專利名稱：氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管及其制備方法。
背景技術(shù)：
III-V族半導(dǎo)體光電材料被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料，而氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管由于可以通過調(diào)制材料的組成實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光的光譜發(fā)射而成為業(yè)界研究的重點(diǎn)。目前，氮化物半導(dǎo)體材料或者器件的外延生長(zhǎng)主要采用MOCVD技術(shù)，但是由于缺 乏與氮化鎵晶格匹配的襯底材料，主要采用藍(lán)寶石作為襯底進(jìn)行異質(zhì)外延，然而由于藍(lán)寶石與氮化物材料之間較大的晶格失配與熱膨脹系數(shù)的差異，外延層的質(zhì)量難以保證，另外外延層中也存在較大的應(yīng)力與熱失配。在傳統(tǒng)的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管有源區(qū)中，由于空穴的有效質(zhì)量較大，遷移率低，因此氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管中的空穴主要分布在靠近P型氮化物半導(dǎo)體材料接觸層的幾個(gè)量子阱中，分布極為不均勻。此外，由于有源區(qū)內(nèi)量子阱與勢(shì)壘層之間的晶格失配等原因在多量子阱區(qū)會(huì)形成較大的極化電場(chǎng)，此極化電場(chǎng)使量子阱中電子與空穴的波函數(shù)發(fā)生分離，影響輻射復(fù)合效率和發(fā)光強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明提供了一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管及其制備方法，以改善氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管有源區(qū)中空穴的分布。( 二 )技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，包括襯底；η型接觸層，其材料為η型的氮化物半導(dǎo)體材料，形成于襯底上；活性發(fā)光層，其材料為氮化物半導(dǎo)體材料，形成于η型接觸層上；以及P型接觸層,其材料為P型的氮化物半導(dǎo)體材料，形成于活性發(fā)光層上；其中，活性發(fā)光層為由至少兩種不同的氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)，該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中至少部分量子阱層的氮化物半導(dǎo)體材料為P型摻雜。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備方法，包括在襯底上形成η型接觸層，其材料為η型的氮化物半導(dǎo)體材料；在η型接觸層上形成由兩種不同的氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)的活性發(fā)光層，該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中至少部分量子阱層的氮化物半導(dǎo)體材料為P型摻雜；以及在活性發(fā)光層上形成P型接觸層，其材料為P型的氮化物半導(dǎo)體材料。(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管及其制備方法具有以下有益效果
(I)活性發(fā)光層中，對(duì)底層的量子阱進(jìn)行摻雜后空穴不再局限于靠近p型氮化物半導(dǎo)體材料接觸層的量子阱中，電子與空穴在底層的量子阱中復(fù)合增強(qiáng)可以調(diào)制不同的量子講發(fā)光；(2)活性發(fā)光層中，P型摻雜可以產(chǎn)生更多的空穴，電子與空穴的復(fù)合增強(qiáng)，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)同時(shí)有利于抑制電子的溢出，有效抑制droop效應(yīng)。


圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管制備方法的流程圖；圖3為傳統(tǒng)的半導(dǎo)體二極管與本發(fā)明半導(dǎo)體二極管電致發(fā)光測(cè)試結(jié)果。
主要元件符號(hào)說明11-襯底； 12-成核層；13-緩沖層；14-n型接觸層；15-活性發(fā)光層； 151-銦鎵氮子層；152-鎵氮子層； 16-p型電子阻擋層；17-p型接觸層。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明的目的在于提供一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管及其制備方法，通過對(duì)有源區(qū)中量子阱層的P型摻雜，既可以產(chǎn)生更多的空穴又可以屏蔽極化電場(chǎng)的影響，從而提高空穴的注入效率，改善空穴的分布。