CN102544285A - 利用电子阻挡层提高发光效率的氮化物发光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了利用电子阻挡层提高发光效率的氮化物发光器件。本发明的发光器件具有非均匀且非周期掺铝，Al的组分变化的电子阻挡层。本发明同时有效地解决了提高发光效率的两个关键问题，即减小空穴遂穿的势垒以及提高空穴的注入效率；另外，避免了传统结构在量子垒和电子阻挡层界面形成寄生电子反型层。而多层结构在阻挡电子的效果上更加明显，使得电子和空穴两种载流子在有源层各个量子阱之中的分布更加平衡和均匀，从而获得更加均匀的光增益。因此本发明的发光器件可以有效地克服寄生量子阱现象，具有更小的阈值电流。而且，波导结构上具有更高的光学限制因子而获得更强的发光强度，因此可以同时改善激光器的电学性质和光学性质。
Description
技术领域
本发明涉及氮化物半导体材料系发光器件，具体涉及一种利用电子阻挡层提高发光效率的氮化物发光器件。
背景技术
氮化物材料系(氮化铝AlN，氮化镓GaN和氮化铟InN)是直接带隙半导体，可以形成三元和四元固溶合金，带隙从0.63eV到6.4eV，对应发光的范围覆盖整个可见光区并延伸到深紫外和中红外波段，故利用氮化物材料系可制备中红外光波段到深紫外，包括整个可见光区的高效率光电子器件。氮化镓基发光二极管是固态照明的基石；氮化物激光器，则是下一代高密度光存储，高亮度、大尺寸全彩显示的核心器件。氮化镓基超辐射发光器件也有许多潜在的应用。
氮化物发光器件包括从衬底至上依次叠加的四个部分：多层结构的N型电子注入层；有源层；电子阻挡层；多层结构的P型空穴注入层。其中多层结构的N型电子注入层包括N型接触层、N型包覆层和N型波导层；有源层包括量子阱和量子垒；多层结构的P型空穴注入层包括P型波导层、P型包覆层和P型接触层。
为了获得高发光效率的氮化物发光器件，需要解决的关键之一是如何改善P型空穴注入层的注入效率以克服空穴浓度低和迁移率低的问题。如美国专利US7893443B2所述，在有源层和传统的电子阻挡层之间***一层较薄的铟镓氮InGaN或者GaN材料，可以有效地提高空穴的注入效率。中国专利CN 102185057A提供了选择性掺杂的InGaN/GaN超晶格结构也可以提高空穴浓度并减小杂质原子向有源层中扩散。
另一关键问题就是怎样减小大电流下电子电流的溢出，这种现象对激光二极管影响尤甚，因为激光器的工作电流常常在KA/cm2或者更高。传统的单层的电子阻挡层采取铝镓氮AlGaN均匀掺铝Al，且Al的组份不变。这种单层的均匀掺铝的电子阻挡层虽然具有阻挡电子的良好作用，然而在有源层和电子阻挡层界面的价带的带阶会形成空穴遂穿的势垒而不利于空穴的注入。电子阻挡层为单层AlGaN、Al的组分为0.18(原子数)、厚度为20nm的发光器件在有源层和电子阻挡层附近的能带如图1所示。
如中国专利CN 102185064A所述，利用多周期的AlGaN量子阱结构作为阻挡电子从有源区逃逸到P区的电子阻挡层，可以利用量子干涉效应有效降低电子漏电流。然而，多周期的电子阻挡层会在阱垒界面形成势垒不利于空穴的遂穿，导致相当数量的空穴分布在电子阻挡层的量子阱中。另一方面，InGaN或者GaN材料由于折射率与有源层相近，在波导结构上会造成低的光学限制因子，不利于光场的限制。
发明内容
本发明针对提高发光效率的两个关键问题，即改善P型空穴注入层的注入效率以及减小大电流下电子电流的溢出，提供了一种具有非均匀且非周期掺铝，Al的组分变化的电子阻挡层的氮化物发光器件。这种发光器件克服了现有结构的不足，可以有效提高空穴的注入效率，并抑制大电流下电子电流的溢出，使得载流子在有源层空间分布均匀，而且在波导结构上改善光学限制因子。
本发明的目的在于提出一种利用电子阻挡层提高发光效率的氮化物发光器件。
本发明的氮化物发光器件包括从衬底至上依次叠加的四个部分：多层结构的N型电子注入层、有源层、电子阻挡层、及多层结构的P型空穴注入层，其中，电子阻挡层非均匀且非周期掺铝Al，Al的组分从下至上变大。
电子阻挡层的厚度在20nm～100nm之间，包括单层或多层的AlGaN，Al的组分在0～0.35(原子数)之间，Al的组分可以是渐变也可以是突变。在有源层和P型空穴注入层之间加入多层或单层Al的组分变化的电子阻挡层，从而可以增加空穴的注入效率和抑制电子电流的溢出，减小激光器的阈值电流并增加发光效率。
电子阻挡层可以直接生长在有源层之上，也可以代替有源层中最后一个量子垒开始生长。
电子阻挡层中掺杂为Mg、Zn及C等杂质中的一种或多种组合。
本发明的氮化物发光器件包括氮化物激光器、氮化物发光二极管和超辐射二极管。发光器件结构可以为脊型，条形或其他结构。
本发明的优点：
本发明同时有效地解决了提高发光效率的两个关键问题，即减小空穴遂穿的势垒以及提高空穴的注入效率。另外，电子阻挡层采用Al的组分变化的结构，可以使极化电荷在空间分布分散，从而避免传统结构在量子垒和电子阻挡层界面寄生电子反型层的形成。而多层结构在阻挡电子的效果上更加明显，使得电子和空穴两种载流子在有源层各个量子阱之中分布更加平衡和均匀，从而获得更为均匀的光增益。因此本发明的发光器件可以有效地克服寄生量子阱现象，具有更小的阈值电流。而且，由于提高了波导结构的光学限制因子，因此利于获得更高的发光强度。总之，可以同时改善激光器的电学性质和光学性质。
附图说明
图1为现有技术的发光器件在有源层和电子阻挡层附近的能带示意图；
图2为本发明的氮化物发光器件的结构示意图；
