本發(fā)明涉及化合物半導(dǎo)體光電子材料和器件的制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種具有共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層的發(fā)光二極管。

背景技術(shù)：

led因具有高效、節(jié)能、尺寸小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)而備受矚目，已經(jīng)開(kāi)始逐步取代熒光燈和白熾燈等傳統(tǒng)照明方式。但是，大電流注入條件下led的內(nèi)量子效率的快速下降，嚴(yán)重制約了led的應(yīng)用和發(fā)展，其中漏電流的存在被認(rèn)為是導(dǎo)致大電流密度條件下led效率下降的一個(gè)主要因素。因此，減小漏電流對(duì)于提高led的發(fā)光效率具有十分重要的意義。

由于電子具有比空穴更小的有效質(zhì)量和更高的遷移率，所以可以很容易地穿過(guò)有源區(qū)進(jìn)入p型區(qū)，造成嚴(yán)重的電流泄漏進(jìn)而降低芯片的輻射復(fù)合幾率。如圖2所示，目前商業(yè)化的gan基led通常使用p-algan204作為電子阻擋層，將電子限制在ingan/gan多量子阱203有源區(qū)域中以減小漏電流。研究發(fā)現(xiàn)在多量子阱層203的最后一個(gè)勢(shì)壘層和p-algan電子阻擋層204的導(dǎo)帶之間存在較大的能帶偏移，這固然有助于阻擋電子溢出多量子阱有源區(qū)域，但與此同時(shí)由于多量子阱層203的最后一個(gè)勢(shì)壘層和p-algan電子阻擋層204之間所存在的極化電場(chǎng)也會(huì)使得價(jià)帶能帶發(fā)生大幅度彎曲從而對(duì)空穴形成較高的有效勢(shì)壘，因而直接導(dǎo)致了較低的空穴注入效率。

為了有效阻擋電子的溢出，同時(shí)提高空穴的注入效率，科研工作者們嘗試了多種方法改進(jìn)電子阻擋層結(jié)構(gòu)，其中包括采用al組分漸變的algan電子阻擋層，inaln電子阻擋層，p-algan/gan超晶格電子阻擋層等。然而這些電子阻擋層仍然無(wú)法令人滿(mǎn)意地解決最大的技術(shù)問(wèn)題：p型電子阻擋層對(duì)電子泄露的阻擋效果越明顯，空穴注入效率的下降就越大，因此導(dǎo)致led器件的載流子復(fù)合效率與發(fā)光效率依然較低。所以，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和制備合適的電子阻擋層材料與結(jié)構(gòu)對(duì)于提高氮化鎵基led的發(fā)光效率具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種具有共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層的發(fā)光二極管，能夠顯著提高氮化鉀基led的發(fā)光效率。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層的發(fā)光二極管，包括：由下而上依次設(shè)置的襯底101、n型氮化物層102、多量子阱層103、電子阻擋層104、p型氮化物層105、p型氮化物歐姆接觸層106，所述n型氮化物層上設(shè)置的n型電極107和所述p型氮化物層上設(shè)置的p型電極108；其中電子阻擋層104由由下而上依次設(shè)置的p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041，非摻雜氮化物勢(shì)阱層1042、利用共振隧穿效應(yīng)增大空穴透過(guò)率的非摻雜勢(shì)壘層1043聯(lián)合構(gòu)成。

優(yōu)選的，所述的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104，分別選用組分均勻的gan等二元氮化物材料，algan、ingan等三元氮化物材料，alingan等四元氮化物材料；其中p型勢(shì)阱層1041的摻雜劑為mg，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。

優(yōu)選的，所述的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104中非摻雜氮化物勢(shì)阱層1042的禁帶寬度小于p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041、非摻雜勢(shì)壘層1043和多量子阱層103中勢(shì)壘層的禁帶寬度，而p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041與非摻雜勢(shì)壘層1043的禁帶寬度均大于多量子阱層103中勢(shì)壘層的禁帶寬度；p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041的厚度為0.5-6nm，使用mg元素進(jìn)行p摻雜，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3；非摻雜氮化物勢(shì)阱層1042的厚度為3-10nm，而非摻雜氮化物勢(shì)壘層1043的厚度為0.5-6nm。

優(yōu)選的，所述的p型氮化物層105的厚度在20～1000nm之間，選用組分均勻的p型gan等二元氮化物材料，p型algan、ingan等三元氮化物材料，p型alingan等四元氮化物材料以及組分漸變的algan、ingan、alingan等氮化物材料；該p型氮化物層可使用mg元素進(jìn)行p型摻雜，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。

優(yōu)選的，所述的多量子阱層103的重復(fù)周期數(shù)為2～10，每個(gè)周期的厚度為2～15nm，可選用組分均勻的gan等二元氮化物材料，algan、ingan等三元氮化物材料，alingan等四元氮化物材料以及組分漸變的algan、ingan、alingan等氮化物材料。

