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CN105895759B - 一种duv led外延片结构 - Google Patents

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赵广洲
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Abstract

本发明属于光电子器件领域，具体是一种DUV LED外延片结构，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次为缓冲层、n‑AlGaN层、多量子阱发光层、p‑AlGaN层以及p‑GaN接触层；所述多量子阱发光层是由若干对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1‑xInxN/AlzInyGa1‑y‑zN/Al1‑xInxN。采用在低In组分的Al1‑xInxN阱层中插入AlzInyGa1‑y‑zN薄层的结构，来调控重空穴带、轻空穴带、晶体场劈裂空穴带的相对位置，提高TE模光而降低TM模光的比例，从而提高DUV LED的发光效率。

Description

一种DUV LED外延片结构
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体是一种一种DUV LED外延片结构。
背景技术
紫外发光二极管（LED）具有环保无毒、耗电低、体积小以及寿命长等优点，符合新时代下环保、节能等要求。AlGaN基LED发光波长可以覆盖210nm-360nm的范围，其中210nm-300nm属于深紫外波段。深紫外LED在印刷、医疗、净化、侦查、数据存储以及照明等方面都有重大应用价值。
与GaN基蓝光LED相比，波长短于300nm的深紫外LED的发光效率普遍较低。随着AlGaN基LED发光波长逐渐变短，发光层AlGaN中的Al组分要随之增加，材料外延生长、掺杂、以及器件制作的难度也随之增大，光输出功率则逐渐降低。一方面，当Al组分高于0.5时，晶体场分裂空穴带取代重空穴带和轻空穴带成为价带顶，使得正面出光的光发射（TE模）迅速被侧面出光的光发射（TM模）所取代，这就根本上限制了光提取效率。另一方面，随着Al组分的增加，施主/受主的激活能相应增加，使得p型掺杂激活率很低，室温下空穴浓度很低。Al组分高于0.5时，p-AlGaN中空穴浓度太低不能和电极之间形成良好的欧姆接触，为了降低p型欧姆接触电阻需要引入p-GaN帽层，但是p-GaN会吸收光子而降低发光效率。这也是高Al组分AlGaN LED采用底部发光的倒装结构的原因。而传统的图形化衬底，表面粗化，减反射层，高反光镜等技术在提高深紫外LED光提取效率方面效果有限。
发明内容
本发明为了提高DUV LED的发光效率，提供了一种DUV LED外延片结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种DUV LED外延片结构，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次为缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱发光层、p-AlGaN层以及p-GaN接触层；所述多量子阱发光层是由若干对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN，其中0<x<0.15，y和z的取值要满足Eg（AlzInyGa1-y-zN）<Eg（Al1-xInxN），垒层为AlN；所述阱层中AlzInyGa1-y-zN层的厚度为0.3～2nm，阱层的厚度小于垒层的厚度。
本发明技术方案中采用在低In组分的Al1-xInxN阱层中插入AlzInyGa1-y-zN薄层的结构，来调控重空穴带、轻空穴带、晶体场劈裂空穴带的相对位置，x值主要是调控发光波长的，使目标波长位于深紫外的区间。薄层结构的厚度太大会使得AlzInyGa1-y-zN插入层充当量子阱的角色，使得非目标波长的发光峰出现以及波谱展宽，而削弱目标波长的发光峰，厚度太小不易控制，而且起不到相应的作用。
优选的，所述阱层中两层Al1-xInxN层的总的厚度为2～5nm，垒层的厚度为5～20nm。
进一步，所述缓冲层为AlN缓冲层，或者是由AlN层和AlGaN/GaN超晶格组成的缓冲层。
进一步，所述多量子阱发光层中阱层和垒层的周期数为1-20对。
进一步，多量子阱发光层制备过程中Al1-xInxN层的生长温度与AlzInyGa1-y-zN层的生长温度相同，简化工艺避免升降温过程。
本发明所述的一种DUV LED外延片结构，采用在低In组分的Al1-xInxN阱层中插入AlzInyGa1-y-zN薄层的结构，来调控重空穴带、轻空穴带、晶体场劈裂空穴带的相对位置，提高TE模光而降低TM模光的比例，从而提高DUV LED的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的DUV LED外延结构的结构示意图（衬底为蓝宝石）。当然，在一些实施例中也可采用其他衬底材料，如Si、SiC 等。
图2为本发明实施例2提供的Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN/AlN结构量子阱的价带示意图，其中x=0.1，y=z=0.05。如图所示，在Al0.9In0.1N中插入Al0.05In0.05Ga0.9N薄层能够调控能带，使得重空穴带和轻空穴带位于晶体场劈裂带之上，意味着量子阱辐射复合产生的光分量主要是TE模的光，也就是是提高了垂直于c面的光发射，有利于提高器件的发光效率。
具体实施方式
实施例1
一种DUV LED外延片的结构，该外延片的结构为包括衬底及所述衬底上从下至上依次为AlN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱发光层、p-AlGaN层以及p-GaN接触层；所述多量子阱发光层是由1对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN，其中x=0.1，y=z=0，垒层为AlN；所述阱层中AlzInyGa1-y-zN层的厚度为0.3nm，两层Al1-xInxN层的总的厚度为5nm，垒层的厚度为20nm。
实施例2
一种DUV LED外延片的结构，该外延片的结构为包括衬底及所述衬底上从下至上依次为AlN层和AlGaN/GaN超晶格组成的缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱发光层、p-AlGaN层以及p-GaN接触层；所述多量子阱发光层是由10对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN，其中x=0.1，y=z=0.05，垒层为AlN；所述阱层中AlzInyGa1-y-zN层的厚度为1nm，两层Al1-xInxN层的总的厚度为3nm，垒层的厚度为10nm。
实施例3
一种DUV LED外延片的结构，该外延片的结构为包括衬底及所述衬底上从下至上依次为AlN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱发光层、p-AlGaN层以及p-GaN接触层；所述多量子阱发光层是由20对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN，其中x=0.05，y=0.1，z=0，垒层为AlN；所述阱层中AlzInyGa1-y-zN层的厚度为2nm，两层Al1-xInxN层的总的厚度为5nm，垒层的厚度为8nm。
实施例4
一种DUV LED外延片的结构，该外延片的结构为包括衬底及所述衬底上从下至上依次为AlN缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱发光层、p-AlGaN层以及p-GaN接触层；所述多量子阱发光层是由20对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN，其中x=0.05，y=0，z=0.05，垒层为AlN；所述阱层中AlzInyGa1-y-zN层的厚度为0.8nm，两层Al1-xInxN层的总的厚度为2nm，垒层的厚度为5nm。