圖I為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D1，該氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管包括襯底11，及在該襯底上依次生長(zhǎng)的成核層12、緩沖層13、n型接觸層14、活性發(fā)光層15、p型電子阻擋層16及p型接觸層17 ;其中，活性發(fā)光層15為由兩種不同的氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)，該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中至少部分量子阱層的氮化物半導(dǎo)體材料為P型摻雜。其中，成核層、緩沖層、η型接觸層和P型接觸層的材料均為氮化物半導(dǎo)體材料。在制備氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管時(shí)，(0001)方向的藍(lán)寶石襯底為最常用的襯底。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員同樣可以選擇其他的，與鎵氮材料的晶格失配度小于20%的單晶氧化物，例如r_面、m-或a-面藍(lán)寶石、6H-SiC、4H_SiC或Si等。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，成核層12和緩沖層13的作用是提高后期鎵氮晶體的質(zhì)量，在實(shí)際制備過程中也可以省略。此外，P型電子阻擋層16是阻擋電子從有源區(qū)向P型接觸層的溢出，其同樣可以省略。本實(shí)施例中，氮化物半導(dǎo)體材料可以選擇以下材料中的一種鎵氮(即氮化鎵)、銦氮(即氮化銦)、鋁氮(即氮化鋁)、銦鎵氮、鋁鎵氮和銦鋁鎵氮等。例如，η型接觸層14的材料可以為η型鎵氮材料，P型接觸層的材料可以為P型鎵氮材料。在圖I所示的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管中，活性發(fā)光層15為由銦鎵氮子層151和鎵氮層152交疊沉積而成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)，其中銦鎵氮子層為P型摻雜，摻雜范圍可以是某些或者全部量子阱，摻雜方式可以為等濃度摻雜或者調(diào)制摻雜，該調(diào)制摻雜例如是摻雜濃度逐漸增加或逐漸減小。并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員同樣可以根據(jù)需要來選擇多周期量子阱結(jié)構(gòu)的層數(shù)及各層的氮化物半導(dǎo)體材料，同樣應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本實(shí)施例中，通過對(duì)有源區(qū)中量子阱層的P型摻雜，既可以產(chǎn)生更多的空穴，又可以屏蔽極化電場(chǎng)的影響，從而提高空穴的注入效率，改善空穴的分布。此外，如圖I所示，為了將外界的電激勵(lì)傳導(dǎo)至有源區(qū)，預(yù)設(shè)區(qū)域的P型接觸層17、P型電子阻擋層16、活性發(fā)光層15及部分的η型接觸層14被刻蝕以形成臺(tái)面，正、負(fù)電極分別位于該臺(tái)面及預(yù)設(shè)區(qū)域外的P型接觸層17上。圖2是依照本發(fā)明實(shí)施例的制備氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管方法的流程圖。請(qǐng)參照?qǐng)D2，該制備方法包括·
步驟Α，選擇(0001)方向藍(lán)寶石作為襯底11 ；步驟B，在襯底11上依次制作氮化物半導(dǎo)體材料的成核層12和緩沖層13 ；該成核層12的生長(zhǎng)參數(shù)包括反應(yīng)溫度為500-850 °C，反應(yīng)腔壓力為150-500Torr，載氣流量10-30升/分鐘，三甲基鎵的流量為20-250微摩爾/分鐘，氨氣流量為20-80摩爾/分鐘,生長(zhǎng)時(shí)間為1-10分鐘。該緩沖層13的生長(zhǎng)參數(shù)包括生長(zhǎng)溫度900-1200°C，反應(yīng)腔壓力75_250Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵的流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為20-60分鐘。步驟C，在緩沖層13上制作η型鎵氮接觸層14，其中，該η型鎵氮接觸層14以硅燒為η型慘雜劑；該η型鎵氮接觸層14生長(zhǎng)參數(shù)包括生長(zhǎng)溫度950-1150°C，反應(yīng)腔壓力75-250Torr,載氣流量5-20升/分鐘，三甲基鎵流量80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，硅烷流量O. 2-2. O納摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間10-40分鐘。步驟D，交疊沉積銦鎵氮子層151和鎵氮子層152，從而η型鎵氮接觸層14的表面上形成多周期量子阱結(jié)構(gòu)的活性發(fā)光層15 ；其中，銦鎵氮子層為P型摻雜，摻雜范圍可以是某些或者全部量子阱，摻雜方式可以為等濃度摻雜或者調(diào)制摻雜。P型摻雜可以產(chǎn)生更多的空穴，電子與空穴的復(fù)合增強(qiáng)，發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)同時(shí)有利于抑制電子的溢出，有效抑制droop效應(yīng)。