一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管

1.本发明涉及半导体光电子材料和器件的制造领域，特别涉及一种具有baln/algan超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管(uv-led)。


背景技术：

2.algan基uv-led相对于传统的紫外光源汞灯，具有无毒环保、结构简单、便携不易碎、工作电压低、波长可调、使用寿命长等诸多优势，可广泛应用于杀菌消毒、医疗保健、美容美甲、牙科治疗、水和空气净化等领域。algan基uv-led外延片通常由衬底、缓冲层、n型半导体层、有源区层、电子阻挡层和p型半导体层等构成。当电流注入到algan基uv-led时，n型半导体层中的电子和p型半导体层中的空穴进入多量子阱有源区，并经过载流子复合过程，从而释放出紫外光。这个过程依赖于uv-led外延片中各层的材料组成和结构，以实现高效的电子-空穴复合和紫外光的发射。为了在防止电子泄漏的同时提高空穴注入效率，科研人员尝试了多种方法来改进电子阻挡层的材料组成和结构。这些方法包括采用具有al组分渐变的超晶格电子阻挡层结构和带有隧道结的复合电子阻挡层结构，以及在电子阻挡层的前后插入空穴注入层等。然而，采用上述这些材料组成和结构的电子阻挡层仍然无法解决以下技术问题：为了获得合适的空穴浓度，通常需要增加mg原子的掺杂浓度，但这会导致传统p型超晶格结构电子阻挡层中的mg原子扩散到多量子阱有源区，形成非辐射复合中心，降低uv-led的发光效率。另外，高al组分的电子阻挡层对电子和空穴均有明显的阻挡效果，导致空穴的注入效率显著降低，进而使得uv-led的载流子复合效率和发光效率严重下降。因此，进一步优化和改进电子阻挡层的材料组成和结构对于提高uv-led的发光效率非常重要。


