CN100466313C - ppn型发光晶体管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于III-V族化合物或者II-VI族化合物的高发光效率的ppn型发光晶体管，包括衬底、缓冲层、n型布拉格反射层、n型电子发射层、发射电极、多量子阱有源发光层、窄带隙p^-型基区层，与p^-型基区层通过欧姆接触形成的电极、宽带隙p⁺型集电极层以及与p⁺型集电极层欧姆接触的电极；本发明还涉及所述ppn型发光晶体管的制备方法；本发明采用了p⁺型、p^-型、n型晶体管结构；具有p^-型基极可以控制发光。

Description

ppn型发光晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种PPn型发光晶体管及其制备方法。

背景技术

II-VI族和III-V族化合物具有直接带间跃迁的半导体发光材料，材料的发光波长覆盖从红外到紫外整个波段。

在现有技术中，LED基本结构是由P型电极、有源发光区和N型电极构成。将LED的P端和N端接入电路中，通过恒流源供电，调节LED的端电压即可控制LED的发光强度，在LED显示屏技术中，一般采用控制LED发光时间占空比的方法控制发光强度，即通过控制发光时间与不发光时间的比例来调节发光效果。但是，这种调节方法，需要使用晶体管提供灌电流输入，产生大量的热，同时调节起来相对不是很方便。

目前，还没有成熟的制造发光晶体管的技术，尚处于初始研究阶段。主要方法有：一种是按照传统晶体管原理制造的NPN型发光晶体管器件，既利用器件的p型掺杂区发光，同时又作为基区进行控制，但是，由于基区很薄，绝大部分电子没有及时与基区中的空穴复合发光，而是直接穿过基区到达了n型掺杂集电区，大部分电子用来放大基区电流，只有少数电子参与发光，发光效率不高。另一种是实空间转移发光晶体管，是通过源极和漏极之间加正向电压时，电子在源极和漏极被加速到一定的能量后，就可以通过实空间转移效应，进入有源区，与栅极注入到有源区的空穴复合发光，但是，由于实空间转移效应的电子注入效率非常低，因此这种发光晶体管的发光效率也非常低。

发明内容

本发明的目的是针对现有发光晶体管的发光效率低的缺陷，提供一种基于III-V族化合物或者II-VI族化合物的高发光效率的ppn型发光晶体管。

本发明的另一个目的是提供上述ppn型发光晶体管的制备方法。

本发明的ppn型发光晶体管包括衬底、形成于衬底上的缓冲层、形成于缓冲层上的n型布拉格反射层、形成于n型布拉格反射层上的n型电子发射层、与n型电子发射层欧姆接触的发射电极、形成于n型电子发射层上的多量子阱有源发光层、形成于多量子阱有源发光层上的窄带隙p^-型基区层，与p^-型基区层通过欧姆接触形成的电极、通过突变同型异质结接触形成于p^-型基区层之上的宽带隙p⁺型掺杂的集电极层以及与p⁺型集电极层欧姆接触的电极。

所述窄带隙p^-型基区层厚度优选50—150nm。

所述衬底优选蓝宝石、硅、炭化硅、砷化镓或二氧化硅材料。

本发明中，III-V族化合物材料可以采用III族的Ga(镓)或Al(铝)元素，以及V族的N(氮)、As(砷)等元素组成的化合物，例如，p⁺型集电极层可由GaAs搀杂Mg材料制备得到，p^-型基区层可由GaAs搀杂Mg、In材料制备得到，多量子阱有源发光层可由GaAs搀杂In材料制备得到。

II-VI族化合物材料可以采用II族Zn元素，以及VI族O元素等元素组成的化合物，例如，p⁺型集电极层、p^-型基区层可由ZnO掺杂N、As材料制备得到，多量子阱有源发光层可由ZnO掺杂Be、Al材料制备得到。

本发明的发光晶体管的结构原理：由宽带隙的p⁺型集电区(空穴发射区)、窄带隙的p^-型基极控制区、有源发光区和n型电子发射区组成。包括一个半导体化合物材料衬底，在衬底上形成缓冲层，形成n型布拉格反射层，然后是n型电子发射层，再生长多量子阱有源发光层，继续生长窄带隙p^-型基区层，再生长突变窄宽带隙p⁺掺杂集电层，p^-型基区层与p⁺型掺杂集电区层通过突变同型异质结接触，最后形成了外延片，通过半导体平面工艺技术制备成相应的p⁺型电极、p^-型电极和n型电极，形成了晶体管器件。其中，在III-V族化合物中，如GaN、GaAs和GaP等材料，通过控制In材料的组分改变材料的带隙宽度形成控制区或发光区，利用Mg材料掺杂形成p型区，Si等掺杂形成n型区。