在多量子阱區(qū)域中的量子阱層進(jìn)行摻雜后可以產(chǎn)生空穴，使載流子數(shù)量增加，同時(shí)產(chǎn)生的載流子與電離受主可以部分屏蔽極化電場(chǎng)從而提高發(fā)光強(qiáng)度，同時(shí)隨著量子阱層中摻雜濃度的提高，產(chǎn)生的載流子數(shù)量增多的同時(shí)也會(huì)引起有源區(qū)能帶結(jié)構(gòu)的變化，尤其是價(jià)帶結(jié)構(gòu)的變化，有利于空穴的輸運(yùn)和分布。在活性發(fā)光層中，對(duì)底層的量子阱進(jìn)行摻雜后空穴不再局限于靠近P型氮化物半導(dǎo)體材料接觸層的量子阱中，電子與空穴在底層的量子阱中復(fù)合增強(qiáng)可以調(diào)制不同的量子阱發(fā)光。步驟E，在活性發(fā)光層15上生長(zhǎng)P型電子阻擋層16 ；本步驟中，P型電子阻擋層16由鋁鎵氮構(gòu)成，其厚度為10_50nm，且其下表面與所述的活性發(fā)光層中的鎵氮層152接觸。生長(zhǎng)參數(shù)包括生長(zhǎng)溫度700-1000°C，反應(yīng)腔壓力50-200Torr,載氣流量5_20升/分鐘，氨氣流量100-400摩爾/分鐘，三甲基鎵流量80-200微摩爾/分鐘，二茂鎂流量為150-400納摩爾/分鐘，時(shí)間為1-10分鐘。步驟F，在P型電子阻擋層16上繼續(xù)生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體材料的P型接觸層17，其中，摻雜劑可以是二茂鎂；該P(yáng)型接觸層17制作在P型電子阻擋層16上，該層由P型鎵氮構(gòu)成。具體的生長(zhǎng)參數(shù)包括生長(zhǎng)溫度950-1100°C，反應(yīng)腔壓力200-500Torr，載氣流量5_20升/分鐘，氨氣流量200-800摩爾/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，二茂鎂流量為O. 5-5微摩爾/分鐘，時(shí)間為10-60分鐘。除了采用二茂鎂作為摻雜劑之外，還可以采用二乙基鋅作為摻雜劑。步驟G，在P型接觸層17上表面的一側(cè)向下刻蝕，刻蝕深度一直到達(dá)η型鎵氮接觸 層14中，形成臺(tái)面141 ； 刻蝕方法例如是干法刻蝕、感應(yīng)偶和等離子體刻蝕或者反應(yīng)離子刻蝕等。步驟H，在P型接觸層17的上面制作正電極19 ;在11型接觸層14的臺(tái)面141上制作負(fù)電極18，完成氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備。本實(shí)施例中，生長(zhǎng)氮化物半導(dǎo)體材料的方法為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積，即MOCVD,當(dāng)然也可以采用其他的生長(zhǎng)方式，如分子束外延，即ΜΒΕ，或氫化物氣相外延，即HVPE0需要說明的是，以上用一種具體的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管為例來說明本發(fā)明的制備方法。對(duì)于其他類型的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其制備過程與此類似，不同之處僅在于相應(yīng)層的材料，此處不再贅述。圖3為傳統(tǒng)的半導(dǎo)體二極管與本發(fā)明半導(dǎo)體二極管電致發(fā)光測(cè)試結(jié)果。而本發(fā)明的半導(dǎo)體二極管的活性發(fā)光層15中，發(fā)射綠光的第一銦鎵氮子層位于上層，靠近P型電子阻擋層16—側(cè)，發(fā)射藍(lán)光的第二銦鎵氮子層位于下層，靠近η型接觸層14 一側(cè)。第一銦鎵氮子層和第二銦鎵氮子層同為銦鎵氮層但是銦的含量不同會(huì)導(dǎo)致不同的發(fā)光。此測(cè)試中，使用了不同銦組分的銦鎵氮活性層。銦鎵氮子層151既可以是相同銦組分的也可以是每層中銦組分不同的。從測(cè)試結(jié)果可以看出，相同的電流強(qiáng)度下，未摻雜的樣品中只有單一綠光發(fā)光峰，部分銦鎵氮子層摻雜后的樣品出現(xiàn)微弱的藍(lán)光峰，而全部銦鎵氮子層摻雜的樣品不僅出現(xiàn)明顯雙峰而且底層的藍(lán)光銦鎵氮子層發(fā)出的光強(qiáng)度更強(qiáng)。這說明對(duì)氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管活性發(fā)光層的部分或全部銦鎵氮子層進(jìn)行P型摻雜后空穴的分布和輸運(yùn)得到明顯改善。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，包括 襯底； η型接觸層,其材料為 η型的氮化物半導(dǎo)體材料，形成于所述襯底上； 活性發(fā)光層，其材料為氮化物半導(dǎo)體材料，形成于所述η型接觸層上；以及 P型接觸層，其材料為P型的氮化物半導(dǎo)體材料，形成于所述活性發(fā)光層上； 其中，所述活性發(fā)光層為由至少兩種不同的氮化物半導(dǎo)體材料交疊沉積而成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)，該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中至少部分量子阱層的氮化物半導(dǎo)體材料為P型摻雜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，所述氮化物半導(dǎo)體材料為以下材料中的一種嫁氣、鋼嫁氣、招嫁氣、鋼招嫁氣、鋼氣和招氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于所述活性發(fā)光層為由銦鎵氮子層和鎵氮子層交疊沉積而成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)； 