用于增强III族氮化物发光器件效率的氮化铝-氧化铝层制造技术

提供了具有多量子阱(MQW)二极管结构的发光器件以及制造和使用该器件的方法。该器件在其空穴注入层上包括氮化铝/氧化铝双层。相对于缺少双层或在其空穴注入层上仅包括氧化铝层的器件而言，双层提高了器件的能量效率。

Aluminum nitride alumina layer for enhancing the efficiency of group III nitride light emitting devices

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增强III族氮化物发光器件效率的氮化铝-氧化铝层对政府权利的引用本专利技术是在政府支持下依据由DOD/DARPA授予的HR0011-15-2-0002完成的。政府拥有本专利技术的某些权利。相关申请的交叉引用本申请要求于2017年10月6日提交的美国申请号15/726,941的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
在过去的几十年中，一直致力于提高InGaN/GaN蓝色发光二极管(LED)的能量转换效率。InGaN/GaNLED的能量效率的不断提高主要源于晶片生长技术、封装技术和纳米光子学的发展。实现高效率LED的主要瓶颈是由于p型掺杂剂活化不足而导致p型空穴传输层(p-GaN:Mg)的空穴注入率低。不良的空穴注入导致电子和空穴数量之间的显著不平衡，从而导致不良的电子-空穴复合率，并且因此，导致高电流密度下效率低下。为了在这个问题上取得突破，已经进行了许多研究工作，包括形成表面极化层、电子阻挡层、隧穿层、梯度势垒结构和纳米图案化。虽然这些方法有助于提高能量转换效率，但仍然存在一些问题，诸如除了因不同的热膨胀系数和基板与外延层之间的不同晶格常数引起的应变外，还存在晶片再生长的高成本以及整个晶片区域上的不均匀表面构图的问题。在c平面蓝宝石基板上生长的InGaN/GaNLED具有因InGaN和GaN层之间的晶格失配而引起的压电极化场。此外，GaN的Wurtzite晶体结构在LED中产生自发极化场，因此在InGaN/GaN多量子阱(MQW)内形成平铺能带，从而导致电子和空穴波的空间分布减小功能，因此降低了辐射复合率(即，量子限制的斯塔克效应(QCSE))。尝试了几种方法来抑制LED中的QCSE，诸如非极性或半极性基板的自适应、具有大波函数重叠设计的极性MQW、基板变化、偏振匹配的外延层、顶表面修饰和一维垂直结构阵列。这些方法需要复杂的器件设计、特殊/昂贵的基板以及熟练的外延技术。还尝试了各种用于LED顶表面修饰的方法，包括表面纹理化、应变较少的层生长和薄层沉积。虽然这些表面修饰方法比其它外延方法更简单，但是与这些方法相关联的成本可能仍然很高。
技术实现思路
提供了发光器件以及制造和使用该器件的方法。发光器件的一个实施例包括：空穴注入层，其包括单晶p型掺杂的III族氮化物半导体；电子注入层，其包括单晶n型掺杂的III族氮化物半导体；发光有源区，其包括设置在空穴注入层和电子注入层之间的本征或n型掺杂的III族氮化物半导体层，该发光有源区包括具有交替势垒层和量子阱层的多量子阱结构；在空穴注入层上的氮化铝层；以及在氮化铝层上的氧化铝层。发光器件包括蓝色发光二极管和紫外线发光二极管。相对于既缺少氮化铝层又缺少氧化铝层的发光器件，将氮化铝和氧化铝层结合到器件中可以提高器件的壁塞效率、外部量子效率和发光效率中的至少一项，但在其它方面具有相同的器件结构。通过阅读以下附图、详细描述和所附权利要求，本专利技术的其它主要特征和优点对于本领域技术人员将变得显而易见。附图说明在下文中将参考附图描述本专利技术的说明性实施例，其中相同的标号表示相同的元件。图1A图示了通过远程等离子体预处理(RPP)和等离子体增强的原子层沉积(PEALD)处理在基于InGaN/GaN的LED的GaN:Mg层上形成表面AlN/Al2O3堆叠层。首先是去除RPP自然氧化物(I)，然后进行表面氮化(II)、0.6nm厚的AlN单层的PEALD(III)和1nm厚的Al2O3层的PEALD(IV)。AlN界面层的沉积可以被精确地控制为一个单层。图1B示出了完成PEALD处理之后，AlN/Al2O3覆盖的GaN顶层的原子晶体结构。图2A-2C描绘了GaN:Mg的AlN/Al2O3层的钝化特性。X射线光电子能谱(XPS)用于表面表征。参考样品A是没有AlN或Al2O3涂层的裸露样品。使用常规ALD用1nmAl2O3涂覆样品B。使用PEALD用0.6nm/1.0nmAlN/Al2O3涂覆样品C。图2A示出了三个样品的XPSGa3d核级(在LED制造之前)。Ga-N和Ga-O分别表示与N结合的Ga和与O结合的Ga。