本发明的发光晶体管的工作原理：器件正常工作时，在p⁺型集电极和n型发射极之间加正向电压V_pn，p^-基极和p⁺型集电极之间加正向电压V_pp，空穴由p⁺型集电区(空穴发射区)越过空穴量子阱进入p^-基区，再通过p^-型基区进入有源区，V_pp控制着基区空穴量子阱势垒的高度，控制了通过异质结的空穴数量，起到了调节器件发光强度的作用，进入有源区的电子与由p型空穴发射区注入的空穴复合发光，其中，1V<V_pn<15V，0.1V<V_pp<8V。

本发明所述ppn型发光晶体管的制备方法包括如下步骤：

(1)、利用金属有机气相淀积或分子束外延技术，生长III-V族GaN、GaAs或GaP材料；

(2)、选择一个蓝宝石、硅、砷化镓或二氧化硅材料的衬底，生长缓冲层；

(3)、缓冲层生长多周期的n型的布拉格反射层；

(4)、继续生长施主掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3的n型材料的电子发射区；

(5)、在In_1-xGa_xN、In_1-xGa_xAs或(AlGa)_xIn_1-xP材料中，通过改变x的值控制外延层In材料的组分，继续生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源发光层，0.03<x<0.95；

(6)、再生长受主掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁸cm^-3、厚度在50nm到150nm之间的p-型基区层；

(7)、改变受主掺杂浓度10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3，生长突变的p⁺型集电极层，得到发光三极管的外延片；

(8)、利用光刻和化学腐蚀的方法，刻蚀n型层表面，再利用光刻的方法形成n型层欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Al/Au合金材料，形成发射区欧姆接触电极；

(9)、制作基区的p-电极和集电区的p⁺型电极，得到带有控制端的ppn型发光晶体管。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：(1)采用了p⁺型、p^-型、n型晶体管结构；(2)具有p^-型基极可以控制发光；(3)发光晶体管的发光功率高于现有技术中发光晶体管的功率。

附图说明

图1是本发明发光晶体管剖面结构示意图；图中，1是衬底，2是缓冲层，3是n型布拉格反射层，4是n型发射区，5是有源区，6是p-型基区，7是p⁺型集电区。8是n电极，9是p-电极，10是p⁺电极。

图2是本发明发光晶体管的能带图，图中，11是6与7通过突变同型异质结接触形成的空穴量子阱。

具体实施方式

如图1所示，本发明的ppn型发光晶体管包括衬底1、形成于衬底1上的缓冲层2、形成于缓冲层2上的n型布拉格反射层3、形成于n型布拉格反射层3上的n型电子发射层4、与n型电子发射层4欧姆接触的发射电极8、形成于n型电子发射层4上的多量子阱有源发光层5、形成于多量子阱有源发光层5上的窄带隙p^-型基区层6(厚度在50nm到150nm之间)，与p^-型基区层6通过欧姆接触形成的电极9、通过突变同型异质结接触形成于p^-型基区层6之上的宽带隙p⁺型掺杂的集电极层7以及与p⁺型掺杂的集电极层7欧姆接触的电极10。

图1中，空穴由p+型集电区7，经过p-型基区6进入有源区5，然后在有源区5与由n型电子发射区4注入的电子复合发光。其中施加在p-型基区电极9上的电压控制着基区空穴量子阱势垒高度，进而控制了通过异质结的空穴数量，起到了调节器件发光强度的作用。

图2示意了本发明发光晶体管的能带图，通过能带图可以清楚看出，基区6与集电极7的突变同型异质结接触形成的量子阱11可以起到限制空穴的作用，通过控制基区6上的电压可以调节异量子阱11的势垒，控制了空穴通过量子阱11的数量，从而可以起到调节发光的作用。

实施例1

利用III-V族化合物材料GaAs材料制备晶体管。选用蓝宝石衬底，由宽带隙的n型电子发射区、有源发光区、窄带隙的p^-型基极控制区和p型集电区(空穴发射区)构成。在n型GaAs材料衬底1上形成缓冲层2，再形成n型布拉格反射层3，然后是n型电子发射层4，再继续生长多量子阱有源发光层5，然后生长p^-型基区层6，再继续生长突变的p⁺型重掺杂集电区层7，轻掺杂p^-型基区层6与p⁺型重掺杂发射区层7通过突变同型异质结接触，在靠近p^-型轻掺杂基区层6的结区一侧形成量子阱11，量子阱的势垒高度通过施加在基区6上的电压进行控制，形成了外延片。通过半导体平面工艺技术制备成相应的p⁺型电极10、p^-型电极9和n型电极8，形成了晶体管器件。其中，在In_1-xGa_xAs材料中，通过变化x的值来改变In元素的组分，致使改变材料的带隙宽度形成控制区或发光区，在GaAs材料中利用Mg材料掺杂形成p型区，利用Si掺杂形成n型区。

