專利名稱：Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，特別是III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件。
背景技術(shù)：
對于發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器這類光電子器件，要求對注入的電子(n型載流子)和空穴(p型載流子)都能限制在有源區(qū)(active layer)，并在那里復(fù)合發(fā)光。人們在有源區(qū)的兩側(cè)用禁帶寬度比有源層更大的半導(dǎo)體材料形成勢壘層，并根據(jù)摻雜的不同，可分別實現(xiàn)對電子和空穴的約束。對于包層材料，不僅要考慮能否形成適當(dāng)?shù)膭輭靖叨?。還要考慮它與兩邊的半導(dǎo)體層、有源層是否能晶格匹配，否則將破壞器件結(jié)構(gòu)和性能。另外還要考慮是否能有低的電阻率和高的遷移率，以滿足器件電學(xué)上的要求。再則要考慮對發(fā)出的光的透過率。對于III族氮化物的藍(lán)、綠色超高亮度發(fā)光二極管，通常在雙異質(zhì)結(jié)或單、多量子阱的有源層的兩側(cè)，各生長一層n型或p型的AlGaN包層。由于AlGaN禁帶寬度比量子阱中InGaN的禁帶寬度比大，所以n型和p型的AlGaN包層形成對電子和空穴的勢壘而約束載流子。AlGaN和GaN之間的晶格失配也比較小，例如用于藍(lán)光LED的包層Al0.15Ga0.85N的晶格常數(shù)約3.124，它與GaN之間的失配度為0.36％，失配不大，但也不是可忽略的。但是，由于藍(lán)寶石(a＝4.758)和GaN(a＝3.189)晶格失配非常大，外延層缺陷密度大，遷移率低。盡管生長了GaN或AlN過渡層，界面上的缺陷仍然向上傳遞延伸，成為影響器件質(zhì)量的主要因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件，以應(yīng)變層超晶格取代通常的三元系氮化鎵鋁包層，使其包層與有源層的晶格常數(shù)匹配，提高器件發(fā)光效率和強(qiáng)度。
本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件包括藍(lán)寶石襯底、半導(dǎo)體層、包層、有源層，所述有源層兩側(cè)的包層中至少包括一層M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)，其阱層(Alx1Inx2Gax3N)和壘層(Aly1Iny2Gay3N)交替分布，式中x1+x2+x3＝1，0≤x1，x2，x3≤1；y1+y2+y3＝1，0≤y1，y2，y3≤1；M是超晶格的周期數(shù)，M≥3；阱層和壘層的平均晶格常數(shù)等于半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)，超晶格的n＝1的子能帶帶隙能將載流子約束和局限在有源層中。
可以通過調(diào)整x1，x2，x3，y1，y2，y3值來實現(xiàn)阱層和壘層的平均晶格常數(shù)等于半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)，同時使超晶格的n＝1的子能帶帶隙足夠大，能將載流子約束和局限在有源層中。
用晶格失配嚴(yán)重的兩種材料也可以生長出界面完整性很好的超晶格，只要適當(dāng)控制層的厚度，這兩種材料可以彈性地調(diào)整它們的原子間距，使它們都達(dá)到一個適中的晶格常數(shù)值，這樣界面處的原子排列仍是匹配的。應(yīng)變層超晶格生長基面上的層錯、位錯等缺陷處發(fā)生晶格的局域崎變，應(yīng)變層超晶格同樣可以以彈性形變來調(diào)整。那么，在GaN層上生長適當(dāng)?shù)膽?yīng)變層超晶格就會“掩蓋”或“撫平”GaN層從下面?zhèn)鬟f來的缺陷。在其上面再生長高完整性的有源層，以減少載流子的缺陷散射、非幅射躍遷中心和光的吸收與散射，從而提高復(fù)合發(fā)光效率。所以我們可以用應(yīng)變層超晶格既作為包層限制載流子，又起消除缺陷為有源區(qū)提供高完整性基底的作用。
本發(fā)明還可以在n型GaN一側(cè)的應(yīng)變層超晶格包層中摻鋅，鎂n型雜質(zhì)，其濃度為1014EA/cm3-1020EA/cm3；在p型GaN一側(cè)的應(yīng)變層超晶格包層中摻硅，鍺p型雜質(zhì)，其濃度為1014EA/cm3-1020EA/cm3，該雜質(zhì)能夠為復(fù)合發(fā)光提供所需的載流子。