图3为本发明的实施例一的发光器件在有源层和电子阻挡层附近的能带示意图；
图4为现有技术的发光器件与本发明的实施例的发光器件的发光功率相比较的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例详细描述本发明的实施方式。
实施例一
如图2所示，在本实施例中氮化物发光器件采用氮化物激光器，包括从衬底至上依次叠加的四个部分：多层结构的N型电子注入层1、有源层2、电子阻挡层3、及多层结构的P型空穴注入层4。
多层结构的N型电子注入层包括N型接触层、N型包覆层和N型波导层；有源层包括量子阱和量子垒；多层结构的P型空穴注入层包括P型波导层、P型包覆层和P型接触层。
接触层、包覆层和波导层分别可以是AlN、InN和GaN等二元系氮化物中的一种，还可以是AlGaN、InAlN和InGaN等三元系氮化物中的一种，甚至是AlInGaN等四元系氮化物中的一种。
其中，电子阻挡层包括三层AlGaN，从下至上，Al的组分(原子数)分别为0.04、0.09、0.18，以及AlGaN的厚度分别为5nm、5nm、20nm。
电子阻挡层的三层AlGaN中的每一层均为P型均匀Mg掺杂。
实施例一为Al的组份突变的电子阻挡层结构，从下至上三层材料中Al的组分近似为倍数关系，即第二层的Al组分0.09约为第一层0.04的2倍，第三层的Al组分0.18约为第二层0.09的2倍。
图3为本发明实施例一提供的发光器件在有源层和电子阻挡层附近的能带示意图，从图中可以看出相比于现有技术，由于Al的组分变化使得界面极化电荷在空间分散，有源层和电子阻挡层的界面价带带价变小会有利于空穴的遂穿；与周期结构如超晶格对比，非周期的结构会有效减小电子因为量子共振效应遂穿形成的漏电流，因此本发明的结构可以提高空穴的注入效率同时抑制电子电流的溢出。
实施例二
发光器件的结构与实施例一相同，其中，电子阻挡层包括两层AlGaN，Al的组分(原子数)线性插值渐变，其中，第一层Al的组分从0至0.05渐变，第二层Al的组分从0.06至0.35渐变，第一层和第二层的AlGaN的厚度分别为5nm和25nm。
电子阻挡层的三层AlGaN中的每一层均为P型均匀Mg掺杂。
实施例二为Al的组分渐变的电子阻挡层结构，从下至上两层材料Al的组分采用线性插值递增。
现有技术、实施例一以及实施例二的发光器件的功率-电流曲线总结在图4中。如图4所示，利用多层渐变Al的组分的电子阻挡层的发光器件与现有技术的发光器件比较性质有明显改善，以实施例一为例，阈值电流密度从2.0KA/cm2下降为1.6KA/cm2，而激光功率也增加了15％，进一步的优化比如实施例二具有更优良的性质。
氮化物发光器件不仅限于氮化物激光器，还可以是氮化物发光二级管或超辐射二极管。
掺杂原子不仅限于Mg，也可适用于Zn或C等其他杂质。
Al的组分渐变的电子阻挡层结构不仅适用于Al的组分随高度采用线性插值递增，也可适用于抛物线型插值递增。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例中所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种氮化物发光器件，所述发光器件包括从衬底至上依次叠加的四个部分：多层结构的N型电子注入层(1)、有源层(2)、电子阻挡层(3)、及多层结构的P型空穴注入层(4)，其特征在于，所述电子阻挡层(3)非均匀且非周期掺铝Al，Al的组分从下至上变大。
2.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度在20nm～100nm之间。
3.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述电子阻挡层包括单层或多层的铝镓氮AlGaN。
4.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述电子阻挡层中Al的组分在0～0.35(原子数)之间。
5.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述电子阻挡层中Al的组分是渐变或突变。
6.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述电子阻挡层直接生长在有源层之上，或者代替有源层中最后一个量子垒开始生长。
7.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述电子阻挡层中掺杂为Mg、Zn及C等杂质中的一种或多种组合。
8.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述氮化物发光器件包括氮化物激光器、氮化物发光二极管和超辐射二极管。
9.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述多层结构的N型电子注入层(1)包括N型接触层、N型包覆层和N型波导层；所述有源层(2)包括量子阱和量子垒；所述多层结构的P型空穴注入层(4)包括P型波导层、P型包覆层和P型接触层。
10.如权利要求9所述的发光器件，其特征在于，所述接触层、包覆层和波导层分别是AlN、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种。
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