[发明专利]一种紫外氮化物发光二极管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种具有价带电子态控制层的紫外氮化物发光二极管。

背景技术

现今，氮化物半导体发光二极管（LED），因其较高的发光效率、波长连续可调、节能环保等优点，在普通照明领域已取得广泛的应用。

申请号为201410470409.X的中国专利，公开一种可增强光提取效率的氮化镓基深紫外LED的有源区结构，通过使用高铝组分的AlGaN作为势垒层，其中铝组分大于0.7，并采用AlN/GaN超晶格的势阱层，AlN和GaN的厚度均小于5nm，改变超晶格AlN和GaN的厚度调控发光波长范围为224~247nm，虽然该专利亦使用AlN/GaN结构，但其AlN/GaN的使用位置为量子阱的阱层，作用为采用AlN/GaN充当多量子阱的有源发光区，且设定AlN和GaN的厚度小于5nm，从而形成类似AlGaN的混晶的阱层，使电子和空穴在AlN/GaN形成类AlGaN的阱层进行复合发光，发光波长范围为224~247nm。申请号为201410831198.8的中国专利，提出一种GaN的LED外延结构，多量子阱包括若干组量子阱，每组阱层依次包括InGaN势阱层、AlN/GaN超晶格结构层和GaN势垒层，所述的AlN/GaN层位于多量子阱的阱层和垒层之间，AlN和GaN层的厚度为1~20埃米，低温的AlN/GaN超晶格结构改变位错的延伸方向，使量子阱开出的V-pits区域均匀分散，不产生聚集，还可以补偿量子阱在生长过程中的应力，减少量子阱的内部应力，减少极化效应，提升量子阱的界面质量和内量子效率，该专利的目的是在量子阱的阱垒层之间通过AlN/GaN减少应力，无法改变量子阱的价带电子态分布，无法对阱层和垒层同时施加压应力，且AlN/GaN结构位于量子阱的阱层和垒层之间，虽然可以释放应力，但该结构的禁带宽度与阱层和垒层有差异，会导致量子阱的结构发生变化，且AlN/GaN结构的晶格常数与InGaN阱层不同，亦可能带来不可预见的晶格失配。

鉴于现有技术的难以解决紫外氮化物发光二极管的光提取效率低的问题，因此有必要提出一种具有价带电子态控制层的紫外氮化物发光二极管，通过控制价带电子态P_z态和P_x+P_y态的比例，提升光提取效率和外量子效率。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种具有价带电子态控制层的紫外氮化物发光二极管，通过在紫外氮化物发光二极管的量子阱上方和/或下方插入价带电子态控制层，给量子阱的阱层和垒层同时施加压应力，提升价带电子态P_x+P_y态的比例，提升轴向出光的比例，减少价带电子态P_z态的比例，从而提升光提取效率和发光效率。

通过实验可知，如图2所示，价带电子态控制层采用AlN/GaN交替生长的周期结构，即控制AlN和GaN层在临界厚度以内使AlN和GaN晶格互相拉扯和完全弛豫的作用，可使紫外氮化物发光二极管量子阱的AlN 的E₂拉曼峰从658.8 cm^-1下降至654.1 cm^-1，拉曼峰红移约4.7 cm^-1，无应变条件下AlN的E₂拉曼峰位于657.4 cm^-1，则根据应力计算公式可知，E₂拉曼频移Δω可推出双轴应力σ_a的大小。采用传统的NH₃脉冲法生长样品受到0.326GPa的压应力作用，而采用AlN/GaN交替生长法生长样品受到0.767GPa的张应力作用，说明采用AlN/GaN交替生长的周期结构，即控制AlN和GaN层在临界厚度以内形成晶格互相拉扯和完全弛豫的作用，可使AlN受到应力从压应力变成张应力，该方法的应力调控范围为在0~2 GPa。因此，通过在晶格常数小的AlN材料插入晶格常数大的GaN材料，交替生长并保证在两者的临界厚度范围内，控制控制AlN和GaN层在临界厚度以内形成晶格互相拉扯和完全弛豫的作用，可调控AlN薄膜的应力从张应力往压应力移动。