所述M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格的阱層和壘層厚度(即超晶格的周期)可以分別保持相同，形成等周期超3晶格；也可以分別漸變，即形成漸變周期超晶格，以實現(xiàn)對電子的布拉格反射。
所述應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)是用現(xiàn)有技術(shù)通用的MOCVD方法在外延生長器件中同時生長制備的。
n型和p型超晶格包層分別在有源層的兩側(cè)，它們是在氣相生長此藍(lán)色發(fā)光器件過程中按序生長的；氣相生長氣體包含氨或肼，以及包含混合后使用的三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基銦、二乙基鋅、二茂鎂；應(yīng)變層超晶格的結(jié)構(gòu)參數(shù)(x1、x2、x3、y1、y2、y3，阱寬、壘寬，周期數(shù))可以在氣相生長中通過調(diào)節(jié)氣體流量和開關(guān)程序來控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點1、發(fā)明為光電子器件提供一種新的約束載流子的結(jié)構(gòu)和方法。即以應(yīng)變層超晶格取代通常的三元系A(chǔ)lGaN包層，它可以消除GaN層從下面?zhèn)鬟f來的缺陷；可以調(diào)節(jié)平均晶格常數(shù)使得和GaN晶格完全匹配。從而減少特別是有源區(qū)的缺陷和雜質(zhì)密度；這樣，減少了無輻射躍遷中心及光的散射和吸收中心。有利于提高器件發(fā)光效率和強(qiáng)度。它還可以減少對載流子的散射，提高外延層的遷移率，改善器件的電學(xué)性質(zhì)。它還可以提高生長的均勻性；
2、本發(fā)明的直接效果是提高目前市場前景和經(jīng)濟(jì)效益極好的藍(lán)色發(fā)光二極管的效率和成品率；3、本發(fā)明無需添加新的設(shè)備和材料，在原有的MOCVD系統(tǒng)上只需改變包層的程序就可以實現(xiàn)；4、本發(fā)明可以用現(xiàn)有設(shè)備如MOCVD方法制備。


圖1是本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是III族氮化物材料GaN、InN、AlN和襯底材料6H-SiC、MgAl2O4(111)、α-Al2O3的晶格常數(shù)和能帶帶隙關(guān)系圖；圖3是圖1中M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)的能帶示意圖；圖4是在MOCVD系統(tǒng)上生長本發(fā)明的III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件的開關(guān)原理圖；圖5是作為本發(fā)明實施例的具有應(yīng)變層超晶格包層的III族氮化物藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
如圖1所示，在α-Al2O3襯底1上順序生長未摻雜GaN2，n型GaN3，n型應(yīng)變層超晶格4，InGaN/GaN多量子阱5，p型應(yīng)變層超晶格6和p型GaN7。
如圖2所示，表示的是III-V族半導(dǎo)體材料GaN、InN、AlN和襯底材料6H-SiC、MgAl2O4(111)、α-Al2O3的晶格常數(shù)和能帶帶隙。可見，InN的晶格常數(shù)大于GaN，而帶隙小于GaN；而AlN的晶格常數(shù)小于并接近GaN，而帶隙遠(yuǎn)大于GaN。因此可以選擇圖3表示的M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格作為包層。這時y2取零或較小的值，Aly1Iny2Gay3N壘層的晶格常數(shù)與通常的AlGaN包層相近，比GaN的略?。豢梢匀≈祒3≈y3，y2＞x2，即在超晶格阱層中以In部分取代Al。這時Alx1Inx2Gax3N阱層比壘層禁帶寬度小，而晶格常數(shù)略大。這樣應(yīng)變超晶格的平均晶格常數(shù)和GaN晶格可以完全匹配。根據(jù)量子阱發(fā)出的光的波長確定阱層Ga和Al的比，使得超晶格包層有適當(dāng)大的勢壘高度(2.0eV或更大)。同時，當(dāng)然這樣的包層對有源區(qū)發(fā)射的光是透明的。本發(fā)明所述的作為包層的M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格，用金屬化學(xué)氣相淀積(MOCVD)法可以在制備LED器件的過程中一次性生長出來，并適合于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。所用的原材料為有機(jī)金屬化合物三甲基鎵(TMG)、三乙基鎵(TEG)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)、二茂鎂(Cp2Mg)、二甲基鋅(DMZ)等；還有氣體源氨(NH3)、硅烷(SiH4)、載氣氫(H2)、氮(N2)等。所用襯底為藍(lán)寶石(α-Al2O3)、碳化硅(SiC)等。生長工藝和程序可沿用通常的LED的。