图2B示出了样品A、B和C的Ga3d结合能和Ga-O/Ga-N强度比。图2C示出了样品B和C的XPSAl2p核级结合能。图3A-3C描绘了样品A、B和CLED的能带弯曲、表面电势和空穴注入。图3A描绘了样品ALED的表面电势和能带弯曲。图3B示出了样品BLED的表面电势和能带弯曲。图3C示出了样品CLED的表面电势和能带弯曲。和分别指示顶层p-GaN和AlN/Al2O3层中的极化电荷。+和-符号表示正和负极化电荷。图4A-4B示出了这三个样品的光致发光(PL)特性。图4A示出了样品A、B和CGaNLED的PL光谱。图4B示出了样品A、B和CLED的PL峰值强度和波长特性的曲线图。图5A是样品CLED的一个实施例的示意图。图5B示出了图5A的LED的等效电路模型。图5C是具有三个阳极和两个阴极指的LED的图像。图5D示出了三种类型的LED的电流密度-电压(J-V)特征。图5D中的插图示出了在反向偏置下三种类型的LED的电流水平的比较。图6A-6E描绘了样品A、B和CGaNLED的电致发光(EL)特性。图6A示出了样品AGaNLED的EL光谱。图6B示出了样品BGaNLED的EL光谱。图6C示出了随着驱动电流密度从0.1增加到40A/cm2时，样品CGaNLED的EL光谱。两条虚线分别指示0.1和40A/cm2处的峰值波长。图6A-6C中的插图示出了CIE1931色度图，其分别包括样品A、B和CLED的EL光谱的色度坐标。图6D示出了随着驱动电流密度从0.1增加到40A/cm2，样品A、B和CGaNLED的EL强度。图6E示出了随着驱动电流密度从0.1增加到40A/cm2，样品A(ΔλA)、B(ΔλB)和C(ΔλC)GaNLED的EL峰值波长蓝移。图7A-7C描绘了LED的光输出功率。图7A示出了作为电流密度的函数的辐射通量。图7B示出了作为电流密度的函数的光通量。图7C示出了样品A、B和CLED的作为电流密度的函数的发射光子数和注入电子数。图8A-8C示出了具有顶表面AlN/Al2O3堆叠层的LED性能增强的机制。图8A示出了样品A和CLED的能带图。hvA和hvC指示样品A和CLED的光子能量。图8B示出了具有量子限制斯塔克效应(QCSE)的样品ALED的GaN:Mg附近的单量子阱(QW)的能带图。图8C示出了具有能带填充效应的样品CLED的GaN:Mg附近的单个QW的能带图，以及通过增加向QW的空穴注入来Ψh内部极化场(即，抑制QCSE)。Ψe和Ψh表示QW中的电子和空穴波函数曲线，Psp指示纤锌矿GaNLED(0001)中的内部自发极化。图9A-9F描绘了LED的效率特性。图9A示出了壁塞效率(WPE)。图9B示出了WPE的作为电流密度的函数的LED效率下降率(drooprate)。图9C示出了外部量子效率(EQE)。图9D示出了EQE的作为电流密度的函数的LED本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种发光器件，包括：/n空穴注入层，包括单晶p型掺杂的III族氮化物半导体。/n电子注入层，包括单晶n型掺杂的III族氮化物半导体。/n发光有源区，包括设置在所述空穴注入层和所述电子注入层之间的本征或n型掺杂的III族氮化物半导体层，所述发光有源区包括具有交替势垒层和量子阱层的多量子阱结构；/n在所述空穴注入层上的氮化铝层；以及/n在所述氮化铝层上的氧化铝层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171006 US 15/726,9411.一种发光器件，包括：
空穴注入层，包括单晶p型掺杂的III族氮化物半导体。
电子注入层，包括单晶n型掺杂的III族氮化物半导体。
发光有源区，包括设置在所述空穴注入层和所述电子注入层之间的本征或n型掺杂的III族氮化物半导体层，所述发光有源区包括具有交替势垒层和量子阱层的多量子阱结构；
在所述空穴注入层上的氮化铝层；以及
在所述氮化铝层上的氧化铝层。


2.如权利要求1所述的器件，其中所述空穴注入层的所述p型掺杂的III族氮化物半导体是p型掺杂的GaN。


3.如权利要求3所述的器件，其中所述势垒层包括本征GaN，并且所述量子阱层包括本征InGaN。


4.如权利要求1所述的器件，其中所述空穴注入层的所述p型掺杂的III族氮化物半导体是p型掺杂的InxGa(1-x)N，其中0≤x≤0.3。


5.如权利要求4所述的器件，其中所述势垒层包括本征GaN，并且所述量子阱层包括本征InGaN。


6....

【专利技术属性】
技术研发人员：马振强，K·金，
申请(专利权)人：威斯康星州男校友研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国;US