[发明专利]利用电子阻挡层提高发光效率的氮化物发光器件

说明书

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插入一层较薄的铟镓氮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：