所述的η型區104為n-AlGaN外延層，其厚度為1.5μηι，η型摻雜使用Si元素進行摻雜，電子濃度在I X 118?I X 121Cnf3之間。
[0034]所述的有源區105為AlxGa1-JVAlyGa1IN多量子阱，其重復周期數設置為2?10，單周期厚度在2?15nm之間。
[°035] 所述的電子阻擋層106為p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN復合電子阻擋層，其厚度為20nmo
[0036]所述P區107材料為p-AlGaN外延層，其厚度為200nm。
[0037]卩-八16&?^外延層107和。-八1311^631-^~/^-八12631-2?^復合電子阻擋層106均米用]\^進行摻雜，空穴濃度為I X 117-1X 102°cm—3。
[0038]所述η型電極110和P型電極109均采用Ag。
[0039]本實施例使用的p-AlsIntGah-tN/p-AlzGa^N復合電子阻擋層，不僅可解決傳統UV-LED結構在最后一個量子阱勢皇和電子阻擋層之間會形成寄生電子反型層的問題，而且由于使用了兩層的P型電子阻擋層，所以還可以更好地阻擋電子溢出有源區，提高有源區中電子和空穴的復合發光效率。其次，使用p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN復合電子阻擋層還能有效地提高器件的空穴注入效率，解決UV-LED中空穴濃度低、且分布不均勻的問題，從而可以顯著地提高器件的發光效率。
[0040]本發明采用p-AlsIntGal-s-tN/AlzGal-zN復合結構作為電子阻擋層，一方面，p-AlsIntGal-s-tN層能夠緩解最后一層AlyGal-yN量子講勢皇與p-AlzGal-zN電子阻擋層之間的晶格失配，可解決傳統的電子阻擋層結構在最后一個量子阱勢皇和電子阻擋層之間會形成寄生電子反型層的問題，從而能有效地阻擋電子溢流，極大地減弱非輻射復合，提高UV-LED的發光效率。另一方面，采用p-AlsIntGal-s-tN/AlzGal-zN復合結構作為電子阻擋層，可以提高空穴濃度，改善空穴分布的均勻性，不僅能解決UV-LED中空穴濃度較低、分布不均勻的問題，還可以增強輻射復合，從而提高器件的發光效率。
[0041]以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所做的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護范圍內。
【主權項】
1.一種具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:該發光二極管自下而上依次包括襯底(101)、低溫AlN成核層(102)、高溫AlN緩沖層(103)、n型AlGaN層(104)、AlxGa1-xN/AlyGai—yN多量子阱有源區(105)、由P-AlsIntGa1-s—tN層(1061)和P-AlzGa1-ZN層(1062)組成的p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層(106)、其中z>y>x，0<s，I，z代表P-AlzGa^N層中Al組分的高低，y代表量子阱勢皇AlyGa1-yN層中Al組分的高低，X代表量子阱AlxGapxN層中Al組分的高低，s代表p-AlsIntGais-tN層中Al組分的高低，t代表P-AlsIntGa1-s—tN層中In組分的高低;P型AlGaN層(107)，P型GaN歐姆接觸層(108)，在P型GaN歐姆接觸層(108)上引出的P型歐姆電極(109)，在η型AlGaN層(104)上引出的η型歐姆電極(IlO)02.根據權利要求書I所述的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ΖΝ復合電子阻擋層(106)的厚度在10?10nm之間。3.根據權利要求書I所述的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:禁帶寬度Eg(AlyGapyN) <Eg(AlsIntGa1-s-tN) <Eg(AlzGa1-zN)。4.根據權利要求書I所述的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ZN復合電子阻擋層(106)中p-AlsIntGai—s—tN層(1061)中Al，In，Ga組分是漸變的或均勻的，相應地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的； p-AlzGahNdOe〗)中Al和Ga組分也是漸變的或均勻的，相應地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的。5.根據權利要求書I所述的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:所述口-41311^6&1-3^1^/^-4126&1-21'1復合電子阻擋層(106)設置在4]^&111'1/^]^6&111'1多量子阱有源區(105)之上或者替代有源區的多量子阱中最后一個量子阱勢皇。6.根據權利要求書I所述的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGa!—ZN復合電子阻擋層(106)和P型AlGaN層(107)的摻雜劑為Mg，摻雜方式為均勻摻雜或δ摻雜，摻雜形成的空穴濃度介于I X 117Sl X 102()cm—3之間。7.根據權利要求書I所述的具有復合電子阻擋層結構的紫外發光二極管，其特征在于:所述襯底(101)為極性、半極性、非極性取向的藍寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鋁、氮化鎵材料中的任一種。
【文檔編號】H01L33/14GK105977356SQ201610327711
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】張 雄, 梁宗文, 崔平, 崔一平
【申請人】東南大學