[发明专利]一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管

说明书

本发明公开了一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，由下至上依次包括衬底、氮极性氮化物层、极性反转氮化物层、n型氮化物欧姆接触层、n型氮极性面电子阻挡层、非掺杂超晶格结构层、多量子阱有源层、p型氮化物欧姆接触层。在n型氮化物欧姆接触层和p型氮化物欧姆接触层上分别设置n型电极和p型电极。本发明所提供的具有氮极性面的n型电子阻挡层，能够从空间上限制电子进入有源区的数量，并且由于移除了传统的p型掺杂电子阻挡层，所以能够增加了空穴的注入率，使空穴与电子注入有源区的数量保持在均衡的水平，可提高有源区电子与空穴辐射复合发光的概率，从而提高发光二极管的性能。

技术领域

本发明提供了一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管(LED)，属于半导体光电子材料和器件制造技术领域。

背景技术

因为LED具有高效，节能，可靠性高，寿命长等优点，且在节能减排、环境保护方面相比于传统照明光源具有很大的优势，所以目前已经逐步取代荧光灯和白炽灯等传统照明方式。但是，研究表明，如图2所示，在大电流注入条件下LED的内量子效率快速下降，电子很容易克服量子阱的限制到达p区与空穴进行非辐射复合，是导致大电流密度工作条件下LED发光效率下降的一个主要因素，严重制约了LED的应用和发展。因此，降低电子的泄露率是提高LED的发光效率的重要途径之一。

由于电子具有比空穴更小的有效质量和更高的迁移率，并且LED中的电子浓度远大于空穴的浓度，所以多余的电子可以很容易地穿过多量子阱有源区进入p型区，造成严重的电流泄漏进而降低LED芯片的发光效率。为了在有效阻挡电子溢出的同时提高空穴的注入效率，科研工作者们尝试了诸多方法改进电子阻挡层结构，包括采用Al组分渐变的AlGaN电子阻挡层，p-AlGaN/GaN超晶格电子阻挡层以及复合极性面电子阻挡层等。然而这些电子阻挡层仍然无法令人满意地解决以下技术问题：1)传统的p型电子阻挡层在阻挡电子泄露的同时也降低了空穴注入效率，导致LED中的载流子的辐射复合效率与发光效率下降；2)多量子阱有源区与电子阻挡层的晶格失配一般较大，导致有源区内存在较强的极化电场，引起异质结界面的能带弯曲，电子和空穴的波函数在空间上发生分离，降低载流子的辐射复合效率，此即所谓的量子限制斯塔克效应；3)为提高空穴注入效率而使用氮极性面的p型电子阻挡层往往需要进行Mg元素的重掺杂来诱导极性反转，这会引起薄膜内Mg的掺杂聚集，从而导致晶体质量的恶化。因此，进一步改进设计和制备合适的电子阻挡层结构对于提高氮化镓基LED的发光效率具有重要的意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种具有氮极性面的n型电子阻挡层结构，提高LED的内量子效率，提升LED器件的发光效率。

技术方案：一种具有氮极性面n型电子阻挡层的发光二极管，包括由下而上依次设置的衬底101、氮极性面氮化物层102、极性反转氮化物层103、n型氮化物欧姆接触层104、n型氮极性面电子阻挡层106、非掺杂超晶格结构氮化物层107、多量子阱有源层108、p型氮化物欧姆接触层109，以及n型氮化物欧姆接触层104上设置的n型电极105和在p型氮化物欧姆接触层109上设置的p型电极110。

进一步的，n型氮极性面电子阻挡层106的禁带宽度大于非掺杂超晶格结构氮化物层107中势垒层和多量子阱有源层108中势垒层的禁带宽度，且非掺杂超晶格结构氮化物层107中势垒层的禁带宽度大于多量子阱有源层108中势垒层的禁带宽度。

进一步的，氮极性面n型电子阻挡层106选用组分均匀或者渐变的AlGaN、InGaN三元氮化物材料或AlInGaN四元氮化物材料，厚度为1-20nm，使用Si元素进行n型掺杂，掺杂形成的电子浓度为1×10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3。

进一步的，非掺杂超晶格结构氮化物层107的重复周期数为2～20，禁带宽度沿生长方向线性递减，每个周期长度为2-10nm，选用AlGaN/AlInGaN超晶格结构以及由三元或者四元氮化物与AlGaN/AIlnGaN超晶格组成的复合型超晶格结构中的任一种。