優(yōu)選的，所述的n型氮化物層102的厚度為0.5～5μm，可選用組分均勻的n型gan等二元氮化物材料，n型algan等三元氮化物材料，n型alingan等四元氮化物材料以及組分漸變的algan、ingan、alingan等氮化物材料；該n型氮化物層可使用si元素進(jìn)行n型摻雜，摻雜形成的電子濃度為1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3。

優(yōu)選的，襯底101可為極性、半極性或非極性取向的藍(lán)寶石、碳化硅、硅、氧化鋅、氮化鎵、氮化鋁等材料。

本發(fā)明的有益效果為：由于led中電子與空穴的能量差別較大，通過(guò)調(diào)制共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層中各層的厚度與禁帶寬度，既可以有效地阻擋電子穿過(guò)有源區(qū)進(jìn)入p型區(qū)，又可以增大空穴穿過(guò)電子阻擋層注入有源區(qū)的效率；相比于現(xiàn)有技術(shù)制作的超晶格結(jié)構(gòu)電子阻擋層與組分漸變的電子阻擋層，本發(fā)明提供的基于量子阱共振隧穿效應(yīng)制作的電子阻擋層，可利用較簡(jiǎn)單的生長(zhǎng)方式和較少的層結(jié)構(gòu)就能達(dá)到很好的電子阻擋效果，同時(shí)獲得明顯高于傳統(tǒng)電子阻擋層結(jié)構(gòu)的空穴注入效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明具有共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層的發(fā)光二極管的斷面層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)制備的發(fā)光二極管斷面層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的多量子阱層103與電子阻擋層104的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的雙勢(shì)壘單勢(shì)阱電子阻擋層結(jié)構(gòu)中粒子的透過(guò)率t(e)與粒子能量(e)的關(guān)系曲線示意圖。

其中，101、襯底；102、n型氮化物層；103、多量子阱層；104、電子阻擋層；105、p型氮化物層；106、p型氮化物歐姆；107、n型電極；108、p型電極；201、襯底；202、n型氮化物層；203、氮化物多量子阱層；204、p型氮化物電子阻擋層；205、p型氮化物層；206、p型氮化物歐姆接觸層；207、n型電極；208、p型電極。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種具有共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層的發(fā)光二極管，包括：由下而上依次設(shè)置的m面藍(lán)寶石襯底101、n型algan層102、algan/aln多量子阱層103、共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104、p型algan層105、ito歐姆接觸層106，所述n型algan層上設(shè)置的ti金屬層作為n型電極107和所述p型algan層上設(shè)置的ni/ag合金層作為p型電極108，其中電子阻擋層104由p型摻雜algan勢(shì)壘層1041、非摻雜algan勢(shì)阱層1042、非摻雜algan勢(shì)壘層1043構(gòu)成。該電子阻擋層可以有效地阻擋電子越過(guò)多量子阱層103進(jìn)入p型區(qū)，從而可以減小漏電流，同時(shí)又有利于空穴注入多量子阱層103。

所述的n型algan層102作為led的n型區(qū)，其厚度為3μm，該層使用si元素進(jìn)行n型摻雜，摻雜形成的電子濃度為1×10¹⁹cm^-3。n型氮化物層102的厚度為0.5～5μm，可選用組分均勻的n型gan等二元氮化物材料，n型algan等三元氮化物材料，n型alingan等四元氮化物材料以及組分漸變的algan、ingan、alingan等氮化物材料。該n型氮化物層可使用si元素進(jìn)行n型摻雜，摻雜形成的電子濃度為1×10¹⁷～1×10²¹cm^-3。

所述的algan/aln多量子阱層103中algan層的al組分為45％，其重復(fù)周期數(shù)設(shè)置為8，每個(gè)周期的厚度為10nm。多量子阱層103的重復(fù)周期數(shù)為2～10，每個(gè)周期的厚度為2～15nm，可選用組分均勻的gan等二元氮化物材料，algan、ingan等三元氮化物材料，alingan等四元氮化物材料以及組分漸變的algan、ingan、alingan等氮化物材料。

所述的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104由p型摻雜algan勢(shì)壘層1041、非摻雜algan勢(shì)阱層1042、非摻雜algan勢(shì)壘層1043構(gòu)成，其中p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041，厚度為0.5-6nm，使用mg元素進(jìn)行p型摻雜，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁷cm^-3，非摻雜氮化物勢(shì)阱層1042的厚度為3-10nm，而非摻雜氮化物勢(shì)壘層1043的厚度為0.5-6nm，各層的具體厚度與組分可根據(jù)量子力學(xué)理論計(jì)算得到。

共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104，可以分別選用組分均勻的gan等二元氮化物材料，algan、ingan等三元氮化物材料，alingan等四元氮化物材料。其中p型勢(shì)阱層1041的摻雜劑為mg，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。