該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中，部分或全部量子阱的銦鎵氮子層為P型摻雜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，所述多周期量子阱結(jié)構(gòu)中，全部量子阱中的銦鎵氮子層為P型摻雜； 各量子阱中銦鎵氮子層的P型摻雜為等濃度摻雜或調(diào)制摻雜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，還包括 成核層，其材料為氮化物半導(dǎo)體材料，形成于所述襯底上； 緩沖層，其材料為氮化物半導(dǎo)體材料，形成于成核層和所述η型接觸層之間； P型電子阻擋層，形成于所述活性發(fā)光層和所述P型接觸層之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于 預(yù)設(shè)區(qū)域的所述P型接觸層、P型電子阻擋層、活性發(fā)光層及部分的所述η型接觸層被刻蝕以形成臺(tái)面； 正電極和負(fù)電極分別位于該臺(tái)面及預(yù)設(shè)區(qū)域外的P型接觸層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，所述η型接觸層的材料為η型鎵氮材料，所述P型接觸層的材料為P型鎵氮材料。
8.一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，包括 在襯底上形成η型接觸層，其材料為η型的氮化物半導(dǎo)體材料； 在所述η型接觸層上形成由兩種不同的氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)的活性發(fā)光層，該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中至少部分量子阱層的氮化物半導(dǎo)體材料為P型摻雜；以及 在所述活性發(fā)光層上形成P型接觸層，其材料為P型的氮化物半導(dǎo)體材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述氮化物半導(dǎo)體材料為以下材料中的一種鎵氮、銦鎵氮、鋁鎵氮、銦鋁鎵氮、銦氮和鋁氮。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，所述在η型接觸層上形成活性發(fā)光層的步驟包括 交疊沉積銦鎵氮子層和鎵氮子層，以形成所述多周期量子阱結(jié)構(gòu)，其中，部分或全部的量子阱中的銦鎵氮子層為P型摻雜。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管，其特征在于，所述交疊沉積銦鎵氮子層和鎵氮子層的步驟中全部量子阱中的銦鎵氮子層為P型摻雜，各量子阱中銦鎵氮子層的P型摻雜為等濃度摻雜或調(diào)制摻雜。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于 所述在襯底上形成η型接觸層的步驟之前還包括在所述襯底上依次形成成核層和緩沖層，所述η型接觸層形成于所述緩沖層上，其中，所述成核層和緩沖層的材料均為氮化物半導(dǎo)體材料； 在所述活性發(fā)光層上形成P型接觸層的步驟之前還包括在所述活性發(fā)光層形成P型電子阻擋層，所述P型接觸層形成于所述P型電子阻擋層上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于，所述在活性發(fā)光層上形成P型接觸層的步驟之后還包括 在P型接觸層上表面的一側(cè)向下刻蝕，刻蝕深度一直到達(dá)η型接觸層中，形成臺(tái)面； 在所述P型接觸層的上面制作正電極；在所述η型接觸層的臺(tái)面上制作負(fù)電極。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13中任一項(xiàng)所述的氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管的制備方法，其特征在于， 所述在襯底上形成η型接觸層的步驟中，所述η型接觸層的材料為η型鎵氮材料； 所述在活性發(fā)光層上形成P型接觸層的步驟中，所述P型接觸層的材料為P型鎵氮材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管及其制備方法。該氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管包括襯底；n型接觸層，其材料為n型的氮化物半導(dǎo)體材料，形成于襯底上；活性發(fā)光層，其材料為氮化物半導(dǎo)體材料，形成于n型接觸層上；以及p型接觸層，其材料為p型的氮化物半導(dǎo)體材料，形成于活性發(fā)光層上；其中，活性發(fā)光層為由至少兩種不同的氮化物半導(dǎo)體材料構(gòu)成的多周期量子阱結(jié)構(gòu)，該多周期量子阱結(jié)構(gòu)中至少部分量子阱層的氮化物半導(dǎo)體材料為p型摻雜。本發(fā)明可以改善氮化物半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管有源區(qū)中空穴的分布。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102891229SQ20121037514
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者司朝, 魏同波, 王軍喜, 李晉閩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所