[发明专利]一种具有AlInGaN插入层的紫外发光二极管

说明书

本发明提供了一种具有AlInGaN插入层的紫外发光二极管（UV‑LED），其构成要素自下而上依次包括：衬底、AlN成核层、AlN缓冲层、非掺杂AlGaN缓冲层、n型AlGaN层、Al_xGa_1‑xN/Al_yGa_1‑yN多量子阱有源区和p型AlGaN层。在p型AlGaN层和n型AlGaN层上分别引出p型欧姆电极和n型欧姆电极。在最后一层Al_yGa_1‑yN量子垒（QB）中间插入禁带宽度比QB更高、但晶格常数和QB相同的AlInGaN插入层，用以取代传统的电子阻挡层（EBL）。采用AlInGaN插入层的UV‑LED可以将最后一层QB与EBL界面由极化场引起的空穴耗尽层转换为空穴积累层，提高空穴注入效率。同时，可以有效减小最后一层QB和p型区之间的能带弯曲，提高电子和空穴波函数的重叠程度，且更容易将电子局限在有源区内，从而提高的载流子辐射发光，最终提高UV‑LED的内量子效率。

技术领域

本发明属于半导体光电子器件领域，具体涉及一种具有AlInGaN插入层的紫外发光二极管（UV-LED）。

背景技术

紫外光由于具有较高的光子能量和很强的穿透能力，而被广泛的应用于杀菌消毒、水和空气净化、固态照明、生物化学有害物质检测、高密度存储和军用通信等领域。

AlGaN材料是制备UV-LED的核心材料。首先，Al_xGa_1-xN材料是宽禁带直接带隙半导体材料，通过调节三元化合物AlGaN中Al组分，可以实现AlGaN带隙能量在3.4～6.2 eV之间连续变化，从而获得波长范围从200到365 nm的紫外光。其次，Al_xGa_1-xN是一种强离子键作用的化合物，具有较高的热稳定性和化学稳定性以及较长的寿命。此外，AlGaN基UV-LED能耗低、零污染，比汞灯和氙灯等传统气体紫外光源有显著优势，具有广泛的应用前景和巨大的研究价值。

然而，现有的AlGaN基UV-LED的内量子效率（IQE）依然很低，其层结构如图2所示，且IQE随着注入电流的增大显著下降，此即能效下降（efficiency droop）问题。造成UV-LED的IQE的一个主要原因是MQWs内的载流子辐射复合效率很低。由于UV-LED的各层材料的晶格常数并不相同，使得UV-LED的内部存在强度高达MV/cm的自发极化电场和的压电极化电场，这会造成MQWs的能带发生弯曲，电子和空穴的波函数在空间上发生分离，电子和空穴的复合效率严重下降，最终导致UV-LED的IQE下降。与此同时，由于点子与空穴输运性能不对称，使得大量电子从MQWs区泄露至p型区，从而导致电子和空穴在p型区发生非辐射复合，继而引起辐射复合效率降低以及IQE减小。

为了减小电子泄露，通常会在UV-LED的最后一层量子垒（QB）和p型区之间加一层势垒高度较之量子垒更高的p型电子阻挡层（EBL）。但是，由于最后一层量子垒/EBL界面存在由极化场所导致的正性表面电荷，使得空穴会在界面处耗尽，从而导致空穴注入效率明显降低。同时，Al组分较高的p-EBL的激活能很高，获得高空穴浓度的AlGaN电子阻挡层十分困难。使得在有效阻挡电子的同时又降低了空穴的注入效率，导致UV-LED的IQE提升有限。因此，为提高UV-LED的IQE，业界迫切需要研发一种新型的半导体UV-LED结构。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，本发明提供了一种以AlInGaN插入层代替传统的EBL的UV-LED。该种结构较之传统采用EBL的AlGaN基UV-LED，可以将最后一层QB与EBL界面由极化场引起的空穴耗尽层转换为空穴积累层，提高空穴注入效率。同时，采用AlInGaN插入层取代EBL，可以有效减小最后一层QB和p型区之间的能带弯曲，提高电子和空穴波函数的重叠程度，且更容易将电子局限在有源区内，从而提高的载流子辐射发光，最终提高UV-LED的内量子效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：