一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，該發(fā)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(qū)(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(fù)合電子阻擋層(106)。本發(fā)明可解決傳統(tǒng)的電子阻擋層結(jié)構(gòu)在最后一個(gè)量子阱勢(shì)壘和電子阻擋層之間會(huì)形成寄生電子反型層的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管(υν-LED)。
【背景技術(shù)】
[0002]基于三族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體材料的UV-LED在殺菌消毒、聚合物固化、生化探測(cè)、非視距通訊及特種照明等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。相比于傳統(tǒng)紫外光源汞燈，UV-LED有著無(wú)汞環(huán)保、小巧便攜、低功耗、低電壓等許多優(yōu)勢(shì)。
[0003]對(duì)于AlGaN基UV-LED，不對(duì)稱(chēng)的電子和空穴濃度會(huì)導(dǎo)致注入到有源區(qū)的電子很容易溢出到P型區(qū)，降低了量子阱中的有效復(fù)合發(fā)光，引起P型區(qū)的長(zhǎng)波寄生復(fù)合發(fā)光。如圖3所示，具有較高Al組分的AlGaN阻擋層306結(jié)構(gòu)經(jīng)常被用于解決這一問(wèn)題。但如圖2所示，傳統(tǒng)的高Al組分AlGaN電子阻擋層306由于最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇與電子阻擋層之間較大的晶格失配會(huì)產(chǎn)生極化電場(chǎng)，從而在最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇與電子阻擋層306的界面形成電子反型層，使得非輻射復(fù)合增加，降低了器件的發(fā)光效率。同時(shí)，電子阻擋層較大的禁帶寬度也會(huì)阻擋空穴的注入，從而使得空穴的注入效率和器件的發(fā)光效率降低。Chen等人利用AlInGaN材料作為電子阻擋層，調(diào)節(jié)AlInGaN材料的晶格常數(shù)緩解晶格匹配，從而使得最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇與電子阻擋層界面的極化電場(chǎng)有所降低。
[0004]P型AlGaN材料的摻雜效率的問(wèn)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(dá)510-600meV，因此Mg的激活效率非常低，導(dǎo)致P型AlGaN的空穴濃度遠(yuǎn)低于P型GaN中的空穴濃度，和較低的電導(dǎo)率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]技術(shù)問(wèn)題:為了克服上述提到的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】
:為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，該發(fā)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(qū)、由 p-AIJntGai—s—tN 層和 p-AlzGai—zN 層組成的p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復(fù)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(shì)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(yōu)選的，所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ΖΝ復(fù)合電子阻擋層的厚度在10?10nm之間。
[0008]優(yōu)選的，禁帶寬度Eg(AlyGapyN)〈EgUiJntGai—s—tNXEgUlzGai—zN)。
[0009]優(yōu)選的，所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復(fù)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(yīng)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(yīng)地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的。
[0011]優(yōu)選的，所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGa^N復(fù)合電子阻擋層設(shè)置在AlxGai—xN/AlyGanN多量子阱有源區(qū)之上或者替代有源區(qū)的多量子阱中最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇。
[0012]優(yōu)選的，所述p-AlsIntGai—s—tN/p-AlzGai—ZN復(fù)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(yōu)選的，所述襯底為極性、半極性、非極性取向的藍(lán)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(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[00?5]由于使用了 p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN復(fù)合電子阻擋層，不僅可解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在量子皇和電子阻擋層之間會(huì)形成寄生電子反型層的問(wèn)題，還因?yàn)槭褂昧藘蓪拥腜型的電子阻擋層，所以可以更好地防止電子溢出有源區(qū)，提高電子和空穴的復(fù)合發(fā)光效率。
[0016]使用p-ALIntGa^-tN/p-AlzGahN復(fù)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(wèn)題，從而可以提高器件的發(fā)光功率。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明提供的新型UV-LED的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。其中數(shù)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(qū) 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(fù)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(tǒng)的P-AlzGapzN電子阻擋層時(shí)，UV-LED多量子阱有源區(qū)、P-AlzGapzN電子阻擋層和P-AlGaN歐姆接觸層的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3為以現(xiàn)有技術(shù)制備的UV-LED的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。其中數(shù)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(qū)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(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施例僅僅用以具體解釋本發(fā)明，而并不用于限定本發(fā)明權(quán)利要求的范疇。
[0022]本發(fā)明提供的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，該發(fā)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(qū) 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(fù)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(shì)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(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(fù)合電子阻擋層 106設(shè)置在厶]^81—\1'1/^]^&1—丫~多量子阱有源區(qū)105之上或者替代有源區(qū)的多量子阱中最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇。
[0028]所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ZN復(fù)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(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鋁、氮化鎵材料中的任一種。
[0030]實(shí)施例
[0031]如圖1所示，是本發(fā)明提供的一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的UV-LED，包括自下而上依次設(shè)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(qū) 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(fù)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(lán)寶石。
[0033I所述的η型區(qū)104為n-AlGaN外延層，其厚度為1.5μηι，η型摻雜使用Si元素進(jìn)行摻雜，電子濃度在I X 118?I X 121Cnf3之間。
[0034]所述的有源區(qū)105為AlxGa1-JVAlyGa1IN多量子阱，其重復(fù)周期數(shù)設(shè)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(fù)合電子阻擋層，其厚度為20nmo
[0036]所述P區(qū)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(fù)合電子阻擋層106均米用]\^進(jìn)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(shí)施例使用的p-AlsIntGah-tN/p-AlzGa^N復(fù)合電子阻擋層，不僅可解決傳統(tǒng)UV-LED結(jié)構(gòu)在最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇和電子阻擋層之間會(huì)形成寄生電子反型層的問(wèn)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(qū)，提高有源區(qū)中電子和空穴的復(fù)合發(fā)光效率。其次，使用p-AlsIntGa1-s-tN/p-AlzGa1-zN復(fù)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(wèn)題，從而可以顯著地提高器件的發(fā)光效率。
[0040]本發(fā)明采用p-AlsIntGal-s-tN/AlzGal-zN復(fù)合結(jié)構(gòu)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(shì)皇與p-AlzGal-zN電子阻擋層之間的晶格失配，可解決傳統(tǒng)的電子阻擋層結(jié)構(gòu)在最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇和電子阻擋層之間會(huì)形成寄生電子反型層的問(wèn)題，從而能有效地阻擋電子溢流，極大地減弱非輻射復(fù)合，提高UV-LED的發(fā)光效率。另一方面，采用p-AlsIntGal-s-tN/AlzGal-zN復(fù)合結(jié)構(gòu)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(wèn)題，還可以增強(qiáng)輻射復(fù)合，從而提高器件的發(fā)光效率。
[0041]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所做的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書(shū)中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:該發(fā)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(qū)(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(fù)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(shì)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(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ΖΝ復(fù)合電子阻擋層(106)的厚度在10?10nm之間。3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)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(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGai—ZN復(fù)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(yīng)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(yīng)地，其禁帶寬度是遞增/遞減的或者不變的。5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述口-41311^6&1-3^1^/^-4126&1-21'1復(fù)合電子阻擋層(106)設(shè)置在4]^&111'1/^]^6&111'1多量子阱有源區(qū)(105)之上或者替代有源區(qū)的多量子阱中最后一個(gè)量子阱勢(shì)皇。6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管，其特征在于:所述P-AlsIntGa1-s—tN/p-AlzGa!—ZN復(fù)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(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的具有復(fù)合電子阻擋層結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)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(lán)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(hào)】H01L33/14GK105977356SQ201610327711
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】張 雄, 梁宗文, 崔平, 崔一平
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)