共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104中非摻雜氮化物勢(shì)阱層1042的禁帶寬度小于p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041、非摻雜勢(shì)壘層1043和多量子阱層103中勢(shì)壘層的禁帶寬度，而p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041與非摻雜勢(shì)壘層1043的禁帶寬度均大于多量子阱層103中勢(shì)壘層的禁帶寬度。p型摻雜氮化物勢(shì)壘層1041的厚度為0.5-6nm，使用mg元素進(jìn)行p摻雜，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。非摻雜氮化物勢(shì)阱層1042的厚度為3-10nm，而非摻雜氮化物勢(shì)壘層1043的厚度為0.5-6nm。

電子阻擋層各層的厚度與禁帶寬帶均需要根據(jù)led的發(fā)光波長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)選調(diào)制，從而使得電子阻擋層既能夠有效阻擋多量子阱有源區(qū)中的電子泄露到p型區(qū)域，又能夠不妨礙空穴從p型區(qū)域透過(guò)(注入)到有源區(qū)。

所述的p型algan層105作為led的p型區(qū)，其厚度為300nm，該層使用mg元素進(jìn)行p型摻雜，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁸cm^-3。p型氮化物層105的厚度在20～1000nm之間，可選用組分均勻的p型gan等二元氮化物材料，p型algan、ingan等三元氮化物材料，p型alingan等四元氮化物材料以及組分漸變的algan、ingan、alingan等氮化物材料。該p型氮化物層可使用mg元素進(jìn)行p型摻雜，摻雜形成的空穴濃度為1×10¹⁶～1×10¹⁹cm^-3。

需著重說(shuō)明的是，上述實(shí)施例所提供的新型led的核心部分包括由p型摻雜algan勢(shì)壘層1041、非摻雜algan勢(shì)阱層1042和非摻雜algan勢(shì)壘層1043所構(gòu)成的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層104，其能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于該雙勢(shì)壘單勢(shì)阱電子阻擋層所具有的共振隧穿效應(yīng)，通過(guò)調(diào)制電子阻擋層中各層的厚度與禁帶寬度，可使得與該雙勢(shì)壘單勢(shì)阱電子阻擋層對(duì)應(yīng)的透過(guò)率極小的粒子能量值eb恰好為量子阱中電子的能量值，而透過(guò)率極大的粒子能量值ea恰好為量子阱中空穴的能量值，這樣就能使該電子阻擋層在有效阻擋電子從有源區(qū)泄露的同時(shí)，提高空穴穿過(guò)電子阻擋層的能力，從而解決現(xiàn)有技術(shù)所致的空穴注入效率下降的問(wèn)題。

與現(xiàn)有技術(shù)制備的led相比，本發(fā)明提供的具有共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層的led中的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層是一種雙勢(shì)壘單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)，其能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。對(duì)于特定能量的粒子，面對(duì)高于自身能量的勢(shì)壘，按照量子力學(xué)的觀點(diǎn)，考慮到粒子的波動(dòng)性，將會(huì)有一部分粒子以一定的幾率穿過(guò)勢(shì)壘，而另一部分粒子則會(huì)被勢(shì)壘反彈或者反射回去。當(dāng)入射粒子的能量與雙勢(shì)壘之間勢(shì)阱中的量子化能級(jí)相等時(shí)，即滿(mǎn)足共振隧穿條件時(shí)，粒子可在兩勢(shì)壘間來(lái)回反射，產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉的現(xiàn)象，直到入射波和出射波波幅相等，此時(shí)粒子的透過(guò)系數(shù)t＝1，形成共振隧穿。本發(fā)明的雙勢(shì)壘單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)中量子化能級(jí)的值由各層的厚度與禁帶寬度決定。如圖4所示，對(duì)于一個(gè)各層厚度與禁帶寬度均一定的雙勢(shì)壘單勢(shì)阱結(jié)構(gòu)，當(dāng)粒子能量逐漸從零上升到ea時(shí)，恰好滿(mǎn)足了該雙勢(shì)壘單勢(shì)阱的共振隧穿條件，從而使透過(guò)率達(dá)到一個(gè)極大值ta。但當(dāng)粒子能量繼續(xù)上升時(shí)，由于粒子能量不再滿(mǎn)足共振隧穿條件，透過(guò)率反而隨著能量的上升而逐漸下降至極小值tb。之后隨著粒子能量的繼續(xù)上升，粒子的透過(guò)率將再次增大。由于在led中，電子的能量一般高于空穴能量，故在本發(fā)明所提供的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層中，通過(guò)優(yōu)化調(diào)制各層的厚度與禁帶寬度，可使得與該雙勢(shì)壘單勢(shì)阱電子阻擋層對(duì)應(yīng)的透過(guò)率極小的粒子能量值eb恰好為量子阱中電子的能量值，而對(duì)應(yīng)的透過(guò)率極大的粒子能量值ea恰好為空穴的能量值，這樣就能使本發(fā)明所提供的共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層在有效阻擋電子的同時(shí)大大增加空穴的透過(guò)率或者空穴注入效率。此外，本發(fā)明所采用的對(duì)共振隧穿結(jié)構(gòu)電子阻擋層中臨近量子阱有源區(qū)的勢(shì)壘層進(jìn)行p型摻雜有利于進(jìn)一步增加注入多量子阱有源區(qū)的空穴濃度。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。