本实施例的发光晶体管的制备方法是：利用MOCVD技术，生长GaAs材料。选择n型GaAs为半导体材料衬底1，生长0.5μm厚的缓冲层2。通过Si材料的掺杂生长多周期的n型的布拉格反射层3。继续生长Si材料掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的n型材料的电子发射区4。在生长In_1-xGa_xN材料时(0.03<x<0.95)，通过改变x值控制In材料的掺杂组分，生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源区5。在多量子阱有源区5上生长Mg掺杂浓度为10¹⁶cm^-3的p-型基区6。再继续突变生长Mg掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的p⁺型集电区7，得到发光三极管的外延片。通过半导体平面工艺技术，利用光刻和化学腐蚀的方法，刻蚀n型层表面，再利用光刻的方法形成n型层欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Al/Au合金等材料，形成发射区欧姆接触电极8。利用上述方法，可以制作基区的p^-电极9和集电区的p⁺型电极10，得到带有控制端的发光晶体管。

实施例2

利用II-VI族化合物材料ZnO材料制备晶体管。

与实施例1相比，实施例2的不同之处在于：采用ZnO材料，搀杂Al元素形成n型发射区4，搀杂N元素形成有源发光区5、p^-型6、p⁺型区7。

其他同实施例1。

Claims (7)

1、一种ppn型发光晶体管，其特征在于包括衬底、形成于衬底上的缓冲层、形成于缓冲层上的n型布拉格反射层、形成于n型布拉格反射层上的n型电子发射层、与n型电子发射层欧姆接触的发射电极、形成于n型电子发射层上的多量子阱有源发光层、形成于多量子阱有源发光层上的窄带隙p^-型基区层，与p^-型基区层通过欧姆接触形成的电极、通过突变同型异质结接触形成于p^-型基区层之上的宽带隙p⁺型掺杂的集电极层以及与p⁺型集电极层欧姆接触的电极。

2、根据权利要求1所述的发光晶体管，其特征在于所述窄带隙p^-型基区层厚度为50—150nm。

3、根据权利要求1或2所述的发光晶体管，其特征在于所述衬底采用蓝宝石、硅、碳化硅、砷化镓或二氧化硅材料。

4、根据权利要求3所述的发光晶体管，其特征在于p⁺型集电极层由GaAs掺杂Mg材料制备得到，p^-型基区层由GaAs掺杂Mg、In材料制备得到，多量子阱有源发光层由GaAs掺杂In材料制备得到。

5、根据权利要求3所述的发光晶体管，其特征在于p⁺型集电极层、p^-型基区层由ZnO掺杂N、As材料制备得到，多量子阱有源发光层由ZnO掺杂Be、Al材料制备得到。

6、一种ppn型发光晶体管的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、选择一个蓝宝石、硅、砷化镓或二氧化硅材料的衬底，利用金属有机气相淀积或分子束外延技术，首先生长缓冲层；

(2)、在缓冲层上生长多周期的n型的布拉格反射层；

(3)、继续生长施主掺杂浓度为10¹⁷～10¹⁹cm^-3的n型材料的电子发射区；

(4)、在In_1-xGa_xN、In_1-xGa_xAs或(AlGa)_xIn_1-xP材料中，通过改变x的值控制外延层In材料的组分，继续生长多周期的超晶格结构，形成多量子阱有源发光层，0.03<x<0.95；

(5)、再生长受主掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁸cm^-3、厚度在50nm到150nm之间的p^-型基区层；

(6)、生长突变的p⁺型集电极层，受主掺杂浓度10¹⁸～5×10¹⁹cm^-3，得到发光晶体管的外延片；

(7)、利用光刻和化学腐蚀的方法，刻蚀n型材料的电子发射区，再利用光刻的方法形成n型材料的电子发射区欧姆接触电极图形，利用蒸发方法蒸镀Al/Au合金材料，形成发射区欧姆接触电极；

(8)、制作基区的p^-电极和集电区的p⁺型电极，得到带有控制端的ppn型发光晶体管。

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