利用電子阻擋層提高發光效率的氮化物發光器件的製作方法
2023-12-07 09:43:21
專利名稱：利用電子阻擋層提高發光效率的氮化物發光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及氮化物半導體材料系發光器件，具體涉及一種利用電子阻擋層提高發光效率的氮化物發光器件。
背景技術：
氮化物材料系(氮化鋁A1N，氮化鎵GaN和氮化銦hN)是直接帶隙半導體，可以形成三元和四元固溶合金，帶隙從0. 63eV到6. ^V，對應發光的範圍覆蓋整個可見光區並延伸到深紫外和中紅外波段，故利用氮化物材料系可製備中紅外光波段到深紫外，包括整個可見光區的高效率光電子器件。氮化鎵基發光二極體是固態照明的基石；氮化物雷射器，則是下一代高密度光存儲，高亮度、大尺寸全彩顯示的核心器件。氮化鎵基超輻射發光器件也有許多潛在的應用。氮化物發光器件包括從襯底至上依次疊加的四個部分多層結構的N型電子注入層；有源層；電子阻擋層；多層結構的P型空穴注入層。其中多層結構的N型電子注入層包括N型接觸層、N型包覆層和N型波導層；有源層包括量子阱和量子壘；多層結構的P型空穴注入層包括P型波導層、P型包覆層和P型接觸層。為了獲得高發光效率的氮化物發光器件，需要解決的關鍵之一是如何改善P型空穴注入層的注入效率以克服空穴濃度低和遷移率低的問題。如美國專利US7893443B2所述，在有源層和傳統的電子阻擋層之間插入一層較薄的銦鎵氮InGaN或者GaN材料，可以有效地提高空穴的注入效率。中國專利CN 102185057A提供了選擇性摻雜的hGaN/GaN超晶格結構也可以提高空穴濃度並減小雜質原子向有源層中擴散。另一關鍵問題就是怎樣減小大電流下電子電流的溢出，這種現象對雷射二極體影響尤甚，因為雷射器的工作電流常常在KA/cm2或者更高。傳統的單層的電子阻擋層採取鋁鎵氮AlGaN均勻摻鋁Al，且Al的組份不變。這種單層的均勻摻鋁的電子阻擋層雖然具有阻擋電子的良好作用，然而在有源層和電子阻擋層界面的價帶的帶階會形成空穴遂穿的勢壘而不利於空穴的注入。電子阻擋層為單層AWaN、Al的組分為0. 18 (原子數)、厚度為20nm 的發光器件在有源層和電子阻擋層附近的能帶如圖1所示。如中國專利CN 102185064A所述，利用多周期的AKkiN量子阱結構作為阻擋電子從有源區逃逸到P區的電子阻擋層，可以利用量子幹涉效應有效降低電子漏電流。然而，多周期的電子阻擋層會在阱壘界面形成勢壘不利於空穴的遂穿，導致相當數量的空穴分布在電子阻擋層的量子阱中。另一方面，InGaN或者GaN材料由於折射率與有源層相近，在波導結構上會造成低的光學限制因子，不利於光場的限制。
發明內容
本發明針對提高發光效率的兩個關鍵問題，即改善P型空穴注入層的注入效率以及減小大電流下電子電流的溢出，提供了一種具有非均勻且非周期摻鋁，Al的組分變化的電子阻擋層的氮化物發光器件。這種發光器件克服了現有結構的不足，可以有效提高空穴的注入效率，並抑制大電流下電子電流的溢出，使得載流子在有源層空間分布均勻，而且在波導結構上改善光學限制因子。本發明的目的在於提出一種利用電子阻擋層提高發光效率的氮化物發光器件。本發明的氮化物發光器件包括從襯底至上依次疊加的四個部分多層結構的N型電子注入層、有源層、電子阻擋層、及多層結構的P型空穴注入層，其中，電子阻擋層非均勻且非周期摻鋁Al，Al的組分從下至上變大。電子阻擋層的厚度在20nm IOOnm之間，包括單層或多層的AWaN，Al的組分在 0 0. 35 (原子數)之間，Al的組分可以是漸變也可以是突變。在有源層和P型空穴注入層之間加入多層或單層Al的組分變化的電子阻擋層，從而可以增加空穴的注入效率和抑制電子電流的溢出，減小雷射器的閾值電流並增加發光效率。電子阻擋層可以直接生長在有源層之上，也可以代替有源層中最後一個量子壘開始生長。電子阻擋層中摻雜為Mg、Si及C等雜質中的一種或多種組合。本發明的氮化物發光器件包括氮化物雷射器、氮化物發光二極體和超輻射二極體。發光器件結構可以為脊型，條形或其他結構。本發明的優點本發明同時有效地解決了提高發光效率的兩個關鍵問題，即減小空穴遂穿的勢壘以及提高空穴的注入效率。另外，電子阻擋層採用Al的組分變化的結構，可以使極化電荷在空間分布分散，從而避免傳統結構在量子壘和電子阻擋層界面寄生電子反型層的形成。 而多層結構在阻擋電子的效果上更加明顯，使得電子和空穴兩種載流子在有源層各個量子阱之中分布更加平衡和均勻，從而獲得更為均勻的光增益。因此本發明的發光器件可以有效地克服寄生量子阱現象，具有更小的閾值電流。而且，由於提高了波導結構的光學限制因子，因此利於獲得更高的發光強度。總之，可以同時改善雷射器的電學性質和光學性質。
圖1為現有技術的發光器件在有源層和電子阻擋層附近的能帶示意圖；圖2為本發明的氮化物發光器件的結構示意圖；圖3為本發明的實施例一的發光器件在有源層和電子阻擋層附近的能帶示意圖；圖4為現有技術的發光器件與本發明的實施例的發光器件的發光功率相比較的曲線圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例詳細描述本發明的實施方式。實施例一如圖2所示，在本實施例中氮化物發光器件採用氮化物雷射器，包括從襯底至上依次疊加的四個部分多層結構的N型電子注入層1、有源層2、電子阻擋層3、及多層結構的P型空穴注入層4。多層結構的N型電子注入層包括N型接觸層、N型包覆層和N型波導層；有源層包括量子阱和量子壘；多層結構的P型空穴注入層包括P型波導層、P型包覆層和P型接觸層。