技术实现要素：

3.发明目的：提供一种具有baln/algan超晶格结构电子阻挡层的uv-led，使电子阻挡层与多量子阱有源区的导带偏移尽可能地大、同时价带偏移尽可能地小，从而能够在有效阻挡电子泄漏的同时有助于改善空穴向有源区的注入效率，提高电子和空穴的辐射复合效率，进而提高uv-led的发光效率。
4.技术方案：为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
5.一种具有baln/algan超晶格结构电子阻挡层的uv-led，由下至上依次包括：衬底、aln缓冲层、n型algan层、多量子阱有源区、baln/algan超晶格结构电子阻挡层、p型algan层、p型gan欧姆接触层，以及在n型algan层上设置的n型电极和在p型gan欧姆接触层上设置的p型电极。
6.可选地，如图2所示，所述baln/algan超晶格结构电子阻挡层为沿着从衬底指向p型gan欧姆接触层的生长方向依次设置的由baln层和algan层交替生长而成的超晶格结构，其重复周期数为z，且满足5≤z≤50。b
x
al
1-x
n层中b的摩尔含量x满足0.05≤x≤0.2，如此设置既可避免因b含量太低而无法阻挡电子泄漏的问题，又可避免因b含量太高而导致电子阻挡层内部应力增大引起晶体质量下降的问题。而alyga
1-y
n层中al的摩尔含量y则沿生长方
向逐渐减小且满足0.3≤y≤0.6或为固定值，如此设置可以在削弱电子阻挡层对空穴的阻挡作用，即有利于空穴向多量子阱有源区注入的同时，降低其与p型algan层之间的晶格失配。
7.可选地，所述衬底可为蓝宝石、氮化镓、氮化铝中的任意一种。
8.可选地，所述aln缓冲层的厚度为50～1000nm。
9.可选地，所述n型algan层的厚度为1500～3000nm，电子浓度为5
×
10
18
cm-3
或以上。
10.可选地，所述多量子有源区由厚度为2～15nm的alnga
1-n
n量子垒层和厚度为1～10nm的almga
1-m
n量子阱层交替生长而成，其中n和m的关系满足n＞m。所述多量子阱的重复周期数为3～10，每个周期的长度为3～25nm。
11.可选地，所述p型algan层的厚度为50～100nm，空穴浓度为5
×
10
17
cm-3
或以上。
12.可选地，所述p型gan欧姆接触层为mg重掺杂的p-gan层，其厚度为20～300nm，空穴浓度为5
×
10
18
cm-3
或以上。
13.可选地，所述n型电极为ti/au欧姆接触电极，p型电极为ni/au欧姆接触电极。
14.有益效果：本发明提供了一种具有baln/algan超晶格结构电子阻挡层的uv-led，可以改善uv-led因空穴注入困难而导致的电子空穴辐射复合效率低以及因失配严重而导致的应力过大、晶体质量下降的问题，从而能够显著增强uv-led的发光功率。具体包括下述有益效果：
15.(1)本发明提供的电子阻挡层由交替生长的baln层和algan层构成，具有能使电子阻挡层与多量子阱有源区的导带偏移较大、同时价带偏移较小的特点。这种结构的电子阻挡层既能够有效地削弱电子溢出到p型半导体层，从而更好地将电子限制在有源区内，又由于电子阻挡层与p型半导体层之间的价带偏移或者势垒高度降低，因而能够显著改善空穴注入有源区的效率。因此，本发明提供的具有baln/algan超晶格结构的电子阻挡层可以极大地提高uv-led有源区内电子和空穴的辐射复合效率，从而提高uv-led的发光效率。
16.(2)由于baln和algan晶格匹配性较好，使得baln/algan超晶格结构电子阻挡层中因晶格失配导致的缺陷密度相对较低，因而有助于减少非辐射复合的发生几率，提高uv-led的发光效率。
17.(3)由于baln和algan均具有出色的高温稳定性，因此即使在高温工作条件下，由这些材料构成的电子阻挡层仍然能够有效地在限制电子泄漏的同时，有助于空穴向有源区的注入，而不会出现性能退化，因而具有更长的使用寿命。
附图说明
18.图1为本发明提供的具有baln/algan超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管示意图，其中的数字含义为：衬底101、aln缓冲层102、n型algan层103、多量子阱有源区104、baln/algan超晶格电子阻挡层105、p型algan层106、p型gan欧姆接触层107、n型电极108、p型电极109；
19.图2为本发明提供的baln/algan超晶格电子阻挡层105示意图，其中的数字含义为：baln层1051和algan层1052，重复周期数为z；
20.图3为现有技术制备的紫外发光二极管结构示意图，其中的数字含义为：衬底201、aln缓冲层202、n型algan层203、多量子阱有源区204、电子阻挡层205、p型algan层206、p型
gan欧姆接触层207、n型电极208、p型电极209。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加明晰，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述：
22.如图1所示，是本发明提供的一种具有baln/algan超晶格电子阻挡层结构的uv-led，由下至上依次包括：c面蓝宝石衬底101，50nm厚的aln缓冲层102，厚度为2000nm、电子浓度为6
×
10
18
cm-3
的si掺杂n型al
0.55
ga
0.45
n层103，重复周期数为5、al
0.45
ga
0.55
n量子阱厚度为2nm、al
0.56
ga
0.44
n势垒厚度为3nm的al
0.45
ga
0.55
n/al
0.56
ga
0.44
n多量子阱有源区104，重复周期数z＝6、b
0.05
al
0.95
n层和al
0.4
ga
0.6
n层厚度均为3nm的b
0.05
al
0.95
n/al
0.4
ga
0.6
n超晶格电子阻挡层105，厚度为50nm、空穴浓度为5
×
10
17
cm-3
的mg掺杂p型al
0.5
ga
0.5
n层106，厚度为150nm、空穴浓度为5
×
10
18
cm-3
的mg掺杂p型gan欧姆接触层107，以及在n型al
0.55
ga
0.45
n层103上设置的n型ti/au欧姆接触电极108和在p型gan欧姆接触层107上设置的p型ni/au欧姆接触电极109。
23.由于本发明提供的电子阻挡层由交替生长而成的b
0.05
al
0.95
n/al
0.4
ga
0.6
n超晶格构成，故能使该电子阻挡层与al
0.45
ga
0.55
n/al
0.56
ga
0.44
n多量子阱有源区的导带偏移较大、同时价带偏移较小。因此，这种结构的电子阻挡层既能够很好地将电子限制在有源区内，又能够显著改善空穴注入有源区的效率，因而可有效提高uv-led有源区内电子和空穴的辐射复合效率，从而提高uv-led的发光效率。
24.以上结合附图对本发明进行了示例性具体描述。显然，本发明的实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法、构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，但将本发明的上述方法、构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管，其特征在于，包括：由下至上依次设置的衬底(101)、aln缓冲层(102)、n型algan层(103)、多量子阱有源区(104)、baln/algan超晶格结构电子阻挡层(105)、p型algan层(106)和p型gan欧姆接触层(107)，以及在n型algan层上设置的n型电极(108)和在p型gan欧姆接触层上设置的p型电极(109)；其中，baln/algan超晶格结构电子阻挡层(105)为从下至上分别由b
x
al
1-x
n(1051)和al
y
ga
1-y
n(1052)交替生长而成的超晶格结构组成。2.根据权利要求1所述的一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管，其特征在于，b
x
al
1-x
n(1051)和al
y
ga
1-y
n(1052)中的x值满足0.01≤x≤0.15，且为固定值，y值满足0.3≤y≤0.6，且y值沿着从衬底(101)指向p型gan欧姆接触层(107)的生长方向逐渐降低或为固定值。3.根据权利要求1所述的一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管，其特征在于，所述衬底(101)材料可为极性、半极性或者非极性取向的蓝宝石、氮化镓、氮化铝材料中的任何一种。4.根据权利要求1所述的一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管，其特征在于，baln/algan超晶格结构电子阻挡层(105)的重复周期数为z，且满足5≤z≤50。5.根据权利要求1所述的一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管，其特征在于，所述超晶格结构电子阻挡层(105)的厚度小于100nm。

技术总结
本发明公开了一种具有超晶格结构电子阻挡层的紫外发光二极管，由下至上依次设置有衬底、AlN缓冲层、n型AlGaN层、多量子阱有源区、BAlN/AlGaN超晶格结构电子阻挡层、p型AlGaN层和p型GaN欧姆接触层，以及设置在n型AlGaN层上的n型电极和设置在p型GaN欧姆接触层上的p型电极。本发明提供的紫外发光二极管中，由于采用BAlN/AlGaN超晶格结构电子阻挡层取代了目前广泛使用的p型AlGaN电子阻挡层，而BAlN层相对于有源区中的AlGaN层的导带偏移增大、价带偏移减小，因此使得本发明提供的具有超晶格结构电子阻挡层一方面可以更有效地阻止电子的泄漏，另一方面又有助于提高空穴向有源区注入的效率，从而有利于提高有源区中电子与空穴的辐射复合效率，即有利于提升紫外发光二极管的发光效率。发光效率。发光效率。


技术研发人员：张雄 高雅妮 胡国华
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.03
技术公布日：2023/8/13