Claims (9)

1.一种DUV LED外延片结构，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次为缓冲层、n-AlGaN层、多量子阱发光层、p-AlGaN层以及p-GaN接触层；其特征在于，所述多量子阱发光层是由若干对阱层和垒层依次从下向上交替堆叠组成的，该阱层为Al1-xInxN/AlzInyGa1-y-zN/Al1-xInxN，其中0<x<0.15，y和z的取值要满足Eg（AlzInyGa1-y-zN）< Eg（Al1-xInxN），垒层为AlN；所述阱层中AlzInyGa1-y-zN层的厚度为0.3～2nm，阱层的厚度小于垒层的厚度。
2.根据权利要求1所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，所述阱层中两层Al1- xInxN层的总的厚度为2～5nm，垒层的厚度为5～20nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，所述缓冲层为AlN缓冲层，或者是由AlN层和AlGaN/GaN超晶格组成的缓冲层。
4.根据权利要求1或2所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，所述多量子阱发光层中阱层和垒层的周期数为1-20对。
5.根据权利要求3所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，所述多量子阱发光层中阱层和垒层的周期数为1-20对。
6.根据权利要求1或2所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，多量子阱发光层制备过程中Al1-xInxN层的生长温度与AlzInyGa1-y-zN层的生长温度相同。
7.根据权利要求3所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，多量子阱发光层制备过程中Al1-xInxN层的生长温度与AlzInyGa1-y-zN层的生长温度相同。
8.根据权利要求4所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，多量子阱发光层制备过程中Al1-xInxN层的生长温度与AlzInyGa1-y-zN层的生长温度相同。
9.根据权利要求5所述的一种DUV LED外延片结构，其特征在于，多量子阱发光层制备过程中Al1-xInxN层的生长温度与AlzInyGa1-y-zN层的生长温度相同。
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