如圖4所示，表示了具有應(yīng)變層超晶格包層結(jié)構(gòu)的III族氮化物藍(lán)光LED的開關(guān)程序示意圖，通過調(diào)節(jié)各層生長時的壓力、流量、溫度、時間等參數(shù)來控制各層的組分和厚度。
圖5示出作為本發(fā)明實施例的具有應(yīng)變層超晶格包層的III族氮化物藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)350μ厚(0001)取向的α-Al2O3襯底；不摻雜的GaN低溫(570℃)生長層；1.5μ厚不摻雜的GaN過渡層；1.5μ厚摻Si(5*1018-2*1019AC/cm3)n-GaN層；80(周期)*[2.0(nm)Al0.16Ga0.85N/2.5(nm)Al0.13In0.03Ga0.85N]應(yīng)變層超晶格；10(周期)*[18(nm)In0.17Ga0.83N/20(nm)GaN]多量子阱；80(周期)*[2.0(nm)Al0.16Ga0.85N/2.5(nm)Al0.13In0.03Ga0.85N]應(yīng)變層超晶格；2.5μ厚摻Mg(5*1018-2*1019AC/cm3)p-GaN層。這樣的結(jié)構(gòu)在約4V的工作電壓下將發(fā)出445nm的藍(lán)光。
權(quán)利要求
1.一種III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件，其特征在于包括藍(lán)寶石襯底、半導(dǎo)體層、包層、有源層，所述有源層兩側(cè)的包層中至少包括一層M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格結(jié)構(gòu)，其阱層(Alx1Inx2Gax3N)和壘層(Aly1Iny2Gay3N)交替分布，式中x1+x2+x3＝1，0≤x1，x2，x3≤1；y1+y2+y3＝1，0≤y1，y2，y3≤1；M是超晶格的周期數(shù)，M≥3；阱層和壘層的平均晶格常數(shù)等于半導(dǎo)體層的晶格常數(shù)，超晶格的n＝1的子能帶帶隙能將載流子約束和局限在有源層中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件，其特征在于在n型GaN一側(cè)的應(yīng)變層超晶格包層中摻鋅，鎂n型雜質(zhì)，其濃度為1014EA/cm3-1020EA/cm3；在p型GaN一側(cè)的應(yīng)變層超晶格包層中摻硅，鍺p型雜質(zhì)，其濃度為1014EA/cm3-1020EA/cm3，該雜質(zhì)能夠為復(fù)合發(fā)光提供所需的載流子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件，其特征在于所述M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格的阱層和壘層厚度分別相同，形成等周期超晶格。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的III族氮化物半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件，其特征在于所述M*(Alx1Inx2Gax3N-Aly1Iny2Gay3N)應(yīng)變層超晶格的阱層和壘層厚度分別漸變，形成漸變周期超晶格。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，準(zhǔn)確地是一種III族氮化物的半導(dǎo)體藍(lán)色發(fā)光器件，其有源區(qū)兩側(cè)的包層中至少包括一層M
文檔編號H01S5/30GK1431722SQ03113770
公開日2003年7月23日 申請日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月18日
發(fā)明者范廣涵 申請人:華南師范大學(xué)