接觸層、包覆層和波導層分別可以是A1N、InN和GaN等二元系氮化物中的一種，還可以是AlGaN、InAlN和hGaN等三元系氮化物中的一種，甚至是AlInGaN等四元系氮化物中的一種。其中，電子阻擋層包括三層AKiaN，從下至上，Al的組分(原子數)分別為0. 04、 0. 09,0. 18，以及 AlGaN 的厚度分別為 5nm、5nm、20nm。電子阻擋層的三層AlGaN中的每一層均為P型均勻Mg摻雜。實施例一為Al的組份突變的電子阻擋層結構，從下至上三層材料中Al的組分近似為倍數關係，即第二層的Al組分0. 09約為第一層0. 04的2倍，第三層的Al組分0. 18 約為第二層0. 09的2倍。圖3為本發明實施例一提供的發光器件在有源層和電子阻擋層附近的能帶示意圖，從圖中可以看出相比於現有技術，由於Al的組分變化使得界面極化電荷在空間分散， 有源層和電子阻擋層的界面價帶帶價變小會有利於空穴的遂穿；與周期結構如超晶格對比，非周期的結構會有效減小電子因為量子共振效應遂穿形成的漏電流，因此本發明的結構可以提高空穴的注入效率同時抑制電子電流的溢出。實施例二發光器件的結構與實施例一相同，其中，電子阻擋層包括兩層AKiaN，Al的組分 (原子數)線性插值漸變，其中，第一層Al的組分從0至0.05漸變，第二層Al的組分從 0. 06至0. 35漸變，第一層和第二層的AWaN的厚度分別為5nm和25nm。電子阻擋層的三層AlGaN中的每一層均為P型均勻Mg摻雜。實施例二為Al的組分漸變的電子阻擋層結構，從下至上兩層材料Al的組分採用線性插值遞增。現有技術、實施例一以及實施例二的發光器件的功率-電流曲線總結在圖4中。如圖4所示，利用多層漸變Al的組分的電子阻擋層的發光器件與現有技術的發光器件比較性質有明顯改善，以實施例一為例，閾值電流密度從2. OKA/cm2下降為1. 6KA/cm2,而雷射功率也增加了 15%，進一步的優化比如實施例二具有更優良的性質。氮化物發光器件不僅限於氮化物雷射器，還可以是氮化物發光二級管或超輻射二極體。摻雜原子不僅限於Mg，也可適用於Si或C等其他雜質。Al的組分漸變的電子阻擋層結構不僅適用於Al的組分隨高度採用線性插值遞增，也可適用於拋物線型插值遞增。最後需要注意的是，公布實施方式的目的在於幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和範圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限於實施例中所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
權利要求
1.一種氮化物發光器件，所述發光器件包括從襯底至上依次疊加的四個部分多層結構的N型電子注入層(1)、有源層O)、電子阻擋層(3)、及多層結構的P型空穴注入層0)， 其特徵在於，所述電子阻擋層C3)非均勻且非周期摻鋁Al，Al的組分從下至上變大。
2.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述電子阻擋層的厚度在20nm IOOnm之間。
3.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述電子阻擋層包括單層或多層的鋁鎵氮AWaN。
4.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述電子阻擋層中Al的組分在0 0. 35(原子數)之間。
5.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述電子阻擋層中Al的組分是漸變或突變。
6.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述電子阻擋層直接生長在有源層之上，或者代替有源層中最後一個量子壘開始生長。
7.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述電子阻擋層中摻雜為Mg、ai及C等雜質中的一種或多種組合。
8.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述氮化物發光器件包括氮化物雷射器、氮化物發光二極體和超輻射二極體。
9.如權利要求1所述的發光器件，其特徵在於，所述多層結構的N型電子注入層(1)包括N型接觸層、N型包覆層和N型波導層；所述有源層( 包括量子阱和量子壘；所述多層結構的P型空穴注入層(4)包括P型波導層、P型包覆層和P型接觸層。
10.如權利要求9所述的發光器件，其特徵在於，所述接觸層、包覆層和波導層分別是 A1N、InN和GaN等二元系氮化物，AlGaN, InAlN和InGaN等三元系氮化物，以及AlInGaN等四元系氮化物中的一種。
全文摘要
本發明公開了利用電子阻擋層提高發光效率的氮化物發光器件。本發明的發光器件具有非均勻且非周期摻鋁，Al的組分變化的電子阻擋層。本發明同時有效地解決了提高發光效率的兩個關鍵問題，即減小空穴遂穿的勢壘以及提高空穴的注入效率；另外，避免了傳統結構在量子壘和電子阻擋層界面形成寄生電子反型層。而多層結構在阻擋電子的效果上更加明顯，使得電子和空穴兩種載流子在有源層各個量子阱之中的分布更加平衡和均勻，從而獲得更加均勻的光增益。因此本發明的發光器件可以有效地克服寄生量子阱現象，具有更小的閾值電流。而且，波導結構上具有更高的光學限制因子而獲得更強的發光強度，因此可以同時改善雷射器的電學性質和光學性質。
文檔編號H01L33/14GK102544285SQ20121001249
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者李磊, 楊薇, 胡曉東, 若比鄰 